带回热两级喷射制冷循环的特性分析

周秋丽 宣永梅 陈光明 高 能 张荣涛



带回热两级喷射制冷循环的特性分析

周秋丽1,2宣永梅2陈光明2高 能2张荣涛2

（1.西安工程大学 西安 710048;2.浙江大学宁波理工学院 宁波 315100）

为了提高喷射制冷系统的性能系数，建立了双热源驱动的带回热两级喷射制冷循环的理论计算模型。以纯工质R236fa为研究对象，讨论回热对单工质两级喷射制冷系统性能的影响，并与传统单级喷射系统性能进行比较。最后利用㶲分析比较传统单级系统和新型两级喷射系统的㶲损情况。研究结果表明，在相同工况下，当系统采用单工质时，加回热的系统性能更优，系统的性能系数可以提高约15%～20%，相对于传统的单级系统可以提高50%以上，其㶲效率相对传统单级喷射系统更具明显优势。

两级；喷射制冷；回热器；性能系数

0 引言

喷射制冷可利用低品位热源驱动，具有设备简单、可靠以及成本低等优点，成为近几年研究的热点，但同时存在效率不高的问题，一般来说，喷射制冷系统的仅为0.2～0.5[1]。为了提高喷射制冷系统的性能，1990年，Sokolov[2]等提出了增压式喷射制冷系统，增压式喷射制冷系统与一般喷射系统相比增加了一个增压器，从蒸发器出来的冷蒸汽先在增压器中进行压缩，再进入喷射器进行压缩，进而提高了喷射器的引射压力，从而提高喷射器的喷射系数，提高系统的性能。Butrymowicz[3]等在传统喷射式制冷系统中引入回热器，利用喷射器出来的过热气体来预热循环泵出口的制冷工质，实验结果表明，新系统的相对传统喷射制冷系统可以提高20%。陈华[4]等提出了一种新型喷射制冷循环，该循环系统和传统的喷射制冷系统相比较是在喷射器和冷凝器之间增加了一个液体—气体射流泵，通过射流泵降低喷射器的背压，进而提高喷射器的系数，改善循环性能。卢苇[5]等提出了自然工质两级喷射器组合中间压力的分配，建立了两级喷射器制冷系统和两级喷射器组合的理论分析模型，探讨不同工况下最佳分配比与总压缩比和膨胀比的关系，结果表明，膨胀比一定时，最佳分配比随总压缩比的增大先增大，然后减少，最后又逐渐增大，膨胀比对最佳分配比有一定的影响，但受总压缩比的取值影响。刘成炎[6]等为了提高喷射制冷系统的制冷系数，提出了双流体喷射制冷系统，该系统采用非共沸混合工质，即在高沸点工质中添加低沸点工质，利用非共沸工质的变温蒸发和冷凝特性来提高喷射制冷系统的性能，研究结果表明，相对传统的喷射制冷系统来说，新系统的性能可以提高28%～65%。

基于以上研究成果，为了解决传统喷射制冷系统不高的问题，本文提出了带回热两级喷射制冷循环，利用回热器预热降低进入发生器的负荷，以提高双热源驱动的两级喷射制冷循环系统的性能系数。本文选取R236fa为工质，探讨有回热和无回热两级循环系统制冷系数随蒸发温度的变化，并与传统单级循环系统比较，最后通过㶲分析比较传统单级喷射系统、新型两级喷射系统㶲损情况。

1 带回热两级喷射系统理论模型

1.1 系统循环原理

如图1所示，两级喷射制冷系统是由两个不同温度的热源驱动，高温发生器是由较高品位的热源驱动，低温发生器是由较低品位的热源驱动。制冷剂在高、低温发生器中吸热后成为工作气体，在出口处达到饱和状态，高温发生器出口的工作流体进入低压喷射器后引射来自蒸发器出口的制冷剂蒸汽，两股流体在喷射器中混合后达到中间压力，被来自低温发生器的工作流体引射后在高压喷射器中混合升压，高压喷射器出口的混合气体通过回热器被来自冷凝器出口的流体冷却，冷却后的制冷剂进入冷凝器，在冷凝器中放热，制冷剂经过冷凝器冷凝后出来分为两股，其中一股通过循环泵加压，经过回热器吸热，最后进入高、低温发生器，另一股通过节流阀节流后回到蒸发器吸热产生制冷效果[7]。

图1 带回热两级喷射制冷循环图

1.2 喷射器计算模型

采用气体动力学函数法，参照文献[8]计算喷射系数，计算过程中喷射器模型假设条件如下：

（1）制冷工质在喷射器中的流动为一维稳态过程；

（2）工质在喷射器中膨胀、压缩以及混合工程为非等熵绝热过程；

（3）喷射器内工质在混合段混合过程为等压过程，并遵循能量守恒、动量守恒和质量守恒定律。

基于以上假设，其喷射系数表示如下：

其中：

3、4因其喷射器混合室结构的不同，其表达式也不同，高压级设计压缩比较低采用带圆柱形混合室的结构形式，低压级压比较高采用带锥形混合室喷射器结构形式。具体详图和公式参照文献[10]。

在2-2截面上引射流体的折算质量速度的计算以高压级圆柱形混合室气体喷射器示意图为例：

图2 高压级圆柱形混合室气体喷射器示意图

喷射系数计算流程图如图3所示。

图3 喷射系数计算流程图

1.3 系统计算模型

基于以上提到的喷射器计算方法，两级喷射制冷循环遵循质量守恒、能量守恒。系统工质选用R236fa，进行如下假设，对整个循环进行热力计算。

（1）系统在运行过程处于稳定运行状态；

（2）蒸发器、冷凝器、发生器出口的流体均为饱和状态；

（3）工质在管路流动过程其热损和压损均忽略不计；

（4）工质在节流阀中为等焓过程，在回热器中质量流量不变。

计算系统性能系数（Coefficient of Performance,）时，考虑循环泵功通常只有发生器吸热量的1%以下，忽略不计。

2 计算结果与讨论

基于以上建立的热力学理论模型，采用EES（Engineering Equation Solver）软件，由已知条件计算系统中各状态点参数，根据公式（11）、（12）计算系统稳定运行中计低温热源的和不计低温热源的。然后通过㶲分析比较传统单级喷射系统、新型两级喷射系统的㶲损情况。

2.1 回热对系统COP的影响

已知纯工质R236fa系统中，蒸发温度的变化范围为-14～5℃，高温发生器的温度为100℃，低温发生器的温度为70℃，冷凝温度为25℃。从图4中可以看到随着蒸发温度的增加，两级喷射制冷系统性能系数均都随之增加。这是因为随着蒸发温度的增加，低压级喷射器的引射比提高，因此随之升高。但是加回热的系统性能系数要高于不加回热的，特别是当不考虑低温热源热量时加回热的性能系数更高，这是因为加回热器后进入高、低温发生器的温度升高，发生器的负荷降低，当蒸发器的负荷不发生变化时，系统的性能系数提高。这表明回热可提高两级喷射制冷系统性能，相对不加回热的可以提高约15%～20%。

图4 回热对两级喷射制冷系统COP的影响

2.2 回热器冷端温差对发生器负荷的影响

图5为回热器冷端温差的变化对高低温发生器热负荷的影响，从图中可以看出，随着回热器冷端温差的增加，高低温发生器的热负荷都随之降低，这是因为随回热器冷端温差的升高，进入高低温发生器的温度也随之升高，高低温发生器的负荷进而降低，这表明增加回热器温差可以减少高低温热源的热负荷，提高整个系统的制冷性能。

图5 回热器冷端温差对高、低温发生器负荷的影响

2.3 与传统单级循环系统性能比较

图6为两级喷射制冷系统性能系数（加回热’，无回热’’）与单级系统性能系数（）随蒸发温度的变化，从图6可见，在不考虑低温热源热量时，两级喷射制冷系统的性能系数均高于单级系统，加回热的两级喷射制冷系统的性能系数更优，在计算蒸发温度范围内，其性能系数比单级提高约50%以上。

图6 新型两级喷射制冷系统和传统单级对比（加回热COP’，无回热COP’’，单级COP）

3 系统㶲损分析

在此基础上，通过㶲分析方法计算单工质单级系统、单工质两级系统内部与外部的㶲损，进而对系统㶲的有效利用情况做出评价，其具体的计算方法参照文献[9-10]。

当各个系统的制冷量均为0.5kW时，各个系统的高温发生温度为100℃，低温发生温度为70℃，蒸发温度为5℃，冷凝温度为35℃时，计算得到系统中各个设备的㶲损情况，见表1，其中和分别为计低温热源和不计低温热源时系统的性能。

由表1可知，传统两级喷射系统计低温热源时，其系统的性能比单级喷射系统要低，这是因为新型双热源两级喷射系统中，发生器设备的㶲损相对其他设备的㶲损要高，其总的㶲损势必比单级喷射系统要高，因此，当考虑低温热源时，两级喷射系统的低于单级系统，但双热源两级喷射系统的㶲效率高于单级喷射系统，若可获得免费的低温热源，当系统性能系数计算时可不考虑低温热源时，双热源两级喷射系统性能系数’要高于单级喷射系统。在相同外部条件下，带回热两级喷射系统相对来说具有明显的优势，其㶲效率高于传统喷射制冷循环系统。

表1 各系统㶲损比较（制冷量0.5kW）

4 结论

采用纯工质R236fa作为带回热两级喷射制冷系统的工质，基于热力学第一定律和热力学第二定律对新型带回热两级喷射制冷系统进行热力学理论分析，其分析结果如下：

（1）在给定计算工况下，带回热两级喷射系统相对不带回热的系统性能可以提高约15%～20%，相对单级系统可以提高50%以上。

（2）在加回热的两级喷射制冷系统中，随着回热器冷端温差的增加，高、低温发生器的负荷随之降低，因此增加一定的回热器冷端温差对系统来说是有利的。

（3）通过㶲分析比较可以看出，在考虑低温热源时，新型双热源两级喷射制冷系统的性能比传统单级系统低，但两级喷射系统的㶲效率要高于传统单级喷射系统，特别是加回热后的两级喷射系统更具明显优势。

[1] 王菲.新型双喷射制冷系统关键影响因素及性能研究[D].大连:大连理工大学,2010.

[2] Sokolov M, Hershgal D. Enhanced ejector refrigeration cycles powered by low grade heat. Part 2. Design procedures[J]. International Journal of Refrigeration, 1990,13(6):357-363.

[3] D Butrymowicz, K Mierciew, J Karwacki. Investigation of internal heat transfer in ejection refrigeration systems[J]. International Journal of Refrigeration, 2014,40:131-139.

[4] 陈华,鱼剑琳,任云峰,等.一种新型喷射制冷循环的理论分析[J].西安交通大学学报,2005,39(11):1215-1218.

[5] 卢苇,陈汉,刘纪云,等.自然工质两级喷射器组合中间压力分配[J].热科学与技术,2016,15(4):259-265.

[6] 刘成炎,闫继位,陈琪,等.双流体喷射制冷循环系统理论研究[J].低温工程,2016,(3):11-16.

[7] 陈少杰.双热源两级喷射式制冷系统的理论与实验研究[D].杭州:浙江大学,2015.

[8] 索科洛夫 E R,津格尔HM.喷射器[M].黄秋云（译）.北京:科学出版社,1977.

[9] 解西敏.低温余热二元非共沸混合工质喷射式发电制冷系统优化研究[D].重庆:重庆大学,2016.

[10] 赵冠春,钱立伦.㶲分析及其应用[M].北京:高等教育出版社,1984:78-79.

Performance Analysis on Two-stage Ejection Refrigeration System with Internal Heat Exchanger

Zhou Qiuli1,2Xuan Yongmei1Chen Guangming2Gao Neng2Zhang Rongtao2

( 1.Xian Polytechnic University, Xian, 710048; 2.Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo, 315100 )

In order to improve theof ejector refrigeration system, a theoretical calculation model of two-stage ejector refrigeration system with internal heat exchanger driven by two heat sources is built. R236fa is chosen as working substance to study the influence of internal heat transfer on system performance, which is compared with that of traditional single-stage ejection refrigeration system. Finally, exergy analysis is performed to compare the exergy loss of pure refrigeration single-stage system and pure refrigerant two-stage ejector system. Research results indicate that under the same working condition, by adding internal heat exchanger, the performance of pure substance eject refrigeration system can be enhance by 15% ～20%, which is more than 50% higher than that of traditional single-stage system, which exergy efficiency compared to conventional single-stage ejector system more obvious advantage.

Two-stage; ejector refrigeration; heat exchanger;

TB66/TB61+8

A

国家自然科学项目（51276171）；西安工程大学研究生创新基金资助项目（CX201708）

周秋丽（1991-），女，在读硕士研究生，E-mail：956283868@qq.com

宣永梅（1977-），女，博士，教授，E-mail：xymhb@sohu.com

2017-11-01

1671-6612（2018）05-502-06