劉業(yè)鳳，孫影，張華，唐丹萍，鐘文軒，王東亮

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

近年來，不斷增加的臭氧層損耗和全球變暖的威脅引起了業(yè)內(nèi)對(duì)環(huán)保節(jié)能型制冷劑的大量關(guān)注。天然制冷劑CO2具有對(duì)環(huán)境友好（ODP=0，GWP=1）、容積制冷量大、良好的導(dǎo)熱性、粘度低、與普通的潤(rùn)滑劑和結(jié)構(gòu)材料相兼容、壓比低、不需回收、價(jià)廉易得等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種取代傳統(tǒng)制冷劑的環(huán)境友好型制冷劑，近年來已經(jīng)在熱泵熱水器、汽車空調(diào)、采暖等場(chǎng)合得到推廣應(yīng)用[1]。但是，由于CO2臨界溫度低（31.1 ℃），通常采用跨臨界循環(huán)方式，與傳統(tǒng)工質(zhì)的制冷循環(huán)相比，CO2跨臨界循環(huán)的高低壓差大（7 MPa左右），當(dāng)采用常規(guī)的膨脹閥絕熱等焓節(jié)流時(shí)，膨脹閥造成的不可逆損失高達(dá)40%，比壓縮機(jī)的還高[2]，因此導(dǎo)致系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）低，減少降壓節(jié)流損失是提高CO2系統(tǒng)COP的重要解決方法。

渦流管（Vortex Tube）是一種結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單緊湊的膨脹降壓裝置，無運(yùn)動(dòng)部件、維護(hù)簡(jiǎn)便，因此工作極為可靠，又不消耗外加動(dòng)力。它是利用渦流管的Ranque-Hilsch效應(yīng)，可以將一股壓縮氣體同時(shí)分離為溫度不同的兩股冷熱氣體。LI等[3]在2000年首次提出利用渦流管替代節(jié)流閥來減少節(jié)流損失。文獻(xiàn)[4]在相同工況條件下進(jìn)行一定的熱力分析和計(jì)算，比較了節(jié)流閥、渦流管及透平膨脹機(jī)作為膨脹裝置時(shí)的不可逆損失的大小。

目前，關(guān)于渦流管的研究，大部分文獻(xiàn)研究的是壓縮空氣，對(duì)于CO2等制冷劑存在氣液相變的研究較少，還不夠深入全面[5-20]。本文通過研究渦流管進(jìn)口溫度、壓力、渦流管等熵效率、冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)COP性能提高的影響規(guī)律，為渦流管的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 渦流管膨脹的二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)工作原理

1.1 二氧化碳跨臨界基本制冷循環(huán)

在二氧化碳跨臨界基本制冷循環(huán)中，采用常規(guī)的膨脹閥進(jìn)行節(jié)流，如圖1所示：來自壓縮機(jī)高壓高溫的CO2氣體（點(diǎn)2b），經(jīng)氣體冷卻器（以下簡(jiǎn)稱氣冷器）的無相變放熱后（點(diǎn)3）進(jìn)入膨脹閥節(jié)流，工質(zhì)由超臨界狀態(tài)膨脹到兩相區(qū)（點(diǎn)3b），再進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱后進(jìn)入壓縮機(jī)。

圖1 膨脹閥節(jié)流的二氧化碳跨臨界基本制冷循環(huán)系統(tǒng)圖

1.2 渦流管膨脹的二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)

常規(guī)渦流管主要由噴嘴、渦流室、分離孔板、冷端管、熱端管和控制閥組成。高壓氣體通過噴嘴膨脹加速后，沿切向進(jìn)入渦流室后形成強(qiáng)烈的渦流，最終分離為冷熱兩股溫度不同的氣流。本文研究的渦流管膨脹的二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)，由于高壓CO2經(jīng)渦流管噴嘴膨脹后進(jìn)入氣液兩相區(qū)，因此本文設(shè)計(jì)的渦流管在常規(guī)渦流管的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)飽和液體出口，系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)循環(huán)特點(diǎn)是：來自氣冷器的CO2超臨界氣體在渦流管中經(jīng)渦流管噴嘴膨脹到3′點(diǎn)，然后在渦流管內(nèi)分成3部分：飽和液體（點(diǎn)4）、飽和氣體（點(diǎn)C）和過熱氣體（點(diǎn)H）。飽和液體與飽和氣體混合后（點(diǎn)6）流入蒸發(fā)器，過熱氣體經(jīng)過熱降溫器冷卻（點(diǎn)5），然后與蒸發(fā)器出來的氣體混合后進(jìn)入壓縮機(jī)。

圖2 渦流管膨脹的二氧化碳跨臨界制冷碳循環(huán)系統(tǒng)圖

圖3是兩種二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)在壓焓圖上的表示，各狀態(tài)點(diǎn)與圖1和圖2上的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。基本系統(tǒng)的循環(huán)過程是7-2b-3-3b-7。由圖3可以看出：渦流管噴嘴膨脹后的狀態(tài)點(diǎn)比基本循環(huán)的節(jié)流閥出口狀態(tài)點(diǎn)3b焓值低，更接近等熵點(diǎn)3s，這是由于渦流管噴嘴的等熵效應(yīng)，減少了不可逆損失。同時(shí)，渦流管分離出的過熱氣體經(jīng)過熱降溫器冷卻后進(jìn)一步降低了壓縮機(jī)進(jìn)口溫度，提高了系統(tǒng)性能。

圖3 二氧化碳基本制冷循環(huán)及渦流管膨脹的系統(tǒng)壓焓圖

2 兩種系統(tǒng)的熱力學(xué)分析與計(jì)算

2.1 跨臨界二氧化碳基本制冷循環(huán)的熱力學(xué)計(jì)算

根據(jù)圖3，跨臨界二氧化碳基本制冷循環(huán)系統(tǒng)的COPb計(jì)算公式如下：

式中：

COPb——二氧化碳基本制冷循環(huán)性能系數(shù)；

h7——7點(diǎn)處的焓值，kJ/kg。

(注：h代表下腳標(biāo)點(diǎn)處的焓值，下同。）

2.2 渦流管膨脹的跨臨界二氧化碳制冷循環(huán)的熱力學(xué)計(jì)算

假設(shè)渦流管等熵效率為ηe，可計(jì)算出渦流管噴嘴出口3′點(diǎn)焓值：

根據(jù)3′點(diǎn)蒸發(fā)壓力可以查得3′點(diǎn)干度x。

根據(jù)冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)y定義，可得出：

式中：

mc、mh——冷端和熱端出口流體質(zhì)量流量，kg/s。

考慮到飽和液體全部由4點(diǎn)排出，其質(zhì)量流量為1-x，則由冷端C點(diǎn)和熱端H點(diǎn)流出的總質(zhì)量流量為x，即：

解方程組(3)和(4)得出：mc= xy；mh= x(1-y)。

根據(jù)能量守恒，可計(jì)算H點(diǎn)焓值：

6點(diǎn)是4點(diǎn)和C點(diǎn)的混合點(diǎn)，可計(jì)算6點(diǎn)焓值：

1點(diǎn)是5點(diǎn)和7點(diǎn)的混合點(diǎn)，可計(jì)算1點(diǎn)焓值：

由壓縮機(jī)效率ηc和排氣壓力P3，計(jì)算2點(diǎn)焓值：

最終得出渦流管系統(tǒng)的COPv：

3 計(jì)算結(jié)果及分析

假設(shè)蒸發(fā)溫度為0 ℃，壓縮機(jī)等熵效率為0.8，過熱降溫器出口溫度與氣冷器出口溫度相同，分析氣冷器出口溫度T3、渦流管噴嘴等熵效率ηe、冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)y及氣冷器出口壓力（即排氣壓力P3）對(duì)系統(tǒng)COP的影響，變化參數(shù)的設(shè)置見表1。

表1 熱力循環(huán)變化參數(shù)設(shè)置

圖4至圖7分別給出了氣冷器出口溫度、渦流管噴嘴等熵效率、冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及排氣壓力對(duì)兩種循環(huán)COP的影響，以及渦流管循環(huán)與節(jié)流閥系統(tǒng)COP相比，COP的提高效果。

由圖4可以看出，隨著氣冷器出口溫度的升高，渦流管系統(tǒng)和節(jié)流閥系統(tǒng)的COP都降低，但是渦流管系統(tǒng)的COP高于節(jié)流閥系統(tǒng)的，隨著氣冷器出口溫度升高，渦流管系統(tǒng)的COP增加。尤其是當(dāng)氣冷器出口溫度高于40 ℃后，增加的幅度顯著升高。例如當(dāng)溫度為45 ℃時(shí)，COP增加達(dá)28%。這是因?yàn)楫?dāng)氣冷器出口溫度越高，渦流管噴嘴出口的工質(zhì)干度越高，氣體含量越高越有利于發(fā)揮渦流管冷熱分離的作用，越有利于提高COP。

圖4 氣冷器出口溫度對(duì)系統(tǒng)COP提高的影響

由圖5可以看出，隨著渦流管噴嘴的熵效率的增加，當(dāng)在噴嘴中實(shí)現(xiàn)等熵膨脹時(shí)，系統(tǒng)COP最高可增加9.3%。進(jìn)一步研究如何實(shí)現(xiàn)渦流管噴嘴的等熵膨脹也是改善COP的極其重要的手段。

由圖6可以看出，隨著冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)y的增加，渦流管系統(tǒng)的COP逐漸增大，當(dāng)y=0.8時(shí)，COP提高12%。這是由于隨著冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，換熱器的排熱量增加，從而增大了COP。

由圖7可以看出：隨著排氣壓力的降低，渦流管系統(tǒng)COP提高的幅度越大。特別是當(dāng)排氣壓力低于10 MPa時(shí)，增加量明顯更高。當(dāng)排氣壓力為8.4 MPa時(shí)，其他參數(shù)取參考值，COP提高了21%。

圖5 噴嘴等熵效率對(duì)系統(tǒng)COP提高的影響

圖6 冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)系統(tǒng)COP提高的影響

圖7 排氣壓力對(duì)系統(tǒng)COP提高的影響

4 結(jié)論

針對(duì)二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)，本文提出采用渦流管膨脹替代膨脹閥節(jié)流，以減少不可逆損失，提高系統(tǒng)COP。通過對(duì)該系統(tǒng)渦流管性能的影響因素進(jìn)行對(duì)比研究，得出以下結(jié)論：

1）氣冷器出口溫度越高，渦流管系統(tǒng)COP提高的幅度越明顯。在45 ℃時(shí)，COP可增加28%；

2）渦流管噴嘴的等熵效率和冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，越有利于提高系統(tǒng)的COP，最高可增加10%左右；

3）排氣壓力對(duì)系統(tǒng)COP的影響顯著。排氣壓力越低，COP增幅越大。當(dāng)排氣壓力為8.4 MPa時(shí)，COP提高了21%。

本文的研究結(jié)果為后續(xù)渦流管的設(shè)計(jì)和研究，尤其是系統(tǒng)最優(yōu)排氣壓力分析和系統(tǒng)優(yōu)化等提供理論依據(jù)。