陳威，于梅紅，趙紅霞

（山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061）

引 言

由于對臭氧層的破壞，氯氟烴(CFCs)和氫氯氟烴(HCFCs)已被禁止使用[1]。為了減少化學(xué)制冷劑對環(huán)境的影響，R744 作為一種天然制冷劑，由于其性能與合成制冷劑相當(dāng)，已成為合成制冷劑的重要替代品[2-6]。與傳統(tǒng)制冷劑如HCFCs (如R22)或HFCs(如R134a 和R404A)相比，R744 是商業(yè)制冷領(lǐng)域中最環(huán)保的制冷劑，ODP為零，GWP值為1。它是一種無毒、不易燃、體積熱容大、潛熱大、熱導(dǎo)率高、密度高、黏度低、成本低、易于獲得的天然工質(zhì)，具有優(yōu)越的熱物理性能[7-9]。

R744 是一種臨界溫度較低(31.1℃)、臨界壓力較高(73.8 bar,1 bar=105Pa)的工質(zhì)[7,10]。隨著環(huán)境溫度的升高，R744不可避免地以較小的COP運(yùn)行跨臨界模式，而且對氣體冷卻器出口溫度和壓力更敏感[11]。研究表明，在溫暖氣候條件下，R744 載冷系統(tǒng)和復(fù)疊系統(tǒng)的COP 均高于跨臨界系統(tǒng)。因此，在環(huán)境溫度較高的國家跨臨界系統(tǒng)的能源效率較低，應(yīng)用受到很大限制。對于常規(guī)增壓制冷系統(tǒng)(CBR)，閃蒸氣體不僅不能產(chǎn)生制冷效果，而且增加節(jié)流損失，降低系統(tǒng)的COP。平行壓縮制冷系統(tǒng)(PCR)可以通過高溫壓縮機(jī)直接壓縮閃蒸氣到氣體冷卻器/冷凝器,這樣高溫壓縮機(jī)具有較高的吸入壓力,較小的壓力比和更高的效率[12]。盡管PCR系統(tǒng)可以減少由閃蒸氣引起的節(jié)流損失，但是在從氣體冷卻器到中壓儲液器的節(jié)流過程中仍然存在巨大的節(jié)流損失。

為了回收節(jié)流損失，許多學(xué)者提出在常規(guī)增壓制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加噴射器或膨脹機(jī)，以達(dá)到回收部分膨脹功的目的[13]。噴射器的主要工作原理是利用一次流引射壓縮二次流增加其壓力，起到預(yù)壓縮制冷劑的作用。此外，噴射器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無運(yùn)動部件等優(yōu)點[14-15]。目前，噴射壓縮是R744制冷系統(tǒng)中最先進(jìn)的技術(shù)，特別是在溫暖的氣候條件下[16-18]。Elbel 等[19]通過實驗表明，在一定條件下，帶噴射器的R744 制冷系統(tǒng)的制冷量和COP分別比帶膨脹閥的系統(tǒng)高8%和7%，并且回收14.5%的節(jié)流膨脹功。Haida 等[20]在CBR 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個多噴射器組合，新系統(tǒng)的COP 和效率分別提高了7%和13.7%。Hafner等[21]對多噴射器R744制冷系統(tǒng)和閃蒸氣體旁通R744制冷系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真和試驗測試。結(jié)果表明，與二次流壓力相比，噴射器出口壓力可提高2～6 bar，噴射器效率約為20%。在15℃和45℃時，多噴射器系統(tǒng)與閃蒸氣體旁通閥系統(tǒng)相比，COP 分別提高10%～20%。Gullo等[15]對R744多噴射器制冷系統(tǒng)、PCR制冷系統(tǒng)和R404A 制冷系統(tǒng)進(jìn)行了理論評估，結(jié)果表明，與R404A 制冷系統(tǒng)相比，R744多噴射器制冷系統(tǒng)每年可減少約20%的能耗。如果使用滿液式蒸發(fā)器作為低溫冷藏柜，則全年可節(jié)省約25%的能源。Geng等[22]對以噴射器為膨脹裝置的雙蒸發(fā)器壓縮/噴射制冷循環(huán)進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明，與常規(guī)蒸汽壓縮制冷循環(huán)相比，以噴射器為膨脹裝置的制冷循環(huán)在恒頻壓縮機(jī)組中的COP 和效率分別提高了16.94%～30.59%和7.57%～28.29%；在變頻壓縮機(jī)組中的COP 和效率分別提高了32.64%和23.32%左右。

盡管許多學(xué)者對R744 噴射器制冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但大部分研究僅限于較高環(huán)境溫度下的跨臨界模式。不僅缺乏對低溫環(huán)境下亞臨界模式的考慮，而且缺乏對整個系統(tǒng)的優(yōu)化控制。此外，上述研究并不適用于中國國情。中國是典型的季風(fēng)氣候，不僅四季溫差大，而且晝夜溫差也比較大。雖然制冷系統(tǒng)可以通過改變壓縮機(jī)頻率、風(fēng)冷冷凝器風(fēng)機(jī)頻率、電子膨脹閥開度和噴射器開度等來調(diào)節(jié)以適應(yīng)環(huán)境溫度的變化，但是這些調(diào)節(jié)手段都只適用于小范圍的調(diào)節(jié)，具有局限性。在環(huán)境溫度波動較大時，這些調(diào)節(jié)手段并不能大幅度提升系統(tǒng)的能效。因此，有必要設(shè)計一種適應(yīng)中國氣候的R744制冷系統(tǒng)。提升R744 制冷系統(tǒng)的COP 的又一種方法是計算分析系統(tǒng)在各種運(yùn)行狀態(tài)下的最優(yōu)控制。對環(huán)境溫度、冷凝壓力、中間節(jié)流壓力、中低溫蒸發(fā)溫度、過熱度、壓縮機(jī)效率進(jìn)行了優(yōu)化探究[23]。Ge等[7,24]建立了CO2制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，從理論上優(yōu)化了它的控制策略，系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度的不同可以有選擇地運(yùn)行跨臨界模式或者亞臨界模式，并且根據(jù)熱力循環(huán)計算出系統(tǒng)的最佳冷凝壓力。文獻(xiàn)中已經(jīng)對R744制冷系統(tǒng)在高溫環(huán)境下，研究了平行壓縮系統(tǒng)，帶噴射器增壓系統(tǒng)，滿液式蒸發(fā)器，機(jī)械過冷，膨脹機(jī)以及控制策略等方法，來提升R744 常規(guī)增壓制冷系統(tǒng)的COP。本文中，在PCR 系統(tǒng)增加了多噴射器回路和滿液式蒸發(fā)器，并對R744制冷系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。為此建立熱力學(xué)模型，擬合壓縮機(jī)的等熵效率，并通過MATLAB 編程計算氣體冷卻器最佳的出口壓力、中間節(jié)流壓力、噴射器出口壓力和環(huán)境溫度之間的關(guān)系。同時，計算PCR 和MEBR 系統(tǒng)的COP、質(zhì)量流量、臨界溫度、引射系數(shù)和壓比。最后，分析了哈爾濱、北京、上海和?？诘腜CR、MEBR、OCMER系統(tǒng)的年平均COP。

1 制冷系統(tǒng)研究方法

1.1 平行壓縮系統(tǒng)

PCR 系統(tǒng)的原理圖及其P-h圖如圖1 所示。高溫壓縮機(jī)壓縮制冷劑變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)進(jìn)入氣體冷卻器/冷凝器（跨臨界循環(huán)時冷凝器稱為氣體冷卻器），然后經(jīng)過高壓節(jié)流閥降溫降壓進(jìn)入中壓儲液器，并在儲液器內(nèi)分離為飽和液體和飽和氣體。分離的飽和氣體經(jīng)高溫壓縮機(jī)壓縮再次進(jìn)入氣體冷卻器/冷凝器散熱，如此完成高壓側(cè)循環(huán)。分離的飽和液體經(jīng)不同節(jié)流閥分別進(jìn)入中溫蒸發(fā)器和低溫蒸發(fā)器。低溫蒸發(fā)器出口的制冷劑經(jīng)低溫壓縮機(jī)壓縮后與中溫蒸發(fā)器出口制冷劑混合進(jìn)入低壓儲液器，儲液器內(nèi)的制冷劑被中溫壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入氣體冷卻器/冷凝器散熱，如此完成低壓側(cè)循環(huán)。

1.2 多噴射器增壓制冷系統(tǒng)

跨臨界MEBR 系統(tǒng)的原理圖及P-h圖如圖2 所示。高溫壓縮機(jī)壓縮制冷劑變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)入氣體冷卻器，氣體冷卻器出口制冷劑作為氣-氣噴射器組與氣-液噴射器組的一次流，分別引射來自低壓儲液器的飽和氣體和飽和液體。從氣-氣噴射器組與氣-液噴射器組出口流出的制冷劑進(jìn)入中壓儲液器，并在中壓儲液器內(nèi)分離成飽和氣體和飽和液體。分離的飽和氣體被高溫壓縮機(jī)壓縮再次進(jìn)入氣體冷卻器散熱，如此完成高壓側(cè)循環(huán)。分離的飽和液體經(jīng)不同節(jié)流閥分別進(jìn)入中溫蒸發(fā)器和低溫蒸發(fā)器。低溫蒸發(fā)器出口的制冷劑經(jīng)低溫壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入低壓儲液器，中溫滿液式蒸發(fā)器出口制冷劑以兩相流狀態(tài)進(jìn)入低壓儲液器。低壓儲液器出口分離的飽和液體作為氣-液噴射器的二次流被一次流引射壓縮進(jìn)入中壓儲液器，低壓儲液器出口分離的飽和氣體作為氣-氣噴射器的二次流被一次流體引射壓縮進(jìn)入中壓儲液器，如此完成低壓側(cè)循環(huán)。

2 模型模擬

2.1 運(yùn)行條件及假設(shè)

本次設(shè)計的目的是模擬一個典型的食品零售制冷系統(tǒng)的運(yùn)行模式，并分析其運(yùn)行功耗。超市系統(tǒng)的運(yùn)行工況條件是:中溫蒸發(fā)溫度-8℃，冷載70 kW;低溫蒸發(fā)溫度-30℃，冷載20 kW[25]。針對該系統(tǒng)，對環(huán)境溫度2～36℃的工況進(jìn)行了研究分析，該溫度范圍覆蓋了中國大部分地區(qū)的氣候。

為了簡化理論模型，在建模過程中對系統(tǒng)以及部件作如下假設(shè)與簡化[26]：

（1）假設(shè)運(yùn)行的工況為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；

（2）忽略氣體冷卻器/冷凝器、蒸發(fā)器和各連接管道內(nèi)部的壓降；

（3）系統(tǒng)各部分無漏熱損失；

圖1 PCR系統(tǒng)原理圖和P-h圖Fig.1 Schematic diagram and P-h diagram of PCR system

圖2 MEBR系統(tǒng)原理圖和P-h圖Fig.2 Schematic diagram and P-h diagram of MEBR system

（4）儲液器氣態(tài)和液態(tài)出口的制冷劑處于飽和氣態(tài)及飽和液態(tài)；

（5）噴嘴出口、蒸發(fā)器出口和混合室之間壓差可忽略不計；

（6）忽略一次流和二次流進(jìn)入噴射器的初速度及混合流體在擴(kuò)散器出口的動能；

（7）根據(jù)文獻(xiàn)[27]建立的氣-氣噴射器模型、文獻(xiàn)[28]建立的氣-液噴射器模型，噴射器內(nèi)流體被看作一維的均勻流體；噴射器噴嘴效率、混合室效率和擴(kuò)散器效率均為常數(shù)且不隨系統(tǒng)工況改變。

2.2 系統(tǒng)及組件模型

根據(jù)能量和質(zhì)量守恒定律，建立了PCR 系統(tǒng)和MEBR 系統(tǒng)的熱力學(xué)模型。MATLAB 調(diào)用CoolProp熱特性數(shù)據(jù)庫的二氧化碳熱物理參數(shù)進(jìn)行仿真。超市制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模型主要由壓縮機(jī)、噴射器、冷凝器/氣體冷卻器和中低溫蒸發(fā)器四部分組成，下面分別描述每個組件模型。

2.2.1 壓縮機(jī)模型 采用比澤爾公司生產(chǎn)的半封閉往復(fù)式R744 壓縮機(jī)進(jìn)行了仿真研究。根據(jù)BITZER 選型軟件選擇的壓縮機(jī)為:高溫壓縮機(jī)3 臺(跨臨界)，型號4HTC-20K-40P，中溫壓縮機(jī)1 臺(跨臨界)，型號6DTE-40K-40P，低溫壓縮機(jī)1 臺(亞臨界)，型號2DSL-5K-40S。

上述壓縮機(jī)的等熵效率是吸/排氣壓比的函數(shù)。在不同的運(yùn)行工況條件下,壓縮機(jī)等熵效率和吸/排氣壓比之間的關(guān)系，如式(1)～式(3)所示：

2.2.2 噴射器模型 MEBR 系統(tǒng)包括一組氣-氣噴射器和一組氣-液噴射器，其中氣-氣噴射器依據(jù)文獻(xiàn)[27]建模，氣-液噴射器依據(jù)文獻(xiàn)[28]建模。

對于氣-氣噴射器,在給定一次流和二次流工況的條件下,引射系數(shù)和噴射器出口壓力可以根據(jù)熱力學(xué)模型計算。氣-氣噴射器的引射系數(shù)的計算公式如式(4)所示,其中一次流質(zhì)量流量m3和二次流的質(zhì)量流量m10是已知的。氣-氣噴射器出口焓值和壓力計算公式，如式(5)和式(6)所示。噴射器的性能評價指標(biāo)主要是噴射器出口壓力和引射系數(shù)以及噴射器效率，它的出口壓力和效率可以根據(jù)式(7)和式(8)計算，其中h10s=f(P4,s10);h3s=f(P4,s3)根據(jù)狀態(tài)方程求出。

對于氣-液噴射器，其目的是代替液體泵將低壓儲液器內(nèi)的液體制冷劑泵回到中壓儲液器，以完成中溫滿液式蒸發(fā)器的多倍供液循環(huán)。氣-液噴射器的開閉是根據(jù)低壓儲液器的液位高度控制的，只有當(dāng)儲液器超過設(shè)定的閾值才開始運(yùn)行。氣-液噴射器主要功能是維持中溫蒸發(fā)器的多倍供液，保證蒸發(fā)器出口不存在過熱[29]。需要注意的是，由于氣液噴射器在本系統(tǒng)中起的是泵回液的輔助作用，所以沒有展開具體研究。

2.2.3 氣體冷卻器/冷凝器模型 風(fēng)冷式冷凝器廣泛應(yīng)用于超市制冷系統(tǒng)中，并具有維護(hù)成本低的優(yōu)點。通過冷凝器的變頻器，可將制冷劑排放壓力控制在規(guī)定范圍內(nèi)。然而，全年的排放壓力維持在一個固定值將導(dǎo)致制冷系統(tǒng)的能效降低。因此，有必要優(yōu)化控制制冷劑排放壓力，如根據(jù)環(huán)境溫度通過風(fēng)機(jī)變頻器優(yōu)化控制制冷劑排放壓力[30]。需要注意的是，當(dāng)環(huán)境溫度足夠低時，R744 制冷系統(tǒng)將在亞臨界條件下運(yùn)行，跨臨界模式則在較高的環(huán)境溫度下才運(yùn)行。為了提高系統(tǒng)的性能，需要確定過渡區(qū)，過渡區(qū)取決于冷凝器的散熱能力。例如,如果風(fēng)冷式氣體冷卻器/冷凝器和環(huán)境溫度之間的溫差是15 K，那么系統(tǒng)的臨界過渡溫度就是16℃，即當(dāng)環(huán)境溫度低于16℃時，亞臨界模式運(yùn)行，當(dāng)環(huán)境溫度高于16℃時，跨臨界模式運(yùn)行[31]。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,氣體冷卻器/冷凝器的散熱能力和效率有了較大的提升。目前，風(fēng)冷式氣體冷卻器/冷凝器出口溫度和環(huán)境溫度之間的溫差可以達(dá)到10 K，所以R744 制冷系統(tǒng)的臨界過渡溫度可以提高到21.1℃，并已成功應(yīng)用[7,31]。因此，本次仿真采用空氣式翅片氣體冷卻器/冷凝器，取10 K為兩者之間的最小溫差。

對于PCR 系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境溫度低于2℃時，為了保證足夠的供液壓差，這里的冷凝壓力取一個恒定值，如式(9)所示，冷凝器出口壓力恒定為47.3 bar。當(dāng)環(huán)境溫度為2～21.1℃時，冷凝器出口壓力與環(huán)境溫度的關(guān)系如式(10)所示。對于MEBR 系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境溫度低于21.1℃時，為了維持最低的跨臨界氣-氣噴射器運(yùn)行需求，取冷凝器的出口壓力為恒定值，如式(11)所示，冷凝器出口壓力恒定為75 bar。

跨臨界模式運(yùn)行時，在一定環(huán)境溫度下，R744制冷系統(tǒng)存在最佳氣體冷卻器出口壓力，使得系統(tǒng)具有最大COP。根據(jù)Ge 等[24]提供的優(yōu)化方法，對PCR系統(tǒng)和MEBR系統(tǒng)的環(huán)境溫度與冷凝壓力關(guān)系進(jìn)行擬合。優(yōu)化溫度范圍為21.1～36℃，壓力范圍為75～130 bar。

圖3 PCR系統(tǒng)COP與環(huán)境溫度和氣體冷卻器出口壓力的關(guān)系Fig.3 Relationship of COP,ambient temperature and outlet pressure of gas cooler of PCR system

圖4 MEBR系統(tǒng)COP與環(huán)境溫度和氣體冷卻器出口壓力的關(guān)系Fig.4 Relationship of COP,ambient temperature and outlet pressure of gas cooler of MEBR system

表1 列出了文獻(xiàn)關(guān)于R744 制冷系統(tǒng)冷凝器/氣體冷卻器出口參數(shù)和環(huán)境溫度之間的關(guān)系。在本系統(tǒng)模型中，與其他文獻(xiàn)進(jìn)行比較，式(9)～式(13)更為合理。

2.2.4 蒸發(fā)器模型 本次研究中,中溫陳列柜使用滿液式蒸發(fā)器，低溫陳列柜使用干式蒸發(fā)器。中溫滿液式蒸發(fā)器無過熱；低溫干式蒸發(fā)器外部過熱為8 K。一般來說，在超市制冷系統(tǒng)中，中低溫冷柜的溫度和濕度都是設(shè)定的恒定值，不管外界環(huán)境如何變化，都可以通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)滿足設(shè)計所需。對于一個超市制冷系統(tǒng)而言，都是在最不利工況（即較高環(huán)境溫度）下進(jìn)行設(shè)計的，這樣可以在較高的環(huán)境溫度下依然滿足冷量需求。對于本次研究的R744 制冷系統(tǒng)，按照環(huán)境溫度36℃進(jìn)行設(shè)計，它的中低溫的冷載分別是70、20 kW。當(dāng)環(huán)境溫度低于36℃時，通過壓縮機(jī)的變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率，以適應(yīng)超市冷量所需。

表1 一些氣體冷卻器/冷凝器重要的總結(jié)Table 1 Summary of some important correlations of Gas coolers/condensers

2.3 計算過程

下面是模型計算過程中的一些重要公式。低溫冷負(fù)荷QLT是已知的，并且PCR 系統(tǒng)和MEBR 系統(tǒng)的低溫壓縮機(jī)的質(zhì)量流量可以根據(jù)(14)和式(15)分別計算。PCR 系統(tǒng)采用的中間完全冷卻方式，中溫蒸發(fā)器的質(zhì)量流量是中溫制冷量加上低溫壓縮機(jī)的冷凝熱量與單位制冷量的比值，所以中溫壓縮機(jī)的質(zhì)量流量可以通過式(16)計算。

對于PCR 系統(tǒng)，在中壓儲液器中，根據(jù)熱平衡等式(17)計算高溫壓縮機(jī)的質(zhì)量流量。氣體冷卻器/冷凝器的質(zhì)量流量是中溫壓縮機(jī)和高溫壓縮機(jī)的質(zhì)量流量之和，如式(18)所示。

對于MEBR 系統(tǒng)，高溫壓縮機(jī)的質(zhì)量流量等于噴射器的一次流的質(zhì)量流量，也等于冷凝器/氣體冷卻器的質(zhì)量流量，它可以在中壓儲液器中根據(jù)熱平衡等式(19)求出。

PCR 和MEBR 系 統(tǒng) 的 總 功 耗 如 式(20)、式(21)所示

其中，Wfan,PCR和Wfan,MEBR是氣體冷卻器/冷凝器風(fēng)扇的功率，大小是氣體冷卻器/冷凝器排出熱量的3%。

3 結(jié)果與討論

通過對上述超市制冷系統(tǒng)熱力學(xué)模型的計算，并從各個方面進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)PCR 系統(tǒng)和MEBR 系統(tǒng)各有優(yōu)缺點。將上述兩種系統(tǒng)相結(jié)合并進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了多噴射器優(yōu)化控制制冷系統(tǒng)(OCMER)，使其在任何環(huán)境溫度下都能保持最高COP。

3.1 壓縮機(jī)質(zhì)量流量與環(huán)境溫度的關(guān)系

壓縮機(jī)和氣體冷卻器/冷凝器的質(zhì)量流量可以根據(jù)式(14)～式(19)計算。圖5 顯示了質(zhì)量流量與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。可以看出，MEBR 系統(tǒng)的質(zhì)量流量在21.1℃以下沒有變化，當(dāng)環(huán)境溫度在21.1℃以上時，質(zhì)量流量有增加的趨勢。

圖5 壓縮機(jī)質(zhì)量流量與環(huán)境溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between compressor mass flow and ambient temperature

PCR 系統(tǒng)的質(zhì)量流量隨著環(huán)境溫度的升高而不斷增加，但高溫、中溫壓縮機(jī)和氣體冷卻器/冷凝器的質(zhì)量流量在21.1℃附近顯示異常為先降低后增加，這與R744的熱物理性質(zhì)有關(guān)。PCR 和MEBR 系統(tǒng)中低溫壓縮機(jī)的質(zhì)量流量相似，并且不隨環(huán)境溫度顯著變化。根據(jù)式(18)，可以求出PCR 系統(tǒng)的氣體冷卻器/冷凝器的質(zhì)量流量?？梢钥闯觯琍CR 系統(tǒng)中氣體冷卻器的質(zhì)量流量等于跨臨界運(yùn)行模式下MEBR系統(tǒng)中溫、高溫壓縮機(jī)的總質(zhì)量流量。

3.2 壓縮機(jī)功耗與環(huán)境溫度的關(guān)系

如圖6 所示，PCR 系統(tǒng)的低溫壓縮功耗等于MEBR 系統(tǒng)的低溫壓縮功耗。PCR 系統(tǒng)的中溫壓縮功耗隨環(huán)境溫度的升高而增加。MEBR 系統(tǒng)的高溫壓縮功耗在21.1℃以下保持不變，在21.1℃以上隨著環(huán)境溫度的升高而增加，與PCR 系統(tǒng)的中溫壓縮功相等。然而，隨著環(huán)境溫度的升高，PCR 系統(tǒng)的高溫壓縮功耗增加得更快，因此環(huán)境溫度越高，MEBR系統(tǒng)的COP比PCR系統(tǒng)越高。

圖6 壓縮機(jī)功耗與環(huán)境溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between compressor power consumption and ambient temperature

3.3 PCR 系統(tǒng)中間節(jié)流壓力與MEBR 系統(tǒng)噴射器的性能分析

對于PCR 系統(tǒng)，中間節(jié)流壓力（Pint）是指中壓儲液器的壓力。這是由MATLAB 軟件使用迭代方法計算出來的。從圖7 中可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，Pint不斷增大。但是當(dāng)環(huán)境溫度在21.1℃附近時，存在Pint先降低后增加的異常。這種現(xiàn)象是由R744 在亞臨界和跨臨界區(qū)域的熱物理性質(zhì)完全不同導(dǎo)致的。

對于氣-氣噴射器，最重要的性能指標(biāo)是引射系數(shù)μ和壓比Pr,eje。從圖8 中可以看出，壓比Pr,eje隨著環(huán)境溫度tamb的升高而增加，但引射系數(shù)μ不斷減小。從圖7 可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，氣體-氣體噴射器一次流的壓力不斷增大，從而引起上述現(xiàn)象[20]，這與噴射器的工作原理一致。

圖9 是噴射器效率和出口壓力與溫度的關(guān)系。從圖9 中可以看出，噴射器效率隨著環(huán)境溫度的增加而增加。因此，環(huán)境溫度越高，噴射器的效率越高，這將使MEBR 系統(tǒng)的COP 遠(yuǎn)高于PCR 系統(tǒng)。同時，從圖中可以看出，噴射器出口壓力與環(huán)境溫度幾乎呈線性關(guān)系，可為后續(xù)研究工作提供有效的理論依據(jù)。

圖7 PCR系統(tǒng)的中間節(jié)流壓力和環(huán)境溫度之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between intermediate throttling pressure and ambient temperature in PCR system

圖8 噴射器性能指標(biāo)Fig.8 Performance index of ejector

圖9 噴射器出口壓力、效率與環(huán)境溫度之間的關(guān)系Fig.9 Relationship of ejector outlet pressure,efficiency and ambient temperature

3.4 PCR 系統(tǒng)與MEBR 系統(tǒng)的COP 與環(huán)境溫度的關(guān)系

從圖10 可以看出，PCR 系統(tǒng)和MEBR 系統(tǒng)COP的臨界點為17.32℃。當(dāng)環(huán)境溫度低于17.32℃時，PCR 系統(tǒng)的COP 高于MEBR 系統(tǒng)。并且隨著環(huán)境溫度的降低，前者的優(yōu)勢更加明顯，其COP 在2℃時比后者高94.7%。但是，當(dāng)環(huán)境溫度高于17.32℃后，PCR 系統(tǒng)的COP 低于MEBR 系統(tǒng)。尤其是跨臨界運(yùn)行時，當(dāng)環(huán)境溫度在21.1～36℃，MEBR 系統(tǒng)的COP 比PCR 系統(tǒng)高15.91%～32.61%。中國屬于典型的季風(fēng)氣候，四季之間和晝夜溫差大。為了適應(yīng)中國的季風(fēng)氣候，提高超市制冷系統(tǒng)的COP，將PCR系統(tǒng)和MEBR 系統(tǒng)相結(jié)合，作者提出了多噴射器優(yōu)化控制制冷系統(tǒng)(OCMER)，其原理如圖11所示。

圖10 PCR系統(tǒng)與MEBR系統(tǒng)COP與環(huán)境溫度的關(guān)系Fig.10 Relationship of COP of PCR system and MEBR system and ambient temperature

在OCMER 系統(tǒng)中，增加了兩個自動控制閥（ACV）。當(dāng)環(huán)境溫度低于17.32℃時，ACV1 打開低壓儲液器和中溫壓縮機(jī)吸入管路之間的閥門，ACV2打開氣體冷卻器/冷凝器和HP 膨脹閥之間的閥門，其余關(guān)閉。相反，當(dāng)環(huán)境溫度高于17.32℃時，ACV1打開低壓儲液器和氣氣噴射器二次流入口之間的閥門，ACV2 打開氣體冷卻器/冷凝器和多噴射器組一次流入口之間的閥門，其余關(guān)閉。

氣體冷卻器/冷凝器的出口壓力與環(huán)境溫度之間的關(guān)系如下所示：

圖11 OCMER系統(tǒng)原理圖Fig.11 Schematic diagram of OCMER system

3.5 PCR中國四個典型城市的COP分析

從圖12 可以看出，OCMER 系統(tǒng)在哈爾濱的年平均COP 分別比PCR 系統(tǒng)和MEBR 系統(tǒng)高2.6%和51.7%，在北京的年平均COP 分別比PCR 系統(tǒng)和MEBR 系統(tǒng)高4.8%和39.1%，在上海的年平均COP分別比PCR 系統(tǒng)和MEBR 系統(tǒng)高6.9%和22.3%，在?？诘哪昶骄鵆OP 分別比PCR 系統(tǒng)和MEBR 系統(tǒng)高18.4%和0。因此，當(dāng)環(huán)境溫度過高或過低時，OCMER 系統(tǒng)的節(jié)能效果不明顯，但當(dāng)環(huán)境溫度在17.32℃附近波動較大時，OCMER 系統(tǒng)的COP 較高。因此推薦不同氣候的城市適合不同的系統(tǒng)。例如，中國的海南運(yùn)行MEBR 系統(tǒng)，東北運(yùn)行PCR 系統(tǒng)，上海運(yùn)行OCMER系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

通過對PCR 系統(tǒng)和MEBR 系統(tǒng)的研究和分析，提出了OCMER 系統(tǒng)。比較中國四個城市關(guān)于三個系統(tǒng)的年平均COP，得出以下結(jié)論。

(1) 在一定的環(huán)境溫度下，R744 制冷系統(tǒng)在跨臨界區(qū)域具有最佳的氣體冷卻器出口壓力，并由控制器調(diào)節(jié)。

(2)對于噴射器，隨著環(huán)境溫度的升高，噴射器壓比，效率和出口壓力增加，但引射系數(shù)變得越來越小。

(3) 當(dāng)環(huán)境溫度為21.1～36℃時，MEBR 系統(tǒng)的COP 比PCR 系統(tǒng)高15.91%～32.61%。但是，當(dāng)環(huán)境溫度低于17.32℃時，PCR 系統(tǒng)的COP 高于MEBR系統(tǒng)。

(4)對于OCMER 系統(tǒng)，ACV1 和ACV2 的閥門開啟和關(guān)閉由溫度傳感器控制，使系統(tǒng)能夠在PCR 模式和MEBR 模式之間自由切換，從而保持較高的COP運(yùn)行。

(5) 對PCR、MEBR 和OCMER 系統(tǒng)進(jìn)行不同地區(qū)年均COP 分析，發(fā)現(xiàn)中國海南地區(qū)適合運(yùn)行MEBR系統(tǒng)，東北地區(qū)適合運(yùn)行PCR系統(tǒng)，上海地區(qū)適合OCMER系統(tǒng)。

符 號 說 明

COP——制冷系數(shù)

h——焓值，kJ/kg

m?——質(zhì)量流量，kg/s

P——壓力，bar

Q——制冷量，kW

?q0——單位質(zhì)量制冷量，kW/kg

s——熵值，kJ/(kg?K)

t——溫度，℃

W——壓縮機(jī)功耗，kW

?w0——單位質(zhì)量壓縮功，kW/kg

x——制冷劑干度

η——效率

μ——引射系數(shù)

下角標(biāo)

amb——環(huán)境溫度

eje——噴射器

GC，gc——?dú)怏w冷卻器

HT——高溫壓縮機(jī)

int——中間節(jié)流壓力值

LT——低溫壓縮機(jī)

MT——中溫壓縮機(jī)

opt——最優(yōu)

out——出口

p——一次流

r——比值

s——二次流

total——壓縮機(jī)總功耗

1～13——狀態(tài)點