趙家華　天津職業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院

寧靜紅 天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點實驗室

渦流管膨脹降壓的R290制冷系統(tǒng)性能分析

趙家華天津職業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院

寧靜紅 天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點實驗室

對所設(shè)計的渦流管膨脹降壓的R290制冷系統(tǒng)進行熱力計算，并與常規(guī)節(jié)流降壓R290制冷系統(tǒng)的性能比較，得出渦流管膨脹降壓的R290制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)，隨著渦流管噴嘴效率的升高、蒸發(fā)溫度升高和冷凝溫度降低而增大。渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)要明顯大于常規(guī)制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)，蒸發(fā)溫度升高差值增大。渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)提升隨蒸發(fā)溫度的升高、渦流管噴嘴效率的提高和冷凝溫度的降低而相應(yīng)增大。

渦流管；膨脹降壓；R290；制冷系統(tǒng)

當(dāng)今科技的發(fā)展，引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源短缺，自然工質(zhì)替代以及制冷系統(tǒng)的性能提高是研究者亟待解決的問題。渦流管具有結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、結(jié)構(gòu)輕巧、成本低、易維護、壽命長等特點，得到研究者的廣泛關(guān)注［1-6］。R290具有優(yōu)良的熱力性能，價格低廉，與普通潤滑油和機械結(jié)構(gòu)材料能良好的兼容，臭氧消耗潛值為0，全球變暖潛值很小，不需合成，不改變自然界碳氫化合物的含量，對溫室效應(yīng)沒有直接影響，近年來受到制冷空調(diào)研究者的廣泛關(guān)注，有許多學(xué)著進行了相關(guān)的理論和實驗研究［7-12］。

本文利用渦流管具有膨脹降壓和分離流體的作用，提出利用渦流管代替常規(guī)制冷系統(tǒng)節(jié)流降壓元件的R290制冷系統(tǒng)，對其進行熱力性能分析，并與常規(guī)制冷系統(tǒng)的熱力性能進行比較，為深入研究和開發(fā)新型節(jié)能環(huán)保的R290制冷系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

1　系統(tǒng)的工作原理

圖1和圖2分別為本文設(shè)計的渦流管膨脹降壓的R290制冷系統(tǒng)的流程圖和p-h圖。位于超臨界狀態(tài)點4、從冷凝器出來的狀態(tài)點3的高溫高壓R290液體經(jīng)過渦流管的噴嘴膨脹降壓至狀態(tài)點3′（常規(guī)制冷循環(huán)是節(jié)流降壓至狀態(tài)點5′）的氣液兩相流體，在渦流管的渦流室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)流動，分離出的狀態(tài)點5的飽和液體經(jīng)渦流管內(nèi)壁的凹槽收集后由渦流管底部排出，狀態(tài)點4的飽和冷氣體由渦流管的冷端排出，狀態(tài)點6的熱氣體則由渦流管的熱端排出。飽和液體和飽和冷氣體混合至狀態(tài)點7′后進入蒸發(fā)器，從蒸發(fā)器出來的狀態(tài)點7的飽和氣體與狀態(tài)點6的熱氣體混合后被吸入壓縮機，壓縮至狀態(tài)點2，排氣進入冷凝器。

圖1　渦流管膨脹降壓的R290制冷系統(tǒng)流程圖

圖2　渦流管膨脹降壓的R290制冷系統(tǒng)的p-h圖

2　 熱力計算

在進行渦流管膨脹降壓的R290制冷系統(tǒng)的熱力計算時假設(shè)：（1）渦流管出口的冷氣流和液體、蒸發(fā)器出口的蒸氣均為飽和態(tài)；（2）混合過程為等壓過程；（3）制冷劑在換熱器和管路中的壓降為零。設(shè)冷凝器出口的R290液體的質(zhì)量流量為m，冷氣體的質(zhì)量流量為m1，液體的質(zhì)量流量為m2，熱氣體的質(zhì)量流量為m3，冷氣體占氣體總量（熱氣體與冷氣體的質(zhì)量流量之和）的質(zhì)量比為μ。壓縮機的等熵效率取0.75，對單位工質(zhì)進行計算，相關(guān)的計算公式如下：

渦流管的能量守恒方程：

蒸發(fā)器入口的流體混合平衡方程：

蒸發(fā)器出口的流體混合平衡方程：

式中：h1， h2—壓縮機進、出口的焓，kJ/kg；

h3， h3'， h3's—冷凝器出口、渦流管噴嘴實際膨脹出口和渦流管噴嘴等熵膨脹出口的焓，kJ/kg；

h4， h6， h5， h7'， h7—渦流管冷氣體、熱氣體、液體、蒸發(fā)器進口和蒸發(fā)器出口的焓，kJ/s；

m1， m2， m3， m—渦流管冷氣體、液體、熱氣體和冷凝器的質(zhì)量流量，kg/s；

Q0， W—制冷量和壓縮機耗功，kW

COPv， COPj， COPr— 渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)性能系數(shù)、常規(guī)R290制冷系統(tǒng)性能系數(shù)和渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)性能系數(shù)提升百分數(shù)。

3　性能分析

通過對渦流管膨脹降壓的R290制冷系統(tǒng)的熱力計算，以及與常規(guī)節(jié)流降壓R290制冷系統(tǒng)的性能比較，得到下面各個圖中顯示的結(jié)果。如無特殊說明，圖中的冷凝溫度為45℃，蒸發(fā)溫度為-8℃。圖3為不同蒸發(fā)溫度下，渦流管膨脹降壓的R290制冷系統(tǒng)的COPv隨渦流管噴嘴效率的變化關(guān)系，由圖可以看出，隨著渦流管噴嘴效率的升高，系統(tǒng)的性能系數(shù)COPv增大。因為在相同的蒸發(fā)溫度下，渦流管噴嘴效率提高，經(jīng)過渦流膨脹降壓后的氣液兩相流體的液體含量增多，進入蒸發(fā)器的焓值也降低，蒸發(fā)吸收的熱量增多，系統(tǒng)的制冷性能提高。同時，可以看出，在相同的渦流管噴嘴效率下，蒸發(fā)溫度降低，雖然進入蒸發(fā)器的液體焓值降低，但是壓縮機的壓力比增加，功率消耗增大的幅度要大，因此，制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)下降。

圖4是不同渦流管噴嘴效率下COPv隨冷凝溫度的變化關(guān)系，可以看出，蒸發(fā)溫度和渦流管噴嘴效率一定時，隨著冷凝溫度的提高，渦流管膨脹降壓后氣液兩相流體的液體含量減少，蒸發(fā)器的熱負荷減少。另外，冷凝壓力升高，壓縮機的壓力比升高，耗功增加，因此，系統(tǒng)的制冷性能降低。從圖中也可看出，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度一定時，渦流管噴嘴效率提高，渦流管膨脹降壓后氣液兩相流體的液體含量增大，同時，進入蒸發(fā)器的焓值降低，蒸發(fā)器的熱負荷增加，制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)提高。

從圖5可以看出，隨著蒸發(fā)溫度的提高，兩個系統(tǒng)的性能系數(shù)都提高， 但渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)性能系數(shù)提高的幅度要明顯大于常規(guī)制冷系統(tǒng)，渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)要明顯大于常規(guī)制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)，蒸發(fā)溫度越高差值越大。圖6是渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)較常規(guī)制冷系統(tǒng)的性能提升百分比隨蒸發(fā)溫度的變化情況，可以看出渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)提升隨蒸發(fā)溫度的升高而逐漸增大。隨著渦流管噴嘴效率的提高，性能系數(shù)的提升也相應(yīng)增大。

由圖7可以看出，隨著冷凝溫度的提高，兩個系統(tǒng)的性能系數(shù)都降低，渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)要明顯大于常規(guī)制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)。圖8是渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)較常規(guī)制冷系統(tǒng)的性能提升百分比隨冷凝溫度的變化情況，可以看出，渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)提升隨冷凝溫度的升高而逐漸降低。同樣看出，隨著蒸發(fā)溫度的提高，性能系數(shù)的提升增大。

圖3　不同蒸發(fā)溫度下COPv隨渦流管噴嘴效率的變化關(guān)系

圖4　不同渦流管噴嘴效率下COPv隨冷凝溫度的變化關(guān)系

圖5　兩個制冷循環(huán)的COP隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系

4　結(jié)論

圖6　渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)提升隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系

圖7　兩個制冷循環(huán)的COP隨冷凝溫度的變化關(guān)系

圖8　渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)提升隨冷凝溫度的變化關(guān)系

通過對渦流管膨脹降壓的R290制冷系統(tǒng)的熱力計算，以及與常規(guī)節(jié)流降壓R290制冷系統(tǒng)的性能比較得出：

（1）渦流管膨脹降壓的R290制冷系統(tǒng)隨著渦流管噴嘴效率的升高、蒸發(fā)溫度升高和冷凝溫度降低，系統(tǒng)的性能系數(shù)增大。

（2）在相同工況下，渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)要明顯大于常規(guī)制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)，隨著蒸發(fā)溫度升高差值增加。

（3）渦流管膨脹降壓R290制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)提升隨蒸發(fā)溫度的升高、渦流管噴嘴效率的提高和冷凝溫度的降低而相應(yīng)增大。

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Refrigeration System Performance Analysis of Vortex Tube Expansion Depressurization R290

Zhao Jiahua Tianjin Vocational College Electronic and Information Engineering School
Ning Jinghong Tianjin Commerce University Tianjin Municipal Key Refrigeration Technology Laboratory

The article introduces thermal calculation of designed vortex tube expansion depressurization R290 refrigeration system compared with traditional throttle depressurization R290 refrigeration system performance， whose result is that vortex tube expansion depressurization R290 refrigeration system performance index increases with increasing vortex tube nozzle efficiency， increasing evaporation temperature and decreasing condensation temperature. Designed vortex tube expansion depressurization R290 refrigeration system performance index is better than traditional refrigeration system performance index. Its evaporation temperature difference will increase. Vortex tube expansion depressurization R290 refrigeration system performance index increases with increasing vortex tube nozzle efficiency， increasing evaporation temperature and decreasing condensation temperature.

Vortex Tube， Expansion Depressurization， R290， Refrigeration System

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.08.014

趙家華：男，50歲，副教授。

寧靜紅：（1964.12-）女，博士，教授，主要從事制冷系統(tǒng)節(jié)能性研究。