带喷射器直接接触冷凝制冷循环性能研究

宁静红 杨挺然 刘华阳

（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134）

0 引言

随着环境和能源问题的加剧，提高制冷系统的效率，降低其对环境的影响，已成为制冷行业发展的必然趋势［1-3］。制冷系统换热器效率的高低将直接影响系统的性能，提高换热效率是优化系统常用的方法［4-6］。宁静红等［7-10］提出高温蒸气与过冷液直接接触冷凝（DCC）的新型制冷循环。目前，对直接接触凝结换热在制冷系统中的应用研究仍处于理论研究阶段。

已有研究表明，在制冷系统中增设喷射器，能有效提高制冷系统的性能［11-16］。Yan等［11］在常规蒸气压缩制冷系统中增设喷射器，其性能系数平均可提高约19.6%。李敏霞等［12］利用引射器的回收膨胀功，将CO2跨临界制冷系统系统的性能提升40%左右。Wang 等［13］对带喷射器的混合式空调系统进行系统模拟与试验研究，研究结果表明，带喷射器的混合空调系统性能系数比传统的蒸气压缩空调系统要高出约34%。陈光明等［14］对喷射器在制冷系统中的应用进行详细研究。

宁静红等［15］提出一种新型的带喷射器的直接接触制冷循环（EDCC），利用过冷液冷却压缩机进行排气，增设喷射器来回收部分膨胀功，并建立热力学模型进行模拟，研究结果表明，EDCC制冷循环的总体性能要优于复叠式制冷循环和DCC 制冷循环。为进一步探究EDCC 制冷系统的性能，在新型EDCC制冷循环的基础上，建立相应的数学模型，分析蒸发温度、主循环冷凝温度和过冷度对EDCC 制冷系统性能的影响。同时，在相同工况条件下，将EDCC制冷系统的性能与带喷射器蒸气压缩制冷的循环性能进行比较。最后，引入总当量变暖影响（TEWI）参数［16］对EDCC 制冷系统进行环境分析。研究结果可为带喷射器的直接接触冷凝制冷系统的实际应用和性能的提升提供理论参考。

1 循环描述

EDCC 制冷循环的原理图如图1 所示。循环系统由主回路由压缩机、DCC 冷凝器、蒸发器、蒸发过冷器、喷射器、气液分离器和膨胀阀组成。主循环压缩机排出的气体在进入DCC冷凝器后，会与过冷液体直接接触进行凝结换热，气液流体在换热器内混合冷却为饱和液体，然后进入蒸发过冷器内，由辅助循环进行过冷。过冷液分为两部分，一部分进入直接接触式换热器，另一部分作为主流体进入喷射器，吸引蒸发器内的制冷剂蒸气，回收膨胀功。两股流体在喷射器内混合升压，混合升压后的工质进入气液分离器进行气液分离，饱和的制冷剂蒸气进入压缩机，饱和的制冷剂液体经膨胀阀降压后进入蒸发器进行供冷。

图1 EDCC制冷循环原理图

EDCC 制冷循环的温熵图与压焓图如图2、图3所示。由图可知，过冷液（点4）分为两部分，DCC冷凝器入口的制冷剂为过热蒸气和过冷液体（点2 和点4a），出口为饱和液体（点3），过冷液（点4b）和制冷剂蒸气（点8）作为主流体和二次流体进入喷射器，且在喷射器内存在一个压降的过程，两股流体在等面积的混合室内进行混合换热，后经扩压室升压回收部分膨胀功，升压后的制冷剂位于两相区（点11），然后进入气液分离器进行气液分离。EDCC制冷系统的主循环和辅助循环系统通过蒸发过冷器连接在一起。该热交换器可作为辅助循环的蒸发器和主循环的过冷器。在热交换器中，两种不同温区的介质进行换热。

图2 EDCC制冷循环温熵图

图3 EDCC制冷循环压焓图

2 系统建模

2.1 EDCC制冷循环热力模型

根据系统的运行工况，可选定主循环工质为R290、辅助循环工质为R717。采用MATLAB 软件对EDCC 制冷循环进行系统性的编程。为简化计算过程，对循环做出以下假设。①忽略因工质与管道、部件间的摩擦而造成的压力损失。②压缩机的等熵效率系数与压比有关。③蒸发器冷凝器的出口状态为饱和状态。④膨胀阀的节流过程为绝热过程。

EDCC 制冷循环热力的计算表见表1。假定总制冷量为50 kW，通过计算各部件的质量方程与能量方程，得到系统的性能系数，见式（1）。

表1 系统各部件质量方程和能量方程

式中：Q0为制冷量，kW；WM,Com、WA,Com分别为主循环压缩机和辅助循环压缩机消耗的功率。

其中，压缩机的等熵效率与压缩机的压比有关，见式（2）。

式中：η为效率。

在制冷循环中，存在着各种不可逆的过程，通过分析实际循环偏离理想循环的程度，来了解系统各组件损失大小及对系统的影响程度。

式中：E为，J；W为功，kJ。

式中：mi为质量流量，kg/s；s为熵，kJ/K；h为焓，kJ/kg；T为温度，K。

该系统由主循环压缩机、辅助循环压缩机、DCC 冷凝器、蒸发过冷器、膨胀阀、蒸发器和喷射器组成。制冷循环中各个部件的损失计算方式如下。

2.3 环境分析

制冷系统的环境评估常采用总当量变暖影响（TEWI）参数，该参数考虑直接排放当量和间接排放当量。其中，直接排放当量包括制冷剂泄漏和制冷剂的回收额，间接排放量与系统的运行功率及时间有关，见式（16）到式（19）。

式中：mref为制冷剂充注量；Lrate为制冷剂泄漏率（本研究取4%）；Ltime为系统运行寿命（本研究取15 a）；αrecup为制冷剂的回收系数（本研究取70%）；β为CO2的间接排放系数（本研究取0.86 kg/kW·h）；Eannual为年耗电量；Toper为系统平均日运行时间（本研究取16 h）。

该系统的制冷剂主要集中在蒸发器和冷凝器。根据Botticella 等［17］建立的数学模型，制冷剂可分为单相和两相，根据相应公式可对制冷剂的充注量进行估计，见式（20）到式（24）。

式中：ρe为蒸发器内工质的平均密度；ρc为冷凝器内工质的平均密度；ρg为工质饱和液体下的密度；ρl为工质饱和气体下的密度；α为空泡率；s为滑动比；x为干度。

3 结果与讨论

3.1 运行参数对EDCC 系统COP 及效率的影响

图4 蒸发温度对性能系数及效率的影响

图5 主循环冷凝温度对性能系数及效率的影响

3.2 EDCC 制冷循环与蒸气压缩喷射引射制冷循环对比分析

在相同假设及工况条件下，建立带喷射器的蒸汽压缩制冷循环模型，进行热力学计算，并与EDCC制冷系统性能进行对比。蒸发温度对两个系统循环的COP及效率的影响对比如图6 所示。在蒸发温度较低时，EDCC 制冷循环的COP要高于蒸气压缩喷射引射制冷循环。当蒸发温度为-35 ℃时，COP提升约1.57%。随着蒸发温度的升高，两个系统的COP均呈上升趋势，但EDCC 制冷循环的COP提升较慢。当蒸发温度升高到-27 ℃后，EDCC 制冷循环的COP逐渐低于蒸气压缩喷射引射制冷循环。对比效率可知，EDCC 制冷循环的效率要略高于蒸气压缩喷射引射制冷循环的效率。同时，随着蒸发温度的升高，两个循环系统的效率逐渐降低。这是因为随着蒸发的温度提高，各系统的主循环耗功减少，系统的性能系数增大。此外，随着蒸发温度的升高，喷射器的二次流体压降增大，喷嘴入口的焓值增大、流速升高，回收的膨胀功增加，同时由于喷射器的混合温度不变，喷射器主流体的压降不变，回收膨胀功增长速率逐渐降低，性能提升逐渐减弱。随着蒸发温度的继续升高，喷射器出口压力低于蒸发压力，导致喷射器出现回流等现象，不利系统性能的提升。

图6 蒸发温度对系统性能的影响

图7 蒸发温度对系统及部件损失的影响

3.3 EDCC制冷循环的环境分析

在主循环冷凝温度为5 ℃时，不同蒸发温度下的TEWI值如图8、图9 所示。由图8 可知，在EDCC制冷循环中，辅助循环的TEWI值要高于主循环的TEWI值，辅助循环的TEWI值约占系统总TEWI的62%。随着蒸发温度的升高，主循环与辅助循环的TEWI值明显减少，系统总TEWI减少。根据系统对环境产生影响的方式不同，TEWI值可分为直接TEWI和间接TEWI。由图9 可知，直 接TEWI值较小，系统的TEWI几乎全为间接TEWI。由于系统的循环工质全部为自然工质，GWP 较小，直接TEWI影响较小。随着蒸发温度的升高，直接TEWI值逐渐增大，间接TEWI值逐渐减少，蒸发温度升高10 ℃，TEWI降低12%。TEWI值越高，系统对环境产生的不利影响越大。因此，可通过优化辅助循环和提高蒸发温度来降低系统TEWI值。

图8 蒸发温度对系统TWEI的影响

图9 蒸发温度对直接和间接TEWI的影响

4 结论

本研究对带喷射器的直接接触冷凝制冷系统进行热力学模拟分析，同时与带喷射器蒸气压缩制冷循环的热力性能进行比较，并引入总当量变暖影响（TEWI）参数，分析EDCC制冷系统的环境性。通过对EDCC系统进行性能、环境分析，得出以下结论。

①蒸发温度、主循环冷凝温度和过冷度对系统COP和效率均有显著影响。其中，蒸发温度越高，系统的COP越高，蒸发温度升高10 ℃，该系统的性能提高15%，而系统的效率随蒸发温度的升而高降低。系统的COP与效率均随主循环冷凝温度的升高而呈现上升趋势。过冷度越高，系统的耗能增加，系统的COP和效率均降低。

②在低温工况下，EDCC 制冷循环的系统COP要优于带喷射器蒸汽压缩制冷循环。随着蒸发温度的升高，EDCC 制冷循环系统的性能优势逐渐降低。EDCC制冷循环全工况下的效率要高于带喷射器蒸气压缩制冷循环损失也相对较少。

③在EDCC 制冷循环中，辅助循环TEWI约占系统总TEWI的62%，间接TEWI约占系统总TEWI的99%以上。优化辅助循环和提高蒸发温度有利于提高系统的环境友好性。