非共沸分液冷凝喷射-压缩式热泵系统热力学分析

管可立，沈安祥，杨乐，金苏敏，杨兴洋*,

（1-南京工业大学能源科学与工程学院，江苏南京 2118162；2-双良集团有限公司，江苏江阴 214400）

0 引言

传统蒸气压缩式热泵系统中，节流过程会导致一定的节流损失[1-5]。KOMRNHAUSER[6]提出在蒸气压缩式系统中加入喷射器，以回收部分节流损失，提高压缩机入口压力，减少压缩机耗功，提升系统的性能。CHUA等[7]对喷射-压缩式热泵和蒸气压缩式热泵进行了性能对比分析。结果表明，喷射-压缩式热泵性能可提升21%。YAN等[8]对喷射-压缩式热泵系统进行了热力学分析，并与压缩式热泵进行了性能对比。结果表明，热泵的性能系数（Coefficient of Performance，COP）、制热量以及热量输出分别提升了15.3%、38.1%和52.8%。

工质的选择对于喷射-压缩式热泵系统的性能有着重要影响。非共沸工质相比纯工质，在相变过程中具备温度滑移的特性，可改善在换热过程中的温度匹配，提高换热器的效率，以提升系统性能。杨为为等[9]采用13种非共沸工质，对热泵系统进行了热力学分析。结果表明，采用R161/R245fa时，COP达到最大值4.27，相比R152a、R161和RC270，COP分别提升了27.5%、27.1%和23.7%。JU等[10]采用非共沸工质对热泵系统进行了热力学分析。结果表明，当R1233zd(E)/R1270的组分配比为16%/84%时，热泵性能达到最佳，且与R22和R134a相比，COP提升分别了2.13%和10.14%。

有学者认为冷凝过程中利用分液冷凝的方法可以提高热力系统的性能[11-12]。LUO等[13]基于非共沸工质，提出了一种分液冷凝有机朗肯系统。在该系统中，工质在冷凝器中冷凝到一定干度进行气液分离，液体直接进入蒸发器，气体则继续冷凝，完全冷凝后再进入蒸发器。相比传统的有机朗肯系统，该新型系统通过分液冷凝的方法，有效提高了换热系数，从而提升系统的性能；同时，通过调整分液冷凝干度可调节液相和气相的工质组分[14-15]。

在此基础上，本文提出了基于非共沸工质的分液冷凝喷射-压缩式热泵系统，并对系统进行热力学分析；分析了工质组分以及运行工况对系统性能的影响以及系统各部件的损情况，最后与传统喷射-压缩式热泵的性能进行了对比。

1 分液冷凝喷射-压缩式热泵

图1所示为分液冷凝喷射-压缩式热泵的系统原理。图2所示为分液冷凝喷射-压缩式热泵T-s图。该系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、气液分离器、喷射器和节流阀组成。从压缩机出来的高温高压气态工质在高温冷凝器中进行冷凝，冷凝到一定干度时，进入气液分离器实现气液分离，图2中4点为气液分离点，液体进入节流阀，节流后进入低温蒸发器，完全蒸发后作为引射流体进入喷射器吸入室；剩余的气体，进入低温冷凝器继续冷凝，完全冷凝后作为工作流体进入喷射器喷嘴。工作流体在喷嘴的作用下速度增大、且压力降低，引射低温蒸发器出口的引射流体进入引射室，二者在等压混合室混合后，经过扩压室增压减速后排出喷射器，喷射器出口的气液两相工质，进入高温蒸发器继续等压蒸发，达到饱和或过热状态后进入压缩机，至此，完成一个完整的系统。

图1 分液冷凝喷射-压缩式热泵的系统原理

图2 分液冷凝喷射-压缩式热泵T-s图

相比喷射-压缩式热泵，新型系统使用非共沸工质，通过选取合适的工质组元，可降低系统压力，同时通过改变高温冷凝器出口干度，可调节工作流体和引射流体的组分，改善工质在换热过程中的温度匹配，提高系统的性能。

2 热力学模型

2.1 喷射器模型

喷射器由喷嘴、吸入室、混合室以及扩压室4部分组成，其喷射过程h-s图如图3所示。本文引用CHEN等[16]提出的喷射模型，对系统展开理论分析。针对喷射模型，做出以下假设：1）喷射器内流体视为一维稳态流体；2）工作流体在喷嘴入口处、引射流体在吸入室入口处及混合流体在扩压室出口处的动能可以忽略不计；3）分别用喷嘴中的等熵效率ηn、混合室的等熵效率ηm和扩压室的等熵效率ηd来计算喷射器内的能量损失。

图3 喷射过程h-s图

喷射的等熵效率定义为：

式中，h9为喷嘴进口处比焓值，kJ/kg。

由于引射流体在吸入室的流速较低，本文忽略这部分损失，将该过程视为等熵过程。

混合室的等熵效率定义为：

式中，um、uma为混合流体在混合室出口的实际流速和理想流速，m/s。

扩压室的等熵效率定义为：

喷射器的引射率定义为：

面积比对于引射流体的压降有重要的影响，是影响喷射器性能的重要结构参数之一[17]。其定义为混合室截面和喷嘴喉部截面的恒定面积比：

根据所定义的三个区域的效率，再结合喷射器内的能量、质量与动量守恒关系，可得到喷射器的实际工作参数。在喷射器效率的取值上，参考已公开的喷射器相关文献。喷嘴效率根据LI等[18]的研究，取ηn=0.7；混合区效率根据YU等[19]的研究，取ηm=0.95；扩压区效率根据HE等[20]的研究，取ηd=0.8。

2.2 能量分析

高温冷凝器的制热量可表示为：

式中，mt为工作流体和引射流体混合后的质量流量，kg/s。

低温冷凝器的制热量可表示为：

式中，mp为工作流体的质量流量，kg/s。

压缩机所做的功可表示为：

该系统的COP为：

式中，T0为环境温度，℃。

环境温度为25 ℃，环境压力设为0.101 3 MPa，压缩机效率为75%。工质采用R290/R600a，其总流量为1 kg/s，冷凝水的进水温度和流量分别为60 ℃和10 g/s，低高温蒸发器的进水温度分别为40 ℃和50 ℃，蒸发器和冷凝器的窄点温差分别设定为8 ℃和10 ℃。为了便于分析，喷射器出口、工作流体和引射流体中R290的质量分数分别用MFt、MFp和MFs来表示。

3 结果讨论与分析

3.1 工质组分的影响

图4所示为工质组分对系统COP的影响，此时蒸发温度为30 ℃，冷凝温度为70 ℃，分液冷凝干度0.8。由图4可知，当MFt由10%增至90%时，COP随之降低，当MFt为10%时，取得最大值7.30；当MFt为90%时，取得最小值6.67。这是因为，高低温冷凝器制热负荷比随工质组分增大而减少，喷射器出口压力增大，压缩机功耗增大，COP减少。在相同的工况下，与传统系统进行对比，当MFt为50%时，COP最大可提升53%。

图4 工质组分对COP的影响

图5所示为喷射器出口工质组分对工作流体组分和引射流体组分的影响。由图5可知，系统中工作流体、引射流体和混合后喷射器出口的工质组分并不一致，从大到小依次为MFs、MFt、MFp。例如，当MFt为50%，MFp和MFs分别为53%和39%。这是因为，对于非共沸工质，低沸点易挥发的组元R290在气相工质中占比较大；相反，高沸点难挥发的组元R600a在液相工质中占比较大。

图5 出口工质组分对工作流体和引射流体组分的影响

图6 工质组分对效率和总损失的影响

图7 工质组分对系统各部件损失的影响

图8 工质组分对面积比和引射率的影响

3.2 运行工况的影响

图9所示为分液冷凝干度对系统的COP的影响。由图9可知，COP随x4的增加而增大。这是因为x4增大，工作流体中R290的质量分数增大，低温冷凝器的制热量增大。同时，压缩机入口压力增大，压缩机功耗降低，系统的COP增大。

图9 分液冷凝干度对COP的影响

图10所示为蒸发温度对系统COP的影响。由图10可知，当Te由25 ℃增至40 ℃时，COP随Te的升高而增大。这是因为，Te增大时，对应的蒸发压力随之升高，而冷凝压力不变，因此压缩机压力降低，COP增大。

图10 蒸发温度对COP的影响

图11所示为冷凝温度对系统COP的影响。由图11可知，当Tc由65 ℃增至80 ℃时，COP随Tc的增大而减少。这是因为，当Tc增大时，对应的冷凝压力随之升高，由于蒸发压力保持不变，因此压缩机压力增大，COP降低。

图11 冷凝温度对COP的影响

4 结论

本文提出一种新型分液冷凝喷射-压缩式热泵，并进行了热力学分析，分析了工质组分以及运行工况对系统性能的影响，并与喷射-压缩式热进行了对比，得出如下结论：

1）工质组分对系统性能有很大的影响，当MFt由10%增至90%时，COP随之减少，并在MFt为10%时，取得最大值7.30；当MFt为50%时，与传统系统相比，COP最大可提升53%；

2）分液冷凝干度、蒸发温度以及冷凝温度对新系统性能的影响较大，COP随着分液冷凝干度以及蒸发温度的升高而提高；COP随着冷凝温度的升高而降低；