喷射式制冷系统中制冷剂R141b替代工质的研究

胡鹏荣，陶乐仁，何俊

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

0 引言

喷射式制冷系统是一种热能驱动的制冷循环，它可以利用工业废热、太阳能、地热能等低品位热能驱动。随着全世界能源与环境问题日益严重，利用余热、可再生能源等低温热源的制冷技术，越来越受到关注。喷射式制冷因其无压缩机消耗高品位的能量、运行几乎不需维护、耗电量低、可靠性高等优点，被深入研究[1-2]。

早些年，对喷射式制冷工质的研究主要集中在R11、R12、R113 等[3-5]上，因为该类制冷剂会破坏臭氧层，已经被禁用。随后，DORANTES 等[6-7]研究了R123、R133a、R134a、R141b、R142b、R152a和RC318 等制冷剂，得出R141b 具有较高性能系数（COP）的结论。HUANG 等[8-10]研究了将R141b用于喷射制冷，其工作压力低、系统COP较高，实验工况下可达0.5，并得出了分析喷射器性能的经验公式。张于峰等[11]提出太阳能驱动喷射制冷系统在发生温度80 ℃左右时，采用R134a 可以使喷射系数和喷射制冷系统能效比最大，明显优于其他工质，但是受发生温度的限制。SUN[12]对11 种制冷剂进行试验研究，指出系统采用R152a 作为制冷剂时能够获得较高的COP，但其具有较高的饱和压力，对换热器和管路的承压能力要求高。张博等[13]研究了以R236fa 作为工质，系统COP最大可达到0.35，且R236fa 作为制冷剂的喷射制冷系统具有更好的经济性，并且在大型化制冷系统的设计、加工和制造中具有明显的优势。

目前，R245fa 作为新的环保型替代制冷剂[14]，已经被提出替代R11、R114 和R141b 等中高温制冷剂，制冷剂R245fa 总体性能较好，具有低沸点、低导热性等优点，老化速度比R141b 慢，与多元醇混溶性较好。并且R245fa 在低压冷水机组、高温热泵和有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）余热发电行业的应用具有良好前景[15]。SHESTOPALOV 等[16-17]对R245fa 应用于喷射式制冷机组进行了调查。MAZZELLI 等[18]已经将R245fa运用在了超音速喷射循环系统中。

本文通过REFPROP 9.0 调用参数，对制冷剂R134a、R152a、R142b、R718、R245fa、R141b 和R236fa 进行物理性质的比较，并着重对比分析了R141b 与R245fa 对喷射器喷射系数与系统COP的影响，以便为今后的制冷剂替代工质提供借鉴。

1 建模对象

本文以太阳能喷射式制冷循环为理论分析的基础，装置模型及其T-S 图如图1和图2。

图1 太阳能喷射式制冷原理图

图2 蒸汽喷射循环T-S 图

由图2可知，1→2 是工作流体等熵膨胀过程，2→4 是工作流体进入喷射器混合室，3→4 是引射流体被卷吸进混合室；4→5 为工作流体和引射流体混合后在扩压段的升压过程，5→6 为混合流体的冷凝过程；6→7→3 为制冷剂节流后进入蒸发器，其中，6→7 为制冷剂在膨胀阀中节流，为等焓过程；6→8→1 为循环泵将制冷剂打入发生器中加热过程，其中循环泵将制冷剂打入发生器视为等熵过程。

1.1 系统性能及喷射系数的模型建立

稳态模型的假设：

1）将系统的运行视为稳态运行；

2）不考虑系统中流体在正常流动过程中流动损失与热损失；

3）冷凝器进出口制冷剂状态分别为饱和气与饱和液；

4）蒸发器制冷剂的出口状态为饱和气；

5）假定其蒸发温度、冷凝温度和发生温度均为定值。冷凝温度变化范围30 ℃～50 ℃，蒸发温度变化范围5 ℃～25 ℃，发生温度变化范围70 ℃～120 ℃。

1.2 系统循环性能模型

根据《制冷与低温原理》[19]，《喷射器》[20]中的喷射式制冷循环计算公式对整个喷射式制冷循环过程进行热力计算。利用EES 软件对热泵循环进行性能分析，得出COP随工质种类、蒸发温度、冷凝温度等参数的变化情况。

在蒸发器中的制冷量为：

式中：

qme——被引射流体的质量流量，kg/s；

h3——制冷剂出蒸发器时的比焓，kJ/kg；

h7——制冷剂进蒸发器时的比焓，kJ/kg。

在发生器中的换热量：

式中：

qmg——工作流体的质量流量，kg/s；

h1——工作流体出发生器时的比焓，kJ/kg；

h8——工作流体进发生器时的比焓，kJ/kg。

冷凝器中的换热量：

h5——混合流体进冷凝器时的比焓，kJ/kg；

h6——混合流体出冷凝器时的比焓，kJ/kg。

若不考虑循环泵的耗功和其他热损失，由能量守恒方程可以得到：

由质量守恒方程可以得到：

则喷射式制冷系统COP为：

式中：

μ——喷射系数，μ=qme/qmg。

1.3 喷射器的喷射系数模型

图3为喷射器主要组成构件，在传统的喷射器基础上进行了结构改进，将引射流体进口设置于喷射器长度方向，将工作流体进口布置在喷射器侧壁面上，减少了喷射器引射流体入口处的能量损失，得到更大的喷射系数。

图3 喷射器结构图

陈华等[19]提出对于射流泵可采用一维稳压混合理论。模型假设如下：

1）喷射器内流动是一维稳态的；

2）喷射器内的过程都是等熵过程；

3）喷射器混合段是定压过程；

4）内壁是绝热的，没有热量损失。

在喷嘴处，忽略工作流体入口速度u1，根据能量守恒，出口速度为：

式中：

h1——工作流体入口焓值；

h2——工作流体出口焓值；

u2——工作流体出口速度，m/s；

η1——喷射器喷嘴效率，假定为0.85。

在混合处，忽略引射流体的入口速度，由动量守恒得混合流体平均速度：

式中：

μ——喷射器的喷射系数；

u3——混合流体平均速度，m/s；

u2——工作流体出口速度，m/s；

η2——喷射器混合段效率，假定为0.95。

根据能量守恒，混合气体焓值表示为：

式中：

h3——混合流体混合段焓值；

h4——引射流体焓值。

在扩压段，忽略混合流体在喷射器出口的速度，由能量守恒得出口焓值为：

出口实际焓值为：

式中：

h5——混合流体的焓值；

h6——混合流体扩压段焓值；

η3——喷射器扩压段效率，假定为0.85。

喷射系数μ可以表示为[21]：

1.4 喷射系数模型的计算流程

根据质量守恒、动量守恒及能量守恒定律，喷射器采用一维稳压混合理论计算模型，计算流程如图4所示。

图4 喷射器喷射系数计算流程图

2 制冷剂的选择

选择7 种制冷剂进行分析，如表1所示。利用REFPROP 软件得出饱和压力随发生温度变化图。其中，发生温度指制冷剂在发生器内沸腾的温度。如果选择的制冷剂饱和压力过高，则喷射式制冷系统的管路及设备皆需选用耐高压产品，并且耗功量也增大，能源损失比较大，因此本文优选饱和压力较低的制冷剂。由图5可知，R245fa、R141b 和R718这3 种制冷剂相较于其他4 种制冷剂饱和压力要低，并且GWP 也相对低一些。

用数学模型对7 种制冷剂在蒸发温度为15 ℃、冷凝温度为40 ℃的工况下分别进行计算，比较他们对系统喷射系数与性能参数的影响情况，得到图6与图7。从图中可得，当R718 作为制冷剂时，其喷射系数与性能系数较大，并且随着压力的升高，它的饱和压力变化很小。但由于R718 的压焓图中饱和气相线为负斜率，当喷嘴工作时混合流体为等熵膨胀过程，压力下降，混合流体将变成气水两相，影响喷嘴的效率。R141b 相较于其他5 种制冷剂（除R718 之外），随着温度的增大它的饱和压力变化最小，同时它的喷射系数与性能系数最大，并且饱和气相线为正斜率。

表1 各种替代制冷剂热物理性质

图5 各种制冷剂的饱和压力随发生温度变化图

图6 各种制冷剂的喷射系数随发生温度变化图

图7 各种制冷剂的COP 随发生温度变化图

3 R141b和R245fa系统性能分析

R141b 在喷射式制冷系统中有较高的喷射系数和COP，且饱和压力随发生温度增加较小。选取制冷剂R141b 和R245fa 从冷凝温度与蒸发温度两方面进行比较计算，得出如下结果。

3.1 冷凝温度对喷射系数与性能系数的影响

由图8可以看出R245fa 与R141b 两种制冷剂在发生温度100 ℃、蒸发温度15 ℃下，喷射系数随冷凝温度变化趋势线基本相似，随着冷凝温度从30 ℃升高至50 ℃，喷射系数不断下降，R141b 喷射系数比R245fa 喷射系数略高些，但两者相差的并不大。随着冷凝温度的升高，两者的差值越来越小，差值在0.0065～0.008 变化。

由图9可以看出R245fa 与R141b 两种制冷剂在发生温度100 ℃、蒸发温度15 ℃下，性能系数随冷凝温度变化趋势基本相似，随着冷凝温度的不断升高，两种制冷剂的性能系数不断下降，R141b性能系数比R245fa 性能系数略高些，但两者相差的并不大。随着冷凝温度从30 ℃升高至50 ℃时，两者的差值越来越小，差值在0.0125～0.0325 变化。

图8 发生温度100 ℃时R245fa 与R141b 的喷射系数随 冷凝温度变化

3.2 蒸发温度对喷射系数与性能系数的影响

由图10可以看出R245fa 与R141b 两种制冷剂在发生温度100 ℃、冷凝温度40 ℃下，喷射系数随蒸发温度变化趋势线基本相似，随着蒸发温度从5 ℃升高至25 ℃，喷射系数不断上升，R141b 喷射系数比R245fa 喷射系数略高些，但是两者相差的并不大。随着蒸发温度的不断升高，两者的差值越来越大，差值范围在0.006～0.0095。

由图11可以看出R245fa 与R141b 两种制冷剂在发生温度100 ℃、冷凝温度40 ℃下，性能系数随蒸发温度变化趋势基本相似，随着蒸发温度的不断升高，两种制冷剂的性能系数都是不断上升的，R141b 性能系数比R245fa 性能系数要高些，但两者相差的并不大。随着蒸发温度从5 ℃升高至25 ℃时，两者的差值越来越大，差值范围在0.015～0.03。

图9 发生温度100 ℃时R245fa 与R141b 的COP 随 冷凝温度变化图

图10 发生温度100 ℃时R245fa 与R141b 喷射系数随 蒸发温度变化

图11 发生温度100 ℃时R245fa 与R141b 的COP 随 蒸发温度变化

4 结论

1）水作为制冷剂时，喷射系数与COP是最高的，依次是R141b、R152a、R142b、R245fa、R134a和R236fa。随着发生温度的升高，他们之间的差值越来越大。但水属于湿制冷剂，压焓图中饱和气相线为负斜率，会影响喷嘴喷射效率，不宜采用。

2）在发生温度为100 ℃时，制冷剂R245fa、R141b 的喷射系数和COP与蒸发温度成正比，与冷凝温度成反比，在低蒸发温度或高冷凝温度下，R245fa 替代R141b 较佳。

3）发生温度为100 ℃时，R245fa 的最大COP可达0.5 左右。在蒸发温度一定时，喷射系数两者相差1%以下，两者COP相差4%以下；在冷凝温度一定时，两者喷射系数相差1%以下，COP相差3%以下。