周秋麗 宣永梅 陳光明 高 能 張榮濤

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帶回?zé)醿杉?jí)噴射制冷循環(huán)的特性分析

周秋麗1,2宣永梅2陳光明2高 能2張榮濤2

（1.西安工程大學(xué) 西安 710048;2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 寧波 315100）

為了提高噴射制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)，建立了雙熱源驅(qū)動(dòng)的帶回?zé)醿杉?jí)噴射制冷循環(huán)的理論計(jì)算模型。以純工質(zhì)R236fa為研究對(duì)象，討論回?zé)釋?duì)單工質(zhì)兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)性能的影響，并與傳統(tǒng)單級(jí)噴射系統(tǒng)性能進(jìn)行比較。最后利用?分析比較傳統(tǒng)單級(jí)系統(tǒng)和新型兩級(jí)噴射系統(tǒng)的?損情況。研究結(jié)果表明，在相同工況下，當(dāng)系統(tǒng)采用單工質(zhì)時(shí)，加回?zé)岬南到y(tǒng)性能更優(yōu)，系統(tǒng)的性能系數(shù)可以提高約15%～20%，相對(duì)于傳統(tǒng)的單級(jí)系統(tǒng)可以提高50%以上，其?效率相對(duì)傳統(tǒng)單級(jí)噴射系統(tǒng)更具明顯優(yōu)勢(shì)。

兩級(jí)；噴射制冷；回?zé)崞?；性能系?shù)

0 引言

噴射制冷可利用低品位熱源驅(qū)動(dòng)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為近幾年研究的熱點(diǎn)，但同時(shí)存在效率不高的問題，一般來說，噴射制冷系統(tǒng)的僅為0.2～0.5[1]。為了提高噴射制冷系統(tǒng)的性能，1990年，Sokolov[2]等提出了增壓式噴射制冷系統(tǒng)，增壓式噴射制冷系統(tǒng)與一般噴射系統(tǒng)相比增加了一個(gè)增壓器，從蒸發(fā)器出來的冷蒸汽先在增壓器中進(jìn)行壓縮，再進(jìn)入噴射器進(jìn)行壓縮，進(jìn)而提高了噴射器的引射壓力，從而提高噴射器的噴射系數(shù)，提高系統(tǒng)的性能。Butrymowicz[3]等在傳統(tǒng)噴射式制冷系統(tǒng)中引入回?zé)崞鳎脟娚淦鞒鰜淼倪^熱氣體來預(yù)熱循環(huán)泵出口的制冷工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新系統(tǒng)的相對(duì)傳統(tǒng)噴射制冷系統(tǒng)可以提高20%。陳華[4]等提出了一種新型噴射制冷循環(huán)，該循環(huán)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的噴射制冷系統(tǒng)相比較是在噴射器和冷凝器之間增加了一個(gè)液體—?dú)怏w射流泵，通過射流泵降低噴射器的背壓，進(jìn)而提高噴射器的系數(shù)，改善循環(huán)性能。盧葦[5]等提出了自然工質(zhì)兩級(jí)噴射器組合中間壓力的分配，建立了兩級(jí)噴射器制冷系統(tǒng)和兩級(jí)噴射器組合的理論分析模型，探討不同工況下最佳分配比與總壓縮比和膨脹比的關(guān)系，結(jié)果表明，膨脹比一定時(shí)，最佳分配比隨總壓縮比的增大先增大，然后減少，最后又逐漸增大，膨脹比對(duì)最佳分配比有一定的影響，但受總壓縮比的取值影響。劉成炎[6]等為了提高噴射制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)，提出了雙流體噴射制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用非共沸混合工質(zhì)，即在高沸點(diǎn)工質(zhì)中添加低沸點(diǎn)工質(zhì)，利用非共沸工質(zhì)的變溫蒸發(fā)和冷凝特性來提高噴射制冷系統(tǒng)的性能，研究結(jié)果表明，相對(duì)傳統(tǒng)的噴射制冷系統(tǒng)來說，新系統(tǒng)的性能可以提高28%～65%。

基于以上研究成果，為了解決傳統(tǒng)噴射制冷系統(tǒng)不高的問題，本文提出了帶回?zé)醿杉?jí)噴射制冷循環(huán)，利用回?zé)崞黝A(yù)熱降低進(jìn)入發(fā)生器的負(fù)荷，以提高雙熱源驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)噴射制冷循環(huán)系統(tǒng)的性能系數(shù)。本文選取R236fa為工質(zhì)，探討有回?zé)岷蜔o回?zé)醿杉?jí)循環(huán)系統(tǒng)制冷系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化，并與傳統(tǒng)單級(jí)循環(huán)系統(tǒng)比較，最后通過?分析比較傳統(tǒng)單級(jí)噴射系統(tǒng)、新型兩級(jí)噴射系統(tǒng)?損情況。

1 帶回?zé)醿杉?jí)噴射系統(tǒng)理論模型

1.1 系統(tǒng)循環(huán)原理

如圖1所示，兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)是由兩個(gè)不同溫度的熱源驅(qū)動(dòng)，高溫發(fā)生器是由較高品位的熱源驅(qū)動(dòng)，低溫發(fā)生器是由較低品位的熱源驅(qū)動(dòng)。制冷劑在高、低溫發(fā)生器中吸熱后成為工作氣體，在出口處達(dá)到飽和狀態(tài)，高溫發(fā)生器出口的工作流體進(jìn)入低壓噴射器后引射來自蒸發(fā)器出口的制冷劑蒸汽，兩股流體在噴射器中混合后達(dá)到中間壓力，被來自低溫發(fā)生器的工作流體引射后在高壓噴射器中混合升壓，高壓噴射器出口的混合氣體通過回?zé)崞鞅粊碜岳淠鞒隹诘牧黧w冷卻，冷卻后的制冷劑進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中放熱，制冷劑經(jīng)過冷凝器冷凝后出來分為兩股，其中一股通過循環(huán)泵加壓，經(jīng)過回?zé)崞魑鼰?，最后進(jìn)入高、低溫發(fā)生器，另一股通過節(jié)流閥節(jié)流后回到蒸發(fā)器吸熱產(chǎn)生制冷效果[7]。

圖1 帶回?zé)醿杉?jí)噴射制冷循環(huán)圖

1.2 噴射器計(jì)算模型

采用氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法，參照文獻(xiàn)[8]計(jì)算噴射系數(shù)，計(jì)算過程中噴射器模型假設(shè)條件如下：

（1）制冷工質(zhì)在噴射器中的流動(dòng)為一維穩(wěn)態(tài)過程；

（2）工質(zhì)在噴射器中膨脹、壓縮以及混合工程為非等熵絕熱過程；

（3）噴射器內(nèi)工質(zhì)在混合段混合過程為等壓過程，并遵循能量守恒、動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒定律。

基于以上假設(shè)，其噴射系數(shù)表示如下：

其中：

3、4因其噴射器混合室結(jié)構(gòu)的不同，其表達(dá)式也不同，高壓級(jí)設(shè)計(jì)壓縮比較低采用帶圓柱形混合室的結(jié)構(gòu)形式，低壓級(jí)壓比較高采用帶錐形混合室噴射器結(jié)構(gòu)形式。具體詳圖和公式參照文獻(xiàn)[10]。

在2-2截面上引射流體的折算質(zhì)量速度的計(jì)算以高壓級(jí)圓柱形混合室氣體噴射器示意圖為例：

圖2 高壓級(jí)圓柱形混合室氣體噴射器示意圖

噴射系數(shù)計(jì)算流程圖如圖3所示。

圖3 噴射系數(shù)計(jì)算流程圖

1.3 系統(tǒng)計(jì)算模型

基于以上提到的噴射器計(jì)算方法，兩級(jí)噴射制冷循環(huán)遵循質(zhì)量守恒、能量守恒。系統(tǒng)工質(zhì)選用R236fa，進(jìn)行如下假設(shè)，對(duì)整個(gè)循環(huán)進(jìn)行熱力計(jì)算。

（1）系統(tǒng)在運(yùn)行過程處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；

（2）蒸發(fā)器、冷凝器、發(fā)生器出口的流體均為飽和狀態(tài)；

（3）工質(zhì)在管路流動(dòng)過程其熱損和壓損均忽略不計(jì)；

（4）工質(zhì)在節(jié)流閥中為等焓過程，在回?zé)崞髦匈|(zhì)量流量不變。

計(jì)算系統(tǒng)性能系數(shù)（Coefficient of Performance,）時(shí)，考慮循環(huán)泵功通常只有發(fā)生器吸熱量的1%以下，忽略不計(jì)。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

基于以上建立的熱力學(xué)理論模型，采用EES（Engineering Equation Solver）軟件，由已知條件計(jì)算系統(tǒng)中各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，根據(jù)公式（11）、（12）計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中計(jì)低溫?zé)嵩吹暮筒挥?jì)低溫?zé)嵩吹摹Ｈ缓笸ㄟ^?分析比較傳統(tǒng)單級(jí)噴射系統(tǒng)、新型兩級(jí)噴射系統(tǒng)的?損情況。

2.1 回?zé)釋?duì)系統(tǒng)COP的影響

已知純工質(zhì)R236fa系統(tǒng)中，蒸發(fā)溫度的變化范圍為-14～5℃，高溫發(fā)生器的溫度為100℃，低溫發(fā)生器的溫度為70℃，冷凝溫度為25℃。從圖4中可以看到隨著蒸發(fā)溫度的增加，兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)性能系數(shù)均都隨之增加。這是因?yàn)殡S著蒸發(fā)溫度的增加，低壓級(jí)噴射器的引射比提高，因此隨之升高。但是加回?zé)岬南到y(tǒng)性能系數(shù)要高于不加回?zé)岬模貏e是當(dāng)不考慮低溫?zé)嵩礋崃繒r(shí)加回?zé)岬男阅芟禂?shù)更高，這是因?yàn)榧踊責(zé)崞骱筮M(jìn)入高、低溫發(fā)生器的溫度升高，發(fā)生器的負(fù)荷降低，當(dāng)蒸發(fā)器的負(fù)荷不發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的性能系數(shù)提高。這表明回?zé)峥商岣邇杉?jí)噴射制冷系統(tǒng)性能，相對(duì)不加回?zé)岬目梢蕴岣呒s15%～20%。

圖4 回?zé)釋?duì)兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)COP的影響

2.2 回?zé)崞骼涠藴夭顚?duì)發(fā)生器負(fù)荷的影響

圖5為回?zé)崞骼涠藴夭畹淖兓瘜?duì)高低溫發(fā)生器熱負(fù)荷的影響，從圖中可以看出，隨著回?zé)崞骼涠藴夭畹脑黾?，高低溫發(fā)生器的熱負(fù)荷都隨之降低，這是因?yàn)殡S回?zé)崞骼涠藴夭畹纳?，進(jìn)入高低溫發(fā)生器的溫度也隨之升高，高低溫發(fā)生器的負(fù)荷進(jìn)而降低，這表明增加回?zé)崞鳒夭羁梢詼p少高低溫?zé)嵩吹臒嶝?fù)荷，提高整個(gè)系統(tǒng)的制冷性能。

圖5 回?zé)崞骼涠藴夭顚?duì)高、低溫發(fā)生器負(fù)荷的影響

2.3 與傳統(tǒng)單級(jí)循環(huán)系統(tǒng)性能比較

圖6為兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)性能系數(shù)（加回?zé)帷?，無回?zé)帷┡c單級(jí)系統(tǒng)性能系數(shù)（）隨蒸發(fā)溫度的變化，從圖6可見，在不考慮低溫?zé)嵩礋崃繒r(shí)，兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)均高于單級(jí)系統(tǒng)，加回?zé)岬膬杉?jí)噴射制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)更優(yōu)，在計(jì)算蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，其性能系數(shù)比單級(jí)提高約50%以上。

圖6 新型兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)和傳統(tǒng)單級(jí)對(duì)比（加回?zé)酑OP’，無回?zé)酑OP’’，單級(jí)COP）

3 系統(tǒng)?損分析

在此基礎(chǔ)上，通過?分析方法計(jì)算單工質(zhì)單級(jí)系統(tǒng)、單工質(zhì)兩級(jí)系統(tǒng)內(nèi)部與外部的?損，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)?的有效利用情況做出評(píng)價(jià)，其具體的計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[9-10]。

當(dāng)各個(gè)系統(tǒng)的制冷量均為0.5kW時(shí)，各個(gè)系統(tǒng)的高溫發(fā)生溫度為100℃，低溫發(fā)生溫度為70℃，蒸發(fā)溫度為5℃，冷凝溫度為35℃時(shí)，計(jì)算得到系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的?損情況，見表1，其中和分別為計(jì)低溫?zé)嵩春筒挥?jì)低溫?zé)嵩磿r(shí)系統(tǒng)的性能。

由表1可知，傳統(tǒng)兩級(jí)噴射系統(tǒng)計(jì)低溫?zé)嵩磿r(shí)，其系統(tǒng)的性能比單級(jí)噴射系統(tǒng)要低，這是因?yàn)樾滦碗p熱源兩級(jí)噴射系統(tǒng)中，發(fā)生器設(shè)備的?損相對(duì)其他設(shè)備的?損要高，其總的?損勢(shì)必比單級(jí)噴射系統(tǒng)要高，因此，當(dāng)考慮低溫?zé)嵩磿r(shí)，兩級(jí)噴射系統(tǒng)的低于單級(jí)系統(tǒng)，但雙熱源兩級(jí)噴射系統(tǒng)的?效率高于單級(jí)噴射系統(tǒng)，若可獲得免費(fèi)的低溫?zé)嵩矗?dāng)系統(tǒng)性能系數(shù)計(jì)算時(shí)可不考慮低溫?zé)嵩磿r(shí)，雙熱源兩級(jí)噴射系統(tǒng)性能系數(shù)’要高于單級(jí)噴射系統(tǒng)。在相同外部條件下，帶回?zé)醿杉?jí)噴射系統(tǒng)相對(duì)來說具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其?效率高于傳統(tǒng)噴射制冷循環(huán)系統(tǒng)。

表1 各系統(tǒng)?損比較（制冷量0.5kW）

4 結(jié)論

采用純工質(zhì)R236fa作為帶回?zé)醿杉?jí)噴射制冷系統(tǒng)的工質(zhì)，基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律對(duì)新型帶回?zé)醿杉?jí)噴射制冷系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)理論分析，其分析結(jié)果如下：

（1）在給定計(jì)算工況下，帶回?zé)醿杉?jí)噴射系統(tǒng)相對(duì)不帶回?zé)岬南到y(tǒng)性能可以提高約15%～20%，相對(duì)單級(jí)系統(tǒng)可以提高50%以上。

（2）在加回?zé)岬膬杉?jí)噴射制冷系統(tǒng)中，隨著回?zé)崞骼涠藴夭畹脑黾?，高、低溫發(fā)生器的負(fù)荷隨之降低，因此增加一定的回?zé)崞骼涠藴夭顚?duì)系統(tǒng)來說是有利的。

（3）通過?分析比較可以看出，在考慮低溫?zé)嵩磿r(shí)，新型雙熱源兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)的性能比傳統(tǒng)單級(jí)系統(tǒng)低，但兩級(jí)噴射系統(tǒng)的?效率要高于傳統(tǒng)單級(jí)噴射系統(tǒng)，特別是加回?zé)岷蟮膬杉?jí)噴射系統(tǒng)更具明顯優(yōu)勢(shì)。

[1] 王菲.新型雙噴射制冷系統(tǒng)關(guān)鍵影響因素及性能研究[D].大連:大連理工大學(xué),2010.

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Performance Analysis on Two-stage Ejection Refrigeration System with Internal Heat Exchanger

Zhou Qiuli1,2Xuan Yongmei1Chen Guangming2Gao Neng2Zhang Rongtao2

( 1.Xian Polytechnic University, Xian, 710048; 2.Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo, 315100 )

In order to improve theof ejector refrigeration system, a theoretical calculation model of two-stage ejector refrigeration system with internal heat exchanger driven by two heat sources is built. R236fa is chosen as working substance to study the influence of internal heat transfer on system performance, which is compared with that of traditional single-stage ejection refrigeration system. Finally, exergy analysis is performed to compare the exergy loss of pure refrigeration single-stage system and pure refrigerant two-stage ejector system. Research results indicate that under the same working condition, by adding internal heat exchanger, the performance of pure substance eject refrigeration system can be enhance by 15% ～20%, which is more than 50% higher than that of traditional single-stage system, which exergy efficiency compared to conventional single-stage ejector system more obvious advantage.

Two-stage; ejector refrigeration; heat exchanger;

TB66/TB61+8

A

國家自然科學(xué)項(xiàng)目（51276171）；西安工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX201708）

周秋麗（1991-），女，在讀碩士研究生，E-mail：956283868@qq.com

宣永梅（1977-），女，博士，教授，E-mail：xymhb@sohu.com

2017-11-01

1671-6612（2018）05-502-06