郭珊，杜塏?，江巍雪，李陽

（1-東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；2-華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510641）

0 引言

相較于國外，我國制冷行業(yè)發(fā)展歷史較短，冷鏈發(fā)展程度較低，使得氨冷庫系統(tǒng)在國內(nèi)存在多方面的問題[1]。且冷庫設(shè)備老化，加上管理不善，為氨冷庫埋下諸多安全隱患[2]。近年來，全國各地氨制冷冷庫泄露事故頻發(fā)，使得冷庫改造更加迫在眉睫[3]。CO2作為一種環(huán)境友好的自然工質(zhì)[4]，其ODP=0，GWP=1[5]。CO2制冷劑的容積制冷量約為NH3制冷劑的8 倍，從而使得低溫級制冷劑的容積流量大大降低[6]。與相同容量的NH3系統(tǒng)相比，NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)可以減少約90%氨充注量[7]。利用CO2作為低溫級循環(huán)的相變冷媒，運行在非跨臨界狀態(tài)，可以克服其壓力高的缺點[8]。CO2代替NH3向外界供冷，而高溫級NH3制冷循環(huán)部分可以設(shè)置在機房等遠(yuǎn)離公眾的場所，從而大大降低了系統(tǒng)的不安全因素，并且CO2在低溫時有較小的黏度以及良好的傳熱性能，可有效減小系統(tǒng)中所需的換熱面積以及壓縮機體積，系統(tǒng)的安裝、制作和維護成本都可以降低[9]。利用NH3/CO2雙工質(zhì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氨制冷系統(tǒng)，不僅能很好地解決氨制冷劑與冷庫直接接觸等問題，還能夠較好地提升系統(tǒng)綜合性能，因此逐步得到了制冷科研工作者的重視，成為現(xiàn)今有應(yīng)用前景的研究方向[10]。

通過改造普通復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，可以進一步提升系統(tǒng)性能。噴射器由于結(jié)構(gòu)簡單、可利用余熱、綠色經(jīng)濟的特點很早就被用于低品位熱源驅(qū)動[11]。若在蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)中加入噴射器，這種改進方式不僅可以回收部分節(jié)流損失提升制冷效果，還能充分利用循環(huán)過程中產(chǎn)生的余熱減少系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排[12]?；诖讼敕?，本文提出了一種利用壓縮排氣顯熱的CO2/NH3復(fù)疊噴射式制冷系統(tǒng)，并利用MATLAB 調(diào)用REFPROP 軟件建立系統(tǒng)模型進行相應(yīng)的數(shù)值模擬分析研究。

1 系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷節(jié)流后通常為兩相狀態(tài)，是具有一定干度的濕蒸汽，進入蒸發(fā)器后，其中液體部分在換熱器中進行潛熱交換實現(xiàn)制冷；而另一小部分氣體即閃蒸汽，在蒸發(fā)器中不僅無法進行熱交換產(chǎn)生制冷效果，還會占據(jù)蒸發(fā)面積并干擾液體部分進行換熱，此外壓縮機還需要對這部分毫無制冷效果的低壓氣體進行壓縮做功。這樣使得在制冷量并未提高的同時，增加了壓縮機的單位容積耗功并降低了蒸發(fā)器的單位容積制冷量，因而不利于系統(tǒng)的節(jié)能高效運行[13]。

本文提出一種利用制冷壓縮排氣顯熱的CO2/NH3復(fù)疊噴射式制冷循環(huán)，系統(tǒng)流程如圖1所示，各狀態(tài)點壓焓如圖2所示。通過增加包括汽化發(fā)生器、噴射器、液體增壓泵、液位控制器、電磁閥、壓力傳感器等，在復(fù)疊式制冷循環(huán)的低溫部分耦合噴射器循環(huán)。在氣化發(fā)生器中利用低溫和高溫壓縮機排出的過熱蒸汽顯熱，加熱經(jīng)過冷凝增壓的液體制冷劑，產(chǎn)生發(fā)生壓力下的飽和氣體，作為噴射器的工作蒸汽，用來引射低溫部分制冷劑（CO2）節(jié)流后進入氣液分離器的閃蒸氣體，通過噴射器變?yōu)槔淠舭l(fā)壓力。而冷凝蒸發(fā)器中出來的液體分成兩路：一路經(jīng)升壓泵加壓后進入汽化發(fā)生器中，利用壓縮機排氣顯熱加熱，產(chǎn)生噴射器的工作蒸汽，其壓力隨溫度的提高而提高；另一路液體經(jīng)過節(jié)流閥進入氣液分離器，將節(jié)流后的兩相流體分離，其中液體部分進入蒸發(fā)器中進行有效換熱，而閃蒸氣體部分被噴射器引射。這種設(shè)計不僅有效減少了節(jié)流損失，還避免了閃蒸氣體進入蒸發(fā)器，使得有限的換熱面積不能得到很好的利用，出現(xiàn)蒸發(fā)器換熱系數(shù)降低的問題。其次，在增大壓縮機單位容積制冷量的同時，減小其單位容積耗功，從而提升系統(tǒng)性能[14]。

圖1 利用制冷壓縮機排氣顯熱的蒸汽壓縮-噴射耦合 制冷循環(huán)流程示意圖

圖2 系統(tǒng)壓焓圖

2 建模及驗證

2.1 系統(tǒng)建模

本模型是在已有研究成果的基礎(chǔ)上，采用一種數(shù)值計算方法，建立較為準(zhǔn)確地反映兩相混合流動過程的數(shù)學(xué)模型和得出噴射系數(shù)計算結(jié)果，該方法既能彌補經(jīng)典熱力學(xué)法對極限壓縮比和噴射系數(shù)無限制的弱點[15]，又能彌補氣體動力函數(shù)法不能用于兩相流的缺點[16]。

對噴射過程作如下理論假設(shè)[17]：

1）流體在噴射器內(nèi)進行一維穩(wěn)態(tài)流動；

2）在噴射器入口處，工作流體（狀態(tài)點7）、引射流體（狀態(tài)點2）均為飽和狀態(tài)，且忽略其入口和出口流體的動能；

3）噴射器內(nèi)的流動理論上為絕熱等熵流動，而實際流動過程中不可避免的存在壁面摩擦損失和混合損失，因此引入效率系數(shù)加以計算；

4）工作流體和引射流體的混合過程認(rèn)為是等壓混合過程；

5）假設(shè)實際工作過程達(dá)到與理想工作過程一樣的排出壓力，即冷凝壓力[18]。

通過調(diào)用NIST(National Institute of Standard and Technology)開發(fā)的REFPROP 9.0 制冷劑物性計算軟件[20]與編寫的噴射器計算模型程序的接口，計算制冷工質(zhì)在工作過程中實際熱力學(xué)參數(shù)和干度的變化，利用MATLAB 對系統(tǒng)各部件進行編程建模，并通過數(shù)學(xué)方法對狀態(tài)點進行處理計算。圖3為整個系統(tǒng)模型的計算流程圖。

圖3 系統(tǒng)流程圖

2.2 模型驗證

本文所提系統(tǒng)本質(zhì)上是在一般復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中的低溫級部分耦合噴射器，其中的復(fù)疊式循環(huán)作為典型制冷方式的一種，已形成了較為完善的建模計算方法。但對本文系統(tǒng)的主要特殊部件——噴射器的深入研究還較少，其建模方法仍處于不斷探索中。因此判斷本文系統(tǒng)建模好壞，最重要的應(yīng)是驗證噴射器模型建立的準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)中噴射循環(huán)為CO2亞臨界制冷循環(huán)，但文獻普遍考慮的是CO2跨臨界循環(huán)，且由于CO2工質(zhì)對容器壓力要求較高，有關(guān)CO2噴射的實驗數(shù)據(jù)尚不充分。但噴射模型對不同工質(zhì)應(yīng)具有普適性，因此本文決定借助文獻[21]中針對R141b 為制冷工質(zhì)進行的噴射器實驗研究結(jié)果，來對本文建立的噴射理論模型加以驗證。如圖4和表1所示，在一定工況下（Pg=0.465 MPa～0.604 MPa，Pe=0.04 MPa），本文理論模型計算噴射系數(shù)與文獻[21]的噴射器實驗所得噴射系數(shù)對比。圖中斜率為1 的直線為計算值等于實驗值的情況，可見文獻[21]的實驗噴射系數(shù)與本文理論模型計算的噴射系數(shù)的比值基本位于這條直線附近。表1有本文理論噴射模型的計算誤差與文獻[21]理論模型計算誤差的比較，對照其噴射實驗結(jié)果來看，文獻[21]模型的計算誤差為11.98%，而本文理論噴射模型的計算誤差為6.71%，誤差減小了5.27%，精確度提高了近一倍。分析原因可能在于本文建立模型時考慮流體為實際流體，其比容、比熱、聲速等物理性質(zhì)與理想氣體有明顯差異，并且在流體流動過程中也考慮了干度的變化，因此本文在充分考慮實際噴射過程及狀態(tài)后所建立的噴射模型具有較高的準(zhǔn)確度，也在很大程度上保證了后續(xù)系統(tǒng)模型所得計算結(jié)果及數(shù)據(jù)的可靠性。

圖4 噴射系數(shù)計算值與實驗值的比較

表1 本文模型與文獻模型[21]的誤差比較

3 計算結(jié)果及分析

3.1 與普通復(fù)疊式系統(tǒng)的對比

3.1.1 制冷量的對比

由于噴射復(fù)疊式制冷系統(tǒng)利用噴射器引射閃蒸汽回收節(jié)流損失，避免節(jié)流后的閃蒸汽占據(jù)蒸發(fā)器面積干擾換熱，與未改造前的普通復(fù)疊式制冷系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)中蒸發(fā)器制冷效果將有較大提升。設(shè)定Qr為噴射復(fù)疊式制冷系統(tǒng)與普通復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)制冷量之比。如圖5所示，Qr值大于1，表明在低溫級壓縮吸氣量保持一定時，本文系統(tǒng)中的單位制冷量明顯高于普通復(fù)疊式系統(tǒng)的單位制冷量，制冷效果相較于未改進前有明顯的提高，平均提高40%左右。

圖5 不同蒸發(fā)溫度下兩種系統(tǒng)制冷量的比值

3.1.2 做功量的對比

本文所提出的噴射復(fù)疊式制冷系統(tǒng)做功除了高溫及低溫部分的壓縮機做功外還有增壓泵做功。由于本系統(tǒng)回收節(jié)流損失的同時，使得低溫壓縮機吸氣量有所減少，因此低溫部分的壓縮機耗功相較改進前有所減少。而對于高溫部分，由于還要考慮到噴射器排出的這部分蒸汽，因此本論文系統(tǒng)中的高溫壓縮耗功會高于普通復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。如圖6所示為不同蒸發(fā)溫度下兩種系統(tǒng)的做功量情況對比。設(shè)定Wr為本系統(tǒng)與普通復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的做功量之比。一方面，隨著發(fā)生壓力的升高，噴射復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的做功量減少，而普通復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的做功不變，因此在蒸發(fā)溫度一定時，Wr值會隨著發(fā)生壓力的升高而逐漸減小。另一方面，當(dāng)發(fā)生壓力一定時，Wr值隨著蒸發(fā)溫度的降低而減小。換言之，蒸發(fā)溫度越低時，噴射復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的耗功小于普通復(fù)疊式制冷系統(tǒng)時，最高發(fā)生壓力也隨之下降，降低了對壓力容器的裝配要求。

圖6 不同蒸發(fā)溫度下兩種系統(tǒng)隨著發(fā)生壓力變化的做功比

3.1.3 制冷系數(shù)的對比

圖7為Te=-40 ℃時的兩種系統(tǒng)的制冷系數(shù)COP的對比情況，其中本論文所提的噴射復(fù)疊式系統(tǒng)的制冷系數(shù)隨著發(fā)生壓力的升高而升高，而普通復(fù)疊式系統(tǒng)在蒸發(fā)溫度一定時COP不變。當(dāng)發(fā)生壓力為6.16 MPa 時，兩種系統(tǒng)的制冷系數(shù)相等。在此工況下，當(dāng)發(fā)生壓力大于6.16 MPa，本論文所研究的性能系數(shù)高于普通復(fù)疊式性能系數(shù)。而圖8為不同蒸發(fā)溫度下，隨著發(fā)生壓力的變化，兩種系統(tǒng)的制冷系數(shù)COP的比較。ΔCOPr為兩種系統(tǒng)的制冷系數(shù)相對之差。一方面，隨著發(fā)生壓力的升高，噴射復(fù)疊式系統(tǒng)的制冷系數(shù)將高于普通復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)。另一方面，蒸發(fā)溫度下降時，也降低了對噴射復(fù)疊式系統(tǒng)的發(fā)生壓力要求。因此當(dāng)發(fā)生壓力越高、蒸發(fā)溫度越低時，噴射復(fù)疊式系統(tǒng)的優(yōu)勢會更加明顯。

圖7 蒸發(fā)溫度Te=-40 ℃時該系統(tǒng)與一般復(fù)疊式系統(tǒng)的比較

圖8 兩種系統(tǒng)性能系數(shù)COP 隨工況變化的比較

3.2 噴射復(fù)疊式系統(tǒng)的變工況分析

3.2.1 蒸發(fā)溫度對噴射系數(shù)的影響

由圖10可知，系統(tǒng)中噴射器系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度的升高而逐漸減小。具體分析如下：根據(jù)復(fù)疊式制冷循環(huán)按照各壓縮級壓力比相近原則可知，在冷凝壓力不變的情況下，中間冷凝蒸發(fā)壓力會隨著蒸發(fā)壓力的升高而上升，即蒸發(fā)冷凝溫度也會隨之相應(yīng)升高。通過計算結(jié)果得知：蒸發(fā)溫度每提高5 ℃，低溫級壓縮機排氣溫度將提高7 ℃左右，而高溫級壓縮排氣溫度會下降9 ℃左右。由于氨的比熱要明顯高于二氧化碳的比熱，隨著蒸發(fā)溫度的升高，低溫級壓縮排氣增多的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于高溫級壓縮排氣減少的熱量，而二者的排氣顯熱會一同作為能量供應(yīng)給發(fā)生器中液體用以汽化，因此，這一部分總熱量越少，汽化的蒸汽量隨之減少，導(dǎo)致發(fā)生器的壓力隨之下降。由圖9可知，該系統(tǒng)中汽化發(fā)生器中所能達(dá)到的最大壓力隨著系統(tǒng)蒸發(fā)溫度的升高而下降。另外需要說明，通常認(rèn)為的噴射系數(shù)隨著引射蒸汽壓力的降低而減小，是在噴射工作蒸汽壓力不變時實現(xiàn)的。但在本系統(tǒng)的工況設(shè)定條件下，隨著蒸發(fā)溫度的升高，工作蒸汽的噴射壓力（即發(fā)生壓力）降低明顯，而許多研究人員都通過理論計算和實驗驗證得到：工作蒸汽壓力對噴射系數(shù)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于引射蒸汽壓力對噴射系數(shù)的影響[22]。因此蒸發(fā)溫度的升高時，盡管引射蒸汽壓力有所升高，但最終噴射系數(shù)將會減小。

圖9 蒸發(fā)溫度對最大發(fā)生壓力的影響

圖10 蒸發(fā)溫度對噴射系數(shù)的影響

3.2.2 過熱/冷度對噴射系數(shù)的影響

制冷系統(tǒng)在實際運行過程中，由于管道熱阻以及為防止壓縮機內(nèi)出現(xiàn)“液擊”現(xiàn)象，蒸發(fā)器出口常常設(shè)有一定過熱度，而過熱度的多少對系統(tǒng)中噴射器運行的具體影響如圖11所示：隨著蒸發(fā)器出口過熱度的增加，相應(yīng)噴射系數(shù)會隨之減小。當(dāng)過熱度增加時，壓縮機進口溫度升高，工質(zhì)進入壓縮機被升至相同蒸發(fā)冷凝壓力時的壓縮排氣溫度會隨之相應(yīng)提高，因此能夠利用更多的壓縮排氣熱量，使得汽化發(fā)生器內(nèi)相變的蒸汽量增多。從而使得噴射器的工作蒸汽量增大，而引射相同的閃蒸汽量時，噴射系數(shù)就會有所降低。

由于蒸汽側(cè)放熱熱阻、蒸汽流動阻力和空氣漏入等影響，使得蒸汽凝結(jié)分壓低于冷凝器進口排氣壓力，加上管壁上的凝結(jié)水膜受到冷卻水的冷卻作用，因此在系統(tǒng)實際運行中，應(yīng)考慮冷凝出口的過冷影響。圖12為冷凝器凝結(jié)水的過冷度對系統(tǒng)中噴射器的噴射系數(shù)的影響：隨著過冷度的增加，噴射系數(shù)隨之相應(yīng)減小。通過分析，當(dāng)冷凝出口產(chǎn)生過冷時，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流后的兩相流體干度減小，即其中的閃蒸汽量減少，使得噴射器中所能引射的蒸汽量減少，從而在其他條件不變的情況下，噴射系數(shù)隨之降低。

圖11 過熱度對噴射系數(shù)的影響

圖12 過冷度對噴射系數(shù)的影響

3.2.3 發(fā)生壓力對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響

如圖13所示，在該系統(tǒng)中，隨著發(fā)生壓力的提升，制冷系數(shù)COP呈升高趨勢。首先，發(fā)生壓力的升高會使得噴射系數(shù)增大，因此噴射器中引射蒸汽與工作蒸汽的比值將發(fā)生變化，引射蒸汽量將相對增大，而工作蒸汽的量相對減少，這樣一方面可以回收更多節(jié)流損失，并且更有利于提升蒸發(fā)器內(nèi)制冷效果；另一方面，工作蒸汽量的減少也意味著壓縮機減少了吸氣量，降低耗功。因此單位制冷量與耗功的比值增大，系統(tǒng)的性能系數(shù)隨著發(fā)生壓力的升高而增大。

圖13 發(fā)生壓力對制冷系數(shù)的影響

3.2.4 過熱/冷度對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響

過熱/冷度對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響如圖14所示。根據(jù)計算得出，蒸發(fā)器出口的有效過熱以及冷凝器出口的過冷均有利于制冷性能的提升，使得制冷系數(shù)增大。但過熱度對制冷系數(shù)增大的影響極小，這是由于有效過熱雖然提高了系統(tǒng)的單位制冷量，但同時也增大了壓縮機-進口溫度，在需壓縮到相同冷凝蒸發(fā)壓力的情況下，實際所需的單位耗功也增加了。此時制冷系數(shù)COP是增大還是減小，取決于單位制冷量與耗功量二者比值的相對變化情況，根本上則由工質(zhì)的熱力性質(zhì)所決定[4]。通過計算分析，在工質(zhì)CO2/NH3復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的給定工況條件運行時，制冷系數(shù)隨著過熱度的增加確有增大，但增大幅度極少，甚至可忽略不計。因此作圖時變化趨勢極不明顯，此處便省略過熱度對制冷系數(shù)影響的示意圖。冷凝出口有一定過冷度時，節(jié)流后的兩相工質(zhì)干度減小，從而提高蒸發(fā)器中單位制冷量，其他條件不受影響時，壓縮機耗功仍保持不變，因此單位制冷量與耗功量的比值自然增大，如圖14所示，過冷度的增加使系統(tǒng)制冷系數(shù)呈升高趨勢。

圖14 過冷度對制冷系數(shù)的影響

4 結(jié)論

為解決一般蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)節(jié)流閃蒸汽占據(jù)蒸發(fā)面積的問題，設(shè)計了一種利用壓縮排氣熱的噴射復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。首先，進行噴射建模及系統(tǒng)建模，并參考文獻的實驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證，其計算誤差為6.71%，模擬吻合度較好。然后與改進前的普通復(fù)疊式系統(tǒng)進行對比，由模擬結(jié)果得出該CO2/NH3噴射復(fù)疊式系統(tǒng)在低蒸發(fā)溫度、高發(fā)生壓力時，以及在過熱、過冷或者回?zé)嵫h(huán)時，該系統(tǒng)能更好地體現(xiàn)改進優(yōu)勢及節(jié)能意義。最后針對本系統(tǒng)的噴射性能及整體特性進行具體的變工況分析以進一步說明，并得出以下結(jié)論。

1）當(dāng)蒸發(fā)溫度越低、發(fā)生壓力越高時，本系統(tǒng)性能優(yōu)于未改進的普通復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，更能體現(xiàn)其改進優(yōu)勢和節(jié)能意義。據(jù)計算，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-55 ℃、發(fā)生壓力7 MPa 時，本系統(tǒng)性能系數(shù)相較于改進前可提高10%以上，為氨冷庫改造提供一種可能性解決方案。

2）考慮工作蒸汽對噴射性能的主要影響，使得噴射系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度的降低而增大，當(dāng)蒸發(fā)溫度從-25 ℃降低到-55 ℃，噴射系數(shù)從0.23 升高到0.60。噴射系數(shù)隨著過熱度和過冷度的升高而減小。但隨著發(fā)生壓力的升高，過熱/過冷度對噴射系數(shù)的影響逐漸變小，當(dāng)發(fā)生壓力達(dá)到一定時，其影響可忽略不計。

3）系統(tǒng)制冷系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大，隨著發(fā)生壓力的升高而增大，隨著過冷度的升高而稍微增大，雖然在此設(shè)計工況計算中，過熱度對制冷系數(shù)的影響不明顯，但綜合來看，建議采取回?zé)嵫h(huán)，將更有利于系統(tǒng)制冷系數(shù)的提高和良好運行。