胡鵬榮，陶樂仁，何俊

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

噴射式制冷系統(tǒng)是一種熱能驅(qū)動的制冷循環(huán)，它可以利用工業(yè)廢熱、太陽能、地熱能等低品位熱能驅(qū)動。隨著全世界能源與環(huán)境問題日益嚴重，利用余熱、可再生能源等低溫熱源的制冷技術，越來越受到關注。噴射式制冷因其無壓縮機消耗高品位的能量、運行幾乎不需維護、耗電量低、可靠性高等優(yōu)點，被深入研究[1-2]。

早些年，對噴射式制冷工質(zhì)的研究主要集中在R11、R12、R113 等[3-5]上，因為該類制冷劑會破壞臭氧層，已經(jīng)被禁用。隨后，DORANTES 等[6-7]研究了R123、R133a、R134a、R141b、R142b、R152a和RC318 等制冷劑，得出R141b 具有較高性能系數(shù)（COP）的結(jié)論。HUANG 等[8-10]研究了將R141b用于噴射制冷，其工作壓力低、系統(tǒng)COP較高，實驗工況下可達0.5，并得出了分析噴射器性能的經(jīng)驗公式。張于峰等[11]提出太陽能驅(qū)動噴射制冷系統(tǒng)在發(fā)生溫度80 ℃左右時，采用R134a 可以使噴射系數(shù)和噴射制冷系統(tǒng)能效比最大，明顯優(yōu)于其他工質(zhì)，但是受發(fā)生溫度的限制。SUN[12]對11 種制冷劑進行試驗研究，指出系統(tǒng)采用R152a 作為制冷劑時能夠獲得較高的COP，但其具有較高的飽和壓力，對換熱器和管路的承壓能力要求高。張博等[13]研究了以R236fa 作為工質(zhì)，系統(tǒng)COP最大可達到0.35，且R236fa 作為制冷劑的噴射制冷系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟性，并且在大型化制冷系統(tǒng)的設計、加工和制造中具有明顯的優(yōu)勢。

目前，R245fa 作為新的環(huán)保型替代制冷劑[14]，已經(jīng)被提出替代R11、R114 和R141b 等中高溫制冷劑，制冷劑R245fa 總體性能較好，具有低沸點、低導熱性等優(yōu)點，老化速度比R141b 慢，與多元醇混溶性較好。并且R245fa 在低壓冷水機組、高溫熱泵和有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）余熱發(fā)電行業(yè)的應用具有良好前景[15]。SHESTOPALOV 等[16-17]對R245fa 應用于噴射式制冷機組進行了調(diào)查。MAZZELLI 等[18]已經(jīng)將R245fa運用在了超音速噴射循環(huán)系統(tǒng)中。

本文通過REFPROP 9.0 調(diào)用參數(shù)，對制冷劑R134a、R152a、R142b、R718、R245fa、R141b 和R236fa 進行物理性質(zhì)的比較，并著重對比分析了R141b 與R245fa 對噴射器噴射系數(shù)與系統(tǒng)COP的影響，以便為今后的制冷劑替代工質(zhì)提供借鑒。

1 建模對象

本文以太陽能噴射式制冷循環(huán)為理論分析的基礎，裝置模型及其T-S 圖如圖1和圖2。

圖1 太陽能噴射式制冷原理圖

圖2 蒸汽噴射循環(huán)T-S 圖

由圖2可知，1→2 是工作流體等熵膨脹過程，2→4 是工作流體進入噴射器混合室，3→4 是引射流體被卷吸進混合室；4→5 為工作流體和引射流體混合后在擴壓段的升壓過程，5→6 為混合流體的冷凝過程；6→7→3 為制冷劑節(jié)流后進入蒸發(fā)器，其中，6→7 為制冷劑在膨脹閥中節(jié)流，為等焓過程；6→8→1 為循環(huán)泵將制冷劑打入發(fā)生器中加熱過程，其中循環(huán)泵將制冷劑打入發(fā)生器視為等熵過程。

1.1 系統(tǒng)性能及噴射系數(shù)的模型建立

穩(wěn)態(tài)模型的假設：

1）將系統(tǒng)的運行視為穩(wěn)態(tài)運行；

2）不考慮系統(tǒng)中流體在正常流動過程中流動損失與熱損失；

3）冷凝器進出口制冷劑狀態(tài)分別為飽和氣與飽和液；

4）蒸發(fā)器制冷劑的出口狀態(tài)為飽和氣；

5）假定其蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和發(fā)生溫度均為定值。冷凝溫度變化范圍30 ℃～50 ℃，蒸發(fā)溫度變化范圍5 ℃～25 ℃，發(fā)生溫度變化范圍70 ℃～120 ℃。

1.2 系統(tǒng)循環(huán)性能模型

根據(jù)《制冷與低溫原理》[19]，《噴射器》[20]中的噴射式制冷循環(huán)計算公式對整個噴射式制冷循環(huán)過程進行熱力計算。利用EES 軟件對熱泵循環(huán)進行性能分析，得出COP隨工質(zhì)種類、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等參數(shù)的變化情況。

在蒸發(fā)器中的制冷量為：

式中：

qme——被引射流體的質(zhì)量流量，kg/s；

h3——制冷劑出蒸發(fā)器時的比焓，kJ/kg；

h7——制冷劑進蒸發(fā)器時的比焓，kJ/kg。

在發(fā)生器中的換熱量：

式中：

qmg——工作流體的質(zhì)量流量，kg/s；

h1——工作流體出發(fā)生器時的比焓，kJ/kg；

h8——工作流體進發(fā)生器時的比焓，kJ/kg。

冷凝器中的換熱量：

h5——混合流體進冷凝器時的比焓，kJ/kg；

h6——混合流體出冷凝器時的比焓，kJ/kg。

若不考慮循環(huán)泵的耗功和其他熱損失，由能量守恒方程可以得到：

由質(zhì)量守恒方程可以得到：

則噴射式制冷系統(tǒng)COP為：

式中：

μ——噴射系數(shù)，μ=qme/qmg。

1.3 噴射器的噴射系數(shù)模型

圖3為噴射器主要組成構件，在傳統(tǒng)的噴射器基礎上進行了結(jié)構改進，將引射流體進口設置于噴射器長度方向，將工作流體進口布置在噴射器側(cè)壁面上，減少了噴射器引射流體入口處的能量損失，得到更大的噴射系數(shù)。

圖3 噴射器結(jié)構圖

陳華等[19]提出對于射流泵可采用一維穩(wěn)壓混合理論。模型假設如下：

1）噴射器內(nèi)流動是一維穩(wěn)態(tài)的；

2）噴射器內(nèi)的過程都是等熵過程；

3）噴射器混合段是定壓過程；

4）內(nèi)壁是絕熱的，沒有熱量損失。

在噴嘴處，忽略工作流體入口速度u1，根據(jù)能量守恒，出口速度為：

式中：

h1——工作流體入口焓值；

h2——工作流體出口焓值；

u2——工作流體出口速度，m/s；

η1——噴射器噴嘴效率，假定為0.85。

在混合處，忽略引射流體的入口速度，由動量守恒得混合流體平均速度：

式中：

μ——噴射器的噴射系數(shù)；

u3——混合流體平均速度，m/s；

u2——工作流體出口速度，m/s；

η2——噴射器混合段效率，假定為0.95。

根據(jù)能量守恒，混合氣體焓值表示為：

式中：

h3——混合流體混合段焓值；

h4——引射流體焓值。

在擴壓段，忽略混合流體在噴射器出口的速度，由能量守恒得出口焓值為：

出口實際焓值為：

式中：

h5——混合流體的焓值；

h6——混合流體擴壓段焓值；

η3——噴射器擴壓段效率，假定為0.85。

噴射系數(shù)μ可以表示為[21]：

1.4 噴射系數(shù)模型的計算流程

根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒定律，噴射器采用一維穩(wěn)壓混合理論計算模型，計算流程如圖4所示。

圖4 噴射器噴射系數(shù)計算流程圖

2 制冷劑的選擇

選擇7 種制冷劑進行分析，如表1所示。利用REFPROP 軟件得出飽和壓力隨發(fā)生溫度變化圖。其中，發(fā)生溫度指制冷劑在發(fā)生器內(nèi)沸騰的溫度。如果選擇的制冷劑飽和壓力過高，則噴射式制冷系統(tǒng)的管路及設備皆需選用耐高壓產(chǎn)品，并且耗功量也增大，能源損失比較大，因此本文優(yōu)選飽和壓力較低的制冷劑。由圖5可知，R245fa、R141b 和R718這3 種制冷劑相較于其他4 種制冷劑飽和壓力要低，并且GWP 也相對低一些。

用數(shù)學模型對7 種制冷劑在蒸發(fā)溫度為15 ℃、冷凝溫度為40 ℃的工況下分別進行計算，比較他們對系統(tǒng)噴射系數(shù)與性能參數(shù)的影響情況，得到圖6與圖7。從圖中可得，當R718 作為制冷劑時，其噴射系數(shù)與性能系數(shù)較大，并且隨著壓力的升高，它的飽和壓力變化很小。但由于R718 的壓焓圖中飽和氣相線為負斜率，當噴嘴工作時混合流體為等熵膨脹過程，壓力下降，混合流體將變成氣水兩相，影響噴嘴的效率。R141b 相較于其他5 種制冷劑（除R718 之外），隨著溫度的增大它的飽和壓力變化最小，同時它的噴射系數(shù)與性能系數(shù)最大，并且飽和氣相線為正斜率。

表1 各種替代制冷劑熱物理性質(zhì)

圖5 各種制冷劑的飽和壓力隨發(fā)生溫度變化圖

圖6 各種制冷劑的噴射系數(shù)隨發(fā)生溫度變化圖

圖7 各種制冷劑的COP 隨發(fā)生溫度變化圖

3 R141b和R245fa系統(tǒng)性能分析

R141b 在噴射式制冷系統(tǒng)中有較高的噴射系數(shù)和COP，且飽和壓力隨發(fā)生溫度增加較小。選取制冷劑R141b 和R245fa 從冷凝溫度與蒸發(fā)溫度兩方面進行比較計算，得出如下結(jié)果。

3.1 冷凝溫度對噴射系數(shù)與性能系數(shù)的影響

由圖8可以看出R245fa 與R141b 兩種制冷劑在發(fā)生溫度100 ℃、蒸發(fā)溫度15 ℃下，噴射系數(shù)隨冷凝溫度變化趨勢線基本相似，隨著冷凝溫度從30 ℃升高至50 ℃，噴射系數(shù)不斷下降，R141b 噴射系數(shù)比R245fa 噴射系數(shù)略高些，但兩者相差的并不大。隨著冷凝溫度的升高，兩者的差值越來越小，差值在0.0065～0.008 變化。

由圖9可以看出R245fa 與R141b 兩種制冷劑在發(fā)生溫度100 ℃、蒸發(fā)溫度15 ℃下，性能系數(shù)隨冷凝溫度變化趨勢基本相似，隨著冷凝溫度的不斷升高，兩種制冷劑的性能系數(shù)不斷下降，R141b性能系數(shù)比R245fa 性能系數(shù)略高些，但兩者相差的并不大。隨著冷凝溫度從30 ℃升高至50 ℃時，兩者的差值越來越小，差值在0.0125～0.0325 變化。

圖8 發(fā)生溫度100 ℃時R245fa 與R141b 的噴射系數(shù)隨 冷凝溫度變化

3.2 蒸發(fā)溫度對噴射系數(shù)與性能系數(shù)的影響

由圖10可以看出R245fa 與R141b 兩種制冷劑在發(fā)生溫度100 ℃、冷凝溫度40 ℃下，噴射系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化趨勢線基本相似，隨著蒸發(fā)溫度從5 ℃升高至25 ℃，噴射系數(shù)不斷上升，R141b 噴射系數(shù)比R245fa 噴射系數(shù)略高些，但是兩者相差的并不大。隨著蒸發(fā)溫度的不斷升高，兩者的差值越來越大，差值范圍在0.006～0.0095。

由圖11可以看出R245fa 與R141b 兩種制冷劑在發(fā)生溫度100 ℃、冷凝溫度40 ℃下，性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化趨勢基本相似，隨著蒸發(fā)溫度的不斷升高，兩種制冷劑的性能系數(shù)都是不斷上升的，R141b 性能系數(shù)比R245fa 性能系數(shù)要高些，但兩者相差的并不大。隨著蒸發(fā)溫度從5 ℃升高至25 ℃時，兩者的差值越來越大，差值范圍在0.015～0.03。

圖9 發(fā)生溫度100 ℃時R245fa 與R141b 的COP 隨 冷凝溫度變化圖

圖10 發(fā)生溫度100 ℃時R245fa 與R141b 噴射系數(shù)隨 蒸發(fā)溫度變化

圖11 發(fā)生溫度100 ℃時R245fa 與R141b 的COP 隨 蒸發(fā)溫度變化

4 結(jié)論

1）水作為制冷劑時，噴射系數(shù)與COP是最高的，依次是R141b、R152a、R142b、R245fa、R134a和R236fa。隨著發(fā)生溫度的升高，他們之間的差值越來越大。但水屬于濕制冷劑，壓焓圖中飽和氣相線為負斜率，會影響噴嘴噴射效率，不宜采用。

2）在發(fā)生溫度為100 ℃時，制冷劑R245fa、R141b 的噴射系數(shù)和COP與蒸發(fā)溫度成正比，與冷凝溫度成反比，在低蒸發(fā)溫度或高冷凝溫度下，R245fa 替代R141b 較佳。

3）發(fā)生溫度為100 ℃時，R245fa 的最大COP可達0.5 左右。在蒸發(fā)溫度一定時，噴射系數(shù)兩者相差1%以下，兩者COP相差4%以下；在冷凝溫度一定時，兩者噴射系數(shù)相差1%以下，COP相差3%以下。