管可立，沈安祥，楊樂，金蘇敏，楊興洋*,

（1-南京工業(yè)大學能源科學與工程學院，江蘇南京 2118162；2-雙良集團有限公司，江蘇江陰 214400）

0 引言

傳統(tǒng)蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)中，節(jié)流過程會導致一定的節(jié)流損失[1-5]。KOMRNHAUSER[6]提出在蒸氣壓縮式系統(tǒng)中加入噴射器，以回收部分節(jié)流損失，提高壓縮機入口壓力，減少壓縮機耗功，提升系統(tǒng)的性能。CHUA等[7]對噴射-壓縮式熱泵和蒸氣壓縮式熱泵進行了性能對比分析。結(jié)果表明，噴射-壓縮式熱泵性能可提升21%。YAN等[8]對噴射-壓縮式熱泵系統(tǒng)進行了熱力學分析，并與壓縮式熱泵進行了性能對比。結(jié)果表明，熱泵的性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）、制熱量以及熱量輸出分別提升了15.3%、38.1%和52.8%。

工質(zhì)的選擇對于噴射-壓縮式熱泵系統(tǒng)的性能有著重要影響。非共沸工質(zhì)相比純工質(zhì)，在相變過程中具備溫度滑移的特性，可改善在換熱過程中的溫度匹配，提高換熱器的效率，以提升系統(tǒng)性能。楊為為等[9]采用13種非共沸工質(zhì)，對熱泵系統(tǒng)進行了熱力學分析。結(jié)果表明，采用R161/R245fa時，COP達到最大值4.27，相比R152a、R161和RC270，COP分別提升了27.5%、27.1%和23.7%。JU等[10]采用非共沸工質(zhì)對熱泵系統(tǒng)進行了熱力學分析。結(jié)果表明，當R1233zd(E)/R1270的組分配比為16%/84%時，熱泵性能達到最佳，且與R22和R134a相比，COP提升分別了2.13%和10.14%。

有學者認為冷凝過程中利用分液冷凝的方法可以提高熱力系統(tǒng)的性能[11-12]。LUO等[13]基于非共沸工質(zhì)，提出了一種分液冷凝有機朗肯系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，工質(zhì)在冷凝器中冷凝到一定干度進行氣液分離，液體直接進入蒸發(fā)器，氣體則繼續(xù)冷凝，完全冷凝后再進入蒸發(fā)器。相比傳統(tǒng)的有機朗肯系統(tǒng)，該新型系統(tǒng)通過分液冷凝的方法，有效提高了換熱系數(shù)，從而提升系統(tǒng)的性能；同時，通過調(diào)整分液冷凝干度可調(diào)節(jié)液相和氣相的工質(zhì)組分[14-15]。

在此基礎上，本文提出了基于非共沸工質(zhì)的分液冷凝噴射-壓縮式熱泵系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行熱力學分析；分析了工質(zhì)組分以及運行工況對系統(tǒng)性能的影響以及系統(tǒng)各部件的損情況，最后與傳統(tǒng)噴射-壓縮式熱泵的性能進行了對比。

1 分液冷凝噴射-壓縮式熱泵

圖1所示為分液冷凝噴射-壓縮式熱泵的系統(tǒng)原理。圖2所示為分液冷凝噴射-壓縮式熱泵T-s圖。該系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、氣液分離器、噴射器和節(jié)流閥組成。從壓縮機出來的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)在高溫冷凝器中進行冷凝，冷凝到一定干度時，進入氣液分離器實現(xiàn)氣液分離，圖2中4點為氣液分離點，液體進入節(jié)流閥，節(jié)流后進入低溫蒸發(fā)器，完全蒸發(fā)后作為引射流體進入噴射器吸入室；剩余的氣體，進入低溫冷凝器繼續(xù)冷凝，完全冷凝后作為工作流體進入噴射器噴嘴。工作流體在噴嘴的作用下速度增大、且壓力降低，引射低溫蒸發(fā)器出口的引射流體進入引射室，二者在等壓混合室混合后，經(jīng)過擴壓室增壓減速后排出噴射器，噴射器出口的氣液兩相工質(zhì)，進入高溫蒸發(fā)器繼續(xù)等壓蒸發(fā)，達到飽和或過熱狀態(tài)后進入壓縮機，至此，完成一個完整的系統(tǒng)。

圖1 分液冷凝噴射-壓縮式熱泵的系統(tǒng)原理

圖2 分液冷凝噴射-壓縮式熱泵T-s圖

相比噴射-壓縮式熱泵，新型系統(tǒng)使用非共沸工質(zhì)，通過選取合適的工質(zhì)組元，可降低系統(tǒng)壓力，同時通過改變高溫冷凝器出口干度，可調(diào)節(jié)工作流體和引射流體的組分，改善工質(zhì)在換熱過程中的溫度匹配，提高系統(tǒng)的性能。

2 熱力學模型

2.1 噴射器模型

噴射器由噴嘴、吸入室、混合室以及擴壓室4部分組成，其噴射過程h-s圖如圖3所示。本文引用CHEN等[16]提出的噴射模型，對系統(tǒng)展開理論分析。針對噴射模型，做出以下假設：1）噴射器內(nèi)流體視為一維穩(wěn)態(tài)流體；2）工作流體在噴嘴入口處、引射流體在吸入室入口處及混合流體在擴壓室出口處的動能可以忽略不計；3）分別用噴嘴中的等熵效率ηn、混合室的等熵效率ηm和擴壓室的等熵效率ηd來計算噴射器內(nèi)的能量損失。

圖3 噴射過程h-s圖

噴射的等熵效率定義為：

式中，h9為噴嘴進口處比焓值，kJ/kg。

由于引射流體在吸入室的流速較低，本文忽略這部分損失，將該過程視為等熵過程。

混合室的等熵效率定義為：

式中，um、uma為混合流體在混合室出口的實際流速和理想流速，m/s。

擴壓室的等熵效率定義為：

噴射器的引射率定義為：

面積比對于引射流體的壓降有重要的影響，是影響噴射器性能的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一[17]。其定義為混合室截面和噴嘴喉部截面的恒定面積比：

根據(jù)所定義的三個區(qū)域的效率，再結(jié)合噴射器內(nèi)的能量、質(zhì)量與動量守恒關(guān)系，可得到噴射器的實際工作參數(shù)。在噴射器效率的取值上，參考已公開的噴射器相關(guān)文獻。噴嘴效率根據(jù)LI等[18]的研究，取ηn=0.7；混合區(qū)效率根據(jù)YU等[19]的研究，取ηm=0.95；擴壓區(qū)效率根據(jù)HE等[20]的研究，取ηd=0.8。

2.2 能量分析

高溫冷凝器的制熱量可表示為：

式中，mt為工作流體和引射流體混合后的質(zhì)量流量，kg/s。

低溫冷凝器的制熱量可表示為：

式中，mp為工作流體的質(zhì)量流量，kg/s。

壓縮機所做的功可表示為：

該系統(tǒng)的COP為：

式中，T0為環(huán)境溫度，℃。

環(huán)境溫度為25 ℃，環(huán)境壓力設為0.101 3 MPa，壓縮機效率為75%。工質(zhì)采用R290/R600a，其總流量為1 kg/s，冷凝水的進水溫度和流量分別為60 ℃和10 g/s，低高溫蒸發(fā)器的進水溫度分別為40 ℃和50 ℃，蒸發(fā)器和冷凝器的窄點溫差分別設定為8 ℃和10 ℃。為了便于分析，噴射器出口、工作流體和引射流體中R290的質(zhì)量分數(shù)分別用MFt、MFp和MFs來表示。

3 結(jié)果討論與分析

3.1 工質(zhì)組分的影響

圖4所示為工質(zhì)組分對系統(tǒng)COP的影響，此時蒸發(fā)溫度為30 ℃，冷凝溫度為70 ℃，分液冷凝干度0.8。由圖4可知，當MFt由10%增至90%時，COP隨之降低，當MFt為10%時，取得最大值7.30；當MFt為90%時，取得最小值6.67。這是因為，高低溫冷凝器制熱負荷比隨工質(zhì)組分增大而減少，噴射器出口壓力增大，壓縮機功耗增大，COP減少。在相同的工況下，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行對比，當MFt為50%時，COP最大可提升53%。

圖4 工質(zhì)組分對COP的影響

圖5所示為噴射器出口工質(zhì)組分對工作流體組分和引射流體組分的影響。由圖5可知，系統(tǒng)中工作流體、引射流體和混合后噴射器出口的工質(zhì)組分并不一致，從大到小依次為MFs、MFt、MFp。例如，當MFt為50%，MFp和MFs分別為53%和39%。這是因為，對于非共沸工質(zhì)，低沸點易揮發(fā)的組元R290在氣相工質(zhì)中占比較大；相反，高沸點難揮發(fā)的組元R600a在液相工質(zhì)中占比較大。

圖5 出口工質(zhì)組分對工作流體和引射流體組分的影響

圖6 工質(zhì)組分對效率和總損失的影響

圖7 工質(zhì)組分對系統(tǒng)各部件損失的影響

圖8 工質(zhì)組分對面積比和引射率的影響

3.2 運行工況的影響

圖9所示為分液冷凝干度對系統(tǒng)的COP的影響。由圖9可知，COP隨x4的增加而增大。這是因為x4增大，工作流體中R290的質(zhì)量分數(shù)增大，低溫冷凝器的制熱量增大。同時，壓縮機入口壓力增大，壓縮機功耗降低，系統(tǒng)的COP增大。

圖9 分液冷凝干度對COP的影響

圖10所示為蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP的影響。由圖10可知，當Te由25 ℃增至40 ℃時，COP隨Te的升高而增大。這是因為，Te增大時，對應的蒸發(fā)壓力隨之升高，而冷凝壓力不變，因此壓縮機壓力降低，COP增大。

圖10 蒸發(fā)溫度對COP的影響

圖11所示為冷凝溫度對系統(tǒng)COP的影響。由圖11可知，當Tc由65 ℃增至80 ℃時，COP隨Tc的增大而減少。這是因為，當Tc增大時，對應的冷凝壓力隨之升高，由于蒸發(fā)壓力保持不變，因此壓縮機壓力增大，COP降低。

圖11 冷凝溫度對COP的影響

4 結(jié)論

本文提出一種新型分液冷凝噴射-壓縮式熱泵，并進行了熱力學分析，分析了工質(zhì)組分以及運行工況對系統(tǒng)性能的影響，并與噴射-壓縮式熱進行了對比，得出如下結(jié)論：

1）工質(zhì)組分對系統(tǒng)性能有很大的影響，當MFt由10%增至90%時，COP隨之減少，并在MFt為10%時，取得最大值7.30；當MFt為50%時，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，COP最大可提升53%；

2）分液冷凝干度、蒸發(fā)溫度以及冷凝溫度對新系統(tǒng)性能的影響較大，COP隨著分液冷凝干度以及蒸發(fā)溫度的升高而提高；COP隨著冷凝溫度的升高而降低；