喷射式大温差换热系统实验研究

张承虎， 林己又， 李亚平， 谭羽非

(1.哈尔滨工业大学 建筑学院，黑龙江哈尔滨150090；2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，黑龙江哈尔滨150090)

1 概述

目前，集中供热领域存在的主要问题包括两方面：供热管网扩容改造与超远距离供热[1-3]。采用重新敷设一级供热管网(以下简称一级网)的传统方法，虽然能够解决上述问题，但投资巨大且费时费力。科研人员已从多个方面对上述问题进行了深入研究[4-5]。其中，大温差供热技术可以在不改变一级网的条件下，通过扩大一级网供回水温差，进而从热源中攫取更多的热量，再由二级供热管网(以下简称二级网)传递至用户。有研究者以溴化锂吸收式热泵为基础，提出了吸收式大温差换热技术[6-7]，并在用户热力站中得到推广。常见的吸收式大温差换热系统，可在一级网供水温度为110 ℃、二级网回水温度为45 ℃的条件下，将一级网回水温度降低至35 ℃，将二级网供水温度提升至60 ℃。即在一级网水和二级网水之间存在温度交叉现象，这是常规换热设备与系统无法实现的热力过程，也是判定大温差换热过程是否实现的重要依据。

吸收式热泵是热力驱动热泵的一种形式，它是以高温热源为驱动力，从低温热源中攫取热量，并向用户提供中温热量的热力设备。然而，吸收式热泵存在着易发生结晶故障、冷剂水污染、负压运行对机组密封性能要求高、设备占地面积大、投资高等问题。与溴化锂吸收式热泵相比，喷射式热泵通常采用R245fa、R141b等单一有机工质，机组正压运行且无结晶问题，同时具有系统结构简单、投资少、占地面积小等优点。若能利用喷射式热泵取代吸收式大温差换热系统中的吸收式热泵，将推动大温差换热技术进一步发展，具有较高研究价值。喷射式大温差换热系统的构建与实验研究在国内外现有研究中鲜有报道。

本文以喷射式热泵为基础，提出喷射式大温差换热系统，并对一级网水总换热量为170 kW级并联型喷射式大温差换热系统样机的启停特性以及额定工况、变工况条件下的热力性能进行实验研究。

2 系统描述

2.1 喷射式大温差换热系统

喷射式大温差换热系统(Ejector heat exchange system with large temperature difference，简称EHE)可应用于现有用户热力站，它是在传统喷射式热泵系统的基础上，通过增设调温换热器，实现一级网与二级网之间的大温差换热过程。喷射式大温差换热系统内的主要设备包括喷射器、节流阀、工质循环泵、储液器、沸腾器、蒸发器、冷凝器和调温换热器等。本文将系统中的沸腾器、蒸发器、冷凝器和调温换热器统称为换热器。当二级网水并联流经冷凝器和调温换热器时，定义为并联型喷射式大温差换热系统；当二级网水依次串联流经冷凝器和调温换热器时，定义为串联型喷射式大温差换热系统。

并联型喷射式大温差换热系统原理见图1。一级网供水来源于集中供热热源，根据“能量对口，梯级利用”的原则，依次在沸腾器、调温换热器和蒸发器内梯级释放热量后，作为一级网回水返回集中供热热源。储液器中的一部分工质经工质循环泵升压后，进入沸腾器内吸热气化，并作为喷射器中的主流流体。储液器中的另一部分液态工质经节流阀降压后，在蒸发器内吸收热量气化，作为喷射器中的二次流体。在主流流体的引射作用下，二次流体进入喷射器，两股流体在喷射器内混合、扩压后，进入冷凝器中冷凝至低温液态，最终返回储液器。二级网回水来源于用户，其中一股二级网回水直接进入冷凝器吸收热量，另一股二级网回水在调温换热器中吸收热量，两股二级网水最终合为一股，作为二级网供水向用户供热。

图1 并联型喷射式大温差换热系统原理

串联型喷射式大温差换热系统原理见图2。有机工质和一级网水在各部件内的工作原理与并联型喷射式大温差换热系统相同。不同点在于二级网回水以串联形式布置，先流经冷凝器，再流经调温换热器，最终作为二级网供水向用户供热。

图2 串联型喷射式大温差换热系统原理

对于以上两种喷射式大温差换热系统而言，由于蒸发器内的一级网回水温度有可能比调温换热器内的二级网供水温度低，因此有可能实现大温差换热。当二级网水采用串联连接形式时，其优点是管路结构简单，但无法通过流量调节的方法对调温换热器和冷凝器之间的换热量进行匹配，变工况适应能力较差。当二级网水采用并联连接形式时，则可以有效解决换热量匹配问题，具有较强的变工况适应能力。因此，本文只详细研究并联型喷射式大温差换热系统。

2.2 数学建模

以能量守恒、质量守恒公式为基础，建立喷射式大温差换热系统的数学模型，并有以下合理假设：

① 忽略系统中的热量损失、压力损失。

② 系统的热力状态为稳态。

③ 换热器内的窄点温差大于3 ℃。

④ 忽略喷射器流体进出口处的动能。

⑤ 喷射器采用修正的等动量混合模型设计[8]。

系统喷射器内的能量守恒过程可按式(1)计算。

hg,outqm,ej,p+he,outqm,ej,s=(qm,ej,p+qm,ej,s)hc,in

(1)

式中hg,out——沸腾器有机工质出口比焓，kJ/kg

qm,ej,p——喷射器主流流体质量流量，kg/s

he,out——蒸发器有机工质出口比焓，kJ/kg

qm,ej,s——喷射器二次流体质量流量，kg/s

hc,in——冷凝器有机工质入口比焓，kJ/kg

喷射器的喷射系数ω可由式(2)表示。

(2)

式中ω——喷射器的喷射系数

沸腾器内包括预热段、沸腾段和过热段，冷凝器内包括预冷段、冷却段和过冷段，蒸发器内包括蒸发段和过热段，调温换热器内为一级网水与二级网水之间的水-水换热过程。同一换热器内的放热介质与吸热介质之间存在能量守恒关系，可由式(3)～(5)统一表示。

Φ=qm,hs(hhs,in-hhs,out)

(3)

Φ=qm,cs(hcs,out-hcs,in)

(4)

Φ=KAΔt

(5)

式中Φ——换热器换热量，kW

qm,hs——换热器放热介质质量流量，kg/s

hhs,in——换热器放热介质进口比焓，kJ/kg

hhs,out——换热器放热介质出口比焓，kJ/kg

qm,cs——换热器吸热介质质量流量，kg/s

hcs,out——换热器吸热介质出口比焓，kJ/kg

hcs,in——换热器吸热介质进口比焓，kJ/kg

K——换热器传热系数，kW/(m2·K)

A——换热器换热面积，m2

Δt——换热器对数传热温差，℃

不论是喷射式大温差换热系统，还是吸收式大温差换热系统，均属于热力驱动热泵，其热力系数定义为热泵制热量与热泵消耗热量之比，由式(6)表示。

(6)

式中ξ——热泵热力系数

Φsup——热泵制热量，kJ

Φcos——热泵消耗热量，kJ

喷射式大温差换热系统中的喷射器是系统能否实现大温差过程的关键设备，本文采用文献[8]中修正后的等动量混合模型进行设计计算。喷射器各段包括：喷嘴、扩散段和混合段。喷射器各段的能量损失、工质泵能量损失、节流阀损失均以等熵效率的形式给出[8]。在不考虑经济约束的条件下，给定换热器进出口冷热流体能够实现的技术可行性端差。上述设计参数的取值见表1。

表1 喷射式大温差换热系统设计参数取值

2.3 有机工质优选

喷射式大温差换热系统的有机工质选择是影响系统热力性能的重要因素之一，其优选原则包括以下几个方面：

① 为了避免有机工质在喷射器中进入两相区，优先选择干工质和等熵工质；

② 有机工质在运行过程中的温度范围应尽量接近标准大气压下的沸点，以减小系统与外界的压力差；

③ 有机工质在运行过程中应低于临界压力与临界温度；

④ 从环保角度出发，工质的全球变暖潜能(GWP)与臭氧消耗潜能(ODP)应尽可能小；

⑤ 综合考虑工质毒性、可燃性、价格等因素。

对喷射式大温差换热系统的有机工质进行优选，编写系统的设计计算程序，并通过工质软件调用有机工质的实测物性参数，对系统热力性能进行数值模拟。初选出的两种有机工质分别为R141b和R236fa。在二级网设计供水温度为55 ℃、二级网设计回水温度为45 ℃、二级网水设计质量流量为3.82 kg/s、一级网供水温度为130 ℃、一级网水质量流量为0.4 kg/s的条件下，以R141b作为有机工质时，可将一级网回水温度降低至33.7 ℃；以R236fa作为有机工质时，可将一级网回水温度降低至33.6 ℃。R141b是一种常见的发泡剂、清洗剂，属于具有较高气化潜热的等熵工质，且环保性能良好，价格相对低廉。因此，本文以R141b作为并联型喷射式大温差换热系统的有机工质，其物性参数见表2。

3 实验样机与结果分析

3.1 喷射式大温差换热系统样机

以图1所示的系统结构为研究对象，在设计参数数值模拟、关键部件优化设计、有机工质优选的基础上，搭建了一级网水总换热量为170 kW级的并联型喷射式大温差换热系统实验样机(以下简称实验样机)。实验样机主要设备包括图1中的全部主要设备，还包括数据测量设备、数据采集系统、各类管道与阀门、一级网水循环系统、二级网水循环系统等。其中，一级网水循环系统和二级网水循环系统不作为本文主要研究内容。在表1设计参数条件下，换热器型号与主要参数见表3，换热器总换热面积为83.48 m2，系统内各换热介质的质量流量与压力参数见表4。采用修正的等动量混合模型设计制造了实验样机中的喷射器，其实物外形见图3，型号为GAJ1.12-0.6/97-0.1/36-0.2/44。工质循环泵选用型号为LH1MH02型的离心泵，额定流量为6 L/min，额定压头为1.5 MPa，配套电动机额定功率为750 W，并设有流量调节阀。工质循环泵采用远程控制方式。采用手动节流膨胀阀作为实验样机中的节流阀。数据测量设备包括：温度测量装置采用PT铂电阻温度传感器，压力测量装置采用高温压力变送器，流量测量装置采用电磁流量计。数据采集系统方面：采用博途V13软件对实验样机数据采集模块(SM-1231-AI)进行编程，数据采集最小时间间隔为1 min。实验样机实物见图4，其中节流阀被遮挡，未在图中标注。

表3 换热器型号与主要参数

表4 各换热介质设计质量流量与压力

图3 喷射器实物外形

图4 喷射式大温差换热系统实验样机实物

3.2 启停特性研究

实验样机能否快速启机与停机是衡量整机性能的重要参数，对实验样机在设计工况下的启停特性进行实验测试研究。实验样机启机流程如下：

① 检查实验样机各处阀门开关情况，检查数据采集系统是否正常工作；

② 检查一级网水、二级网水的主要参数是否满足启机要求；

③ 开启工质循环泵，监测沸腾器内的有机工质压力和过热度；

④ 开启节流阀，喷射器内的引射过程逐渐形成并接近设计工况参数。

图5给出了启机过程中一级网回水温度的变化规律。以开启工质循环泵时刻为启机0时间，在一级网供水温度为110 ℃的条件下，实测一级网回水温度由初始条件的45.09 ℃逐渐降低，15 min后降低至39.81 ℃并维持稳定。

图5 启机过程一级网回水温度变化规律

图6给出了喷射器内介质压力的变化规律。随着节流阀的开启，储液器开始向蒸发器内供液，喷射器内逐渐形成喷射过程。工质循环泵开启13 min左右，喷射器内主流流体、二次流体和混合流体均达到设计工况压力并维持稳定。实验样机启动15 min后，一级网供水温度和喷射器内介质压力均保持稳定，启机过程结束。

图6 启机过程喷射器内介质压力变化规律

实验样机的停机流程如下：

① 关闭节流阀，停止向蒸发器和喷射器内供工质，喷射器内的引射过程将消失；

② 持续10 min后，蒸发压力与喷射器背压不再增加，认为蒸发器内已无有机工质；

③ 关闭工质循环泵，停止向沸腾器内供液，喷射器停止工作；

④ 依次关闭一级网水循环系统、二级网水循环系统、数据采集系统。

以关闭节流阀时刻作为停机0时间，实验样机实测停机时间为15 min。

综上，实验样机的启机与停机均具有较快响应，启停流程简单可靠。

3.3 额定工况性能实验

对实验样机在额定工况条件下的热力性能进行实验研究。额定工况下，启动实验样机至平稳运行状态并维持30 min后，记录此时实测运行参数，见表5。实测一级网供水温度为110.61 ℃、回水温度为39.48 ℃，二级网供水温度为55.38 ℃、回水温度为44.33 ℃，在一级网水和二级网水之间形成了明显的温度交叉现象，能够实现大温差换热过程。实验样机实测一级网水总换热量为179.25 kW，沸腾器换热量38.49 kW，冷凝器换热量66.21 kW，实验样机的热泵热力系数为1.72，单位面积换热量为2.94 kW/m2。

表5 实验样机额定工况运行参数实测值

由于实验样机换热器均采用钎焊板式换热器，在相变过程中存在着介质液位影响换热面积的问题。而在实验样机设计中各换热器均有较大的富余量，最终导致各换热器实测参数与设计参数存在一定偏差。对于实验样机中的喷射器，运行工况下的喷射系数高于设计值，其原因包括两个方面：① 设计工况下的喷射器喷嘴效率95%、扩散段效率85%、混合段效率85%、壁面粗糙高度设定值0.01 mm，这些取值均较为保守；② 由于沸腾器、蒸发器和冷凝器内的运行温度偏离设计温度，导致喷射器各段流体的压力偏离设计值。

3.4 变工况性能试验

在实际运行过程中，一级网供水温度和流量会随着热源、供热管网和其他因素的变化而产生波动。因此，本文研究了变一级网供水温度和变一级网水质量流量对实验样机热力性能的影响规律。

在一级网水质量流量为0.60 kg/s、二级网水质量流量为3.75 kg/s、二级网回水温度为44.33 ℃的条件下，换热介质温度随一级网供水温度的变化规律见图7。在一级网供水温度由100 ℃升高至120 ℃的过程中，一级网回水温度总体呈现下降趋势，二级网供水温度总体呈现升高趋势，温度交叉趋势显著。当一级网供水温度为120 ℃时，一级网回水温度可降低至37.08 ℃，二级网供水温度可以达到61.24 ℃。喷射式大温差换热系统的换热能力随一级网供水温度的升高而显著提升。

图7 换热介质温度随一级网供水温度的变化规律

在二级网水质量流量为3.75 kg/s、二级网回水温度为45 ℃、一级网供水温度为110 ℃的条件下，换热介质温度随一级网水质量流量的变化规律见图8。随着一级网水质量流量的不断增加，一级网回水温度和二级网供水温度均呈现上升趋势。与改变一级网供水温度的情况相比，该工况下一级网回水和二级网供水之间的温差的变化趋势并不明显，但仍在逐渐扩大。

图8 换热介质温度随一级网水质量流量的变化规律

4 结论

为了解决集中供热领域广泛存在的供热管网扩容改造与超远距离供热问题，以喷射式热泵为基础，提出了并联型和串联型两种喷射式大温差换热系统。在数学建模和有机工质优选的基础上，搭建了一级网水总换热量为170 kW级的并联型喷射式大温差换热系统实验样机，对其启停特性以及额定工况和变工况条件下的热力性能进行了实验研究。主要结论如下：

① 并联型系统的变工况适应能力更强。

② 并联型喷射式大温差换热系统启机与停机时间均为15 min，启停流程简单，响应迅速。

③ 在一级网水质量流量为0.60 kg/s、二级网水质量流量为3.75 kg/s、二级网回水温度为44.33 ℃、一级网供水温度为110.61 ℃的额定工况条件下，实验样机可将二级网供水温度提升至55.38 ℃，并将一级网回水温度大幅降低至39.48 ℃，能够实现大温差换热过程。

④ 在一级网水质量流量为0.60 kg/s、二级网水质量流量为3.75 kg/s、二级网回水温度为44.33 ℃的工况条件下，喷射式大温差换热系统的换热能力随一级网供水温度的升高而显著提升。