帶噴射器直接接觸冷凝制冷循環性能研究

寧靜紅 楊挺然 劉華陽

（天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134）

0 引言

隨著環境和能源問題的加劇，提高制冷系統的效率，降低其對環境的影響，已成為制冷行業發展的必然趨勢［1-3］。制冷系統換熱器效率的高低將直接影響系統的性能，提高換熱效率是優化系統常用的方法［4-6］。寧靜紅等［7-10］提出高溫蒸氣與過冷液直接接觸冷凝（DCC）的新型制冷循環。目前，對直接接觸凝結換熱在制冷系統中的應用研究仍處于理論研究階段。

已有研究表明，在制冷系統中增設噴射器，能有效提高制冷系統的性能［11-16］。Yan等［11］在常規蒸氣壓縮制冷系統中增設噴射器，其性能系數平均可提高約19.6%。李敏霞等［12］利用引射器的回收膨脹功，將CO2跨臨界制冷系統系統的性能提升40%左右。Wang 等［13］對帶噴射器的混合式空調系統進行系統模擬與試驗研究，研究結果表明，帶噴射器的混合空調系統性能系數比傳統的蒸氣壓縮空調系統要高出約34%。陳光明等［14］對噴射器在制冷系統中的應用進行詳細研究。

寧靜紅等［15］提出一種新型的帶噴射器的直接接觸制冷循環（EDCC），利用過冷液冷卻壓縮機進行排氣，增設噴射器來回收部分膨脹功，并建立熱力學模型進行模擬，研究結果表明，EDCC制冷循環的總體性能要優于復疊式制冷循環和DCC 制冷循環。為進一步探究EDCC 制冷系統的性能，在新型EDCC制冷循環的基礎上，建立相應的數學模型，分析蒸發溫度、主循環冷凝溫度和過冷度對EDCC 制冷系統性能的影響。同時，在相同工況條件下，將EDCC制冷系統的性能與帶噴射器蒸氣壓縮制冷的循環性能進行比較。最后，引入總當量變暖影響（TEWI）參數［16］對EDCC 制冷系統進行環境分析。研究結果可為帶噴射器的直接接觸冷凝制冷系統的實際應用和性能的提升提供理論參考。

1 循環描述

EDCC 制冷循環的原理圖如圖1 所示。循環系統由主回路由壓縮機、DCC 冷凝器、蒸發器、蒸發過冷器、噴射器、氣液分離器和膨脹閥組成。主循環壓縮機排出的氣體在進入DCC冷凝器后，會與過冷液體直接接觸進行凝結換熱，氣液流體在換熱器內混合冷卻為飽和液體，然后進入蒸發過冷器內，由輔助循環進行過冷。過冷液分為兩部分，一部分進入直接接觸式換熱器，另一部分作為主流體進入噴射器，吸引蒸發器內的制冷劑蒸氣，回收膨脹功。兩股流體在噴射器內混合升壓，混合升壓后的工質進入氣液分離器進行氣液分離，飽和的制冷劑蒸氣進入壓縮機，飽和的制冷劑液體經膨脹閥降壓后進入蒸發器進行供冷。

圖1 EDCC制冷循環原理圖

EDCC 制冷循環的溫熵圖與壓焓圖如圖2、圖3所示。由圖可知，過冷液（點4）分為兩部分，DCC冷凝器入口的制冷劑為過熱蒸氣和過冷液體（點2 和點4a），出口為飽和液體（點3），過冷液（點4b）和制冷劑蒸氣（點8）作為主流體和二次流體進入噴射器，且在噴射器內存在一個壓降的過程，兩股流體在等面積的混合室內進行混合換熱，后經擴壓室升壓回收部分膨脹功，升壓后的制冷劑位于兩相區（點11），然后進入氣液分離器進行氣液分離。EDCC制冷系統的主循環和輔助循環系統通過蒸發過冷器連接在一起。該熱交換器可作為輔助循環的蒸發器和主循環的過冷器。在熱交換器中，兩種不同溫區的介質進行換熱。

圖2 EDCC制冷循環溫熵圖

圖3 EDCC制冷循環壓焓圖

2 系統建模

2.1 EDCC制冷循環熱力模型

根據系統的運行工況，可選定主循環工質為R290、輔助循環工質為R717。采用MATLAB 軟件對EDCC 制冷循環進行系統性的編程。為簡化計算過程，對循環做出以下假設。①忽略因工質與管道、部件間的摩擦而造成的壓力損失。②壓縮機的等熵效率系數與壓比有關。③蒸發器冷凝器的出口狀態為飽和狀態。④膨脹閥的節流過程為絕熱過程。

EDCC 制冷循環熱力的計算表見表1。假定總制冷量為50 kW，通過計算各部件的質量方程與能量方程，得到系統的性能系數，見式（1）。

表1 系統各部件質量方程和能量方程

式中：Q0為制冷量，kW；WM,Com、WA,Com分別為主循環壓縮機和輔助循環壓縮機消耗的功率。

其中，壓縮機的等熵效率與壓縮機的壓比有關，見式（2）。

式中：η為效率。

在制冷循環中，存在著各種不可逆的過程，通過分析實際循環偏離理想循環的程度，來了解系統各組件損失大小及對系統的影響程度。

式中：E為，J；W為功，kJ。

式中：mi為質量流量，kg/s；s為熵，kJ/K；h為焓，kJ/kg；T為溫度，K。

該系統由主循環壓縮機、輔助循環壓縮機、DCC 冷凝器、蒸發過冷器、膨脹閥、蒸發器和噴射器組成。制冷循環中各個部件的損失計算方式如下。

2.3 環境分析

制冷系統的環境評估常采用總當量變暖影響（TEWI）參數，該參數考慮直接排放當量和間接排放當量。其中，直接排放當量包括制冷劑泄漏和制冷劑的回收額，間接排放量與系統的運行功率及時間有關，見式（16）到式（19）。

式中：mref為制冷劑充注量；Lrate為制冷劑泄漏率（本研究取4%）；Ltime為系統運行壽命（本研究取15 a）；αrecup為制冷劑的回收系數（本研究取70%）；β為CO2的間接排放系數（本研究取0.86 kg/kW·h）；Eannual為年耗電量；Toper為系統平均日運行時間（本研究取16 h）。

該系統的制冷劑主要集中在蒸發器和冷凝器。根據Botticella 等［17］建立的數學模型，制冷劑可分為單相和兩相，根據相應公式可對制冷劑的充注量進行估計，見式（20）到式（24）。

式中：ρe為蒸發器內工質的平均密度；ρc為冷凝器內工質的平均密度；ρg為工質飽和液體下的密度；ρl為工質飽和氣體下的密度；α為空泡率；s為滑動比；x為干度。

3 結果與討論

3.1 運行參數對EDCC 系統COP 及效率的影響

圖4 蒸發溫度對性能系數及效率的影響

圖5 主循環冷凝溫度對性能系數及效率的影響

3.2 EDCC 制冷循環與蒸氣壓縮噴射引射制冷循環對比分析

在相同假設及工況條件下，建立帶噴射器的蒸汽壓縮制冷循環模型，進行熱力學計算，并與EDCC制冷系統性能進行對比。蒸發溫度對兩個系統循環的COP及效率的影響對比如圖6 所示。在蒸發溫度較低時，EDCC 制冷循環的COP要高于蒸氣壓縮噴射引射制冷循環。當蒸發溫度為-35 ℃時，COP提升約1.57%。隨著蒸發溫度的升高，兩個系統的COP均呈上升趨勢，但EDCC 制冷循環的COP提升較慢。當蒸發溫度升高到-27 ℃后，EDCC 制冷循環的COP逐漸低于蒸氣壓縮噴射引射制冷循環。對比效率可知，EDCC 制冷循環的效率要略高于蒸氣壓縮噴射引射制冷循環的效率。同時，隨著蒸發溫度的升高，兩個循環系統的效率逐漸降低。這是因為隨著蒸發的溫度提高，各系統的主循環耗功減少，系統的性能系數增大。此外，隨著蒸發溫度的升高，噴射器的二次流體壓降增大，噴嘴入口的焓值增大、流速升高，回收的膨脹功增加，同時由于噴射器的混合溫度不變，噴射器主流體的壓降不變，回收膨脹功增長速率逐漸降低，性能提升逐漸減弱。隨著蒸發溫度的繼續升高，噴射器出口壓力低于蒸發壓力，導致噴射器出現回流等現象，不利系統性能的提升。

圖6 蒸發溫度對系統性能的影響

圖7 蒸發溫度對系統及部件損失的影響

3.3 EDCC制冷循環的環境分析

在主循環冷凝溫度為5 ℃時，不同蒸發溫度下的TEWI值如圖8、圖9 所示。由圖8 可知，在EDCC制冷循環中，輔助循環的TEWI值要高于主循環的TEWI值，輔助循環的TEWI值約占系統總TEWI的62%。隨著蒸發溫度的升高，主循環與輔助循環的TEWI值明顯減少，系統總TEWI減少。根據系統對環境產生影響的方式不同，TEWI值可分為直接TEWI和間接TEWI。由圖9 可知，直 接TEWI值較小，系統的TEWI幾乎全為間接TEWI。由于系統的循環工質全部為自然工質，GWP 較小，直接TEWI影響較小。隨著蒸發溫度的升高，直接TEWI值逐漸增大，間接TEWI值逐漸減少，蒸發溫度升高10 ℃，TEWI降低12%。TEWI值越高，系統對環境產生的不利影響越大。因此，可通過優化輔助循環和提高蒸發溫度來降低系統TEWI值。

圖8 蒸發溫度對系統TWEI的影響

圖9 蒸發溫度對直接和間接TEWI的影響

4 結論

本研究對帶噴射器的直接接觸冷凝制冷系統進行熱力學模擬分析，同時與帶噴射器蒸氣壓縮制冷循環的熱力性能進行比較，并引入總當量變暖影響（TEWI）參數，分析EDCC制冷系統的環境性。通過對EDCC系統進行性能、環境分析，得出以下結論。

①蒸發溫度、主循環冷凝溫度和過冷度對系統COP和效率均有顯著影響。其中，蒸發溫度越高，系統的COP越高，蒸發溫度升高10 ℃，該系統的性能提高15%，而系統的效率隨蒸發溫度的升而高降低。系統的COP與效率均隨主循環冷凝溫度的升高而呈現上升趨勢。過冷度越高，系統的耗能增加，系統的COP和效率均降低。

②在低溫工況下，EDCC 制冷循環的系統COP要優于帶噴射器蒸汽壓縮制冷循環。隨著蒸發溫度的升高，EDCC 制冷循環系統的性能優勢逐漸降低。EDCC制冷循環全工況下的效率要高于帶噴射器蒸氣壓縮制冷循環損失也相對較少。

③在EDCC 制冷循環中，輔助循環TEWI約占系統總TEWI的62%，間接TEWI約占系統總TEWI的99%以上。優化輔助循環和提高蒸發溫度有利于提高系統的環境友好性。