馬娟麗 劉昌海 侯 予

(1西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049)

(2西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049)

術(shù) 語(yǔ)

COP——性能系數(shù)

h——比焓，(kJ/kg)

p——壓力，(MPa)

T——溫度，K

w——比功，(kJ/kg)

x——干度

y——冷流體制冷份額

Q0——制冷量

ε——換熱器效率

η——等熵效率(%)

S——比熵，(kJ/kg·K)

μ——噴射系數(shù)

下標(biāo):

com——壓縮機(jī)

gas——?dú)怏w冷卻器

eva——蒸發(fā)器

vor——渦流管

des——降溫器

noz——噴嘴

int——中間冷卻器

0——環(huán)境

v——膨脹閥

sep、exp、eje——分離器、膨脹機(jī)、噴射器

r——目標(biāo)溫度

c——壓縮機(jī)輸入

e——膨脹機(jī)回收

water——降溫器進(jìn)口水

1 引 言

現(xiàn)代社會(huì)中廣泛使用的制冷空調(diào)和熱泵系統(tǒng)，由于本身耗能和傳統(tǒng)制冷劑(CFCs)對(duì)環(huán)境的破壞，系統(tǒng)的節(jié)能和制冷劑的替代成為工程熱物理學(xué)科的前沿課題。在蒸氣壓縮式制冷與熱泵循環(huán)中，工質(zhì)的熱物性對(duì)循環(huán)有著重要作用?？梢哉f(shuō)制冷與熱泵技術(shù)的進(jìn)展就是循環(huán)裝置的完善與工質(zhì)的更新。制冷劑的替代也由僅要求無(wú)臭氧層破壞到同時(shí)滿(mǎn)足臭氧層保護(hù)和阻止全球變暖的雙重要求上來(lái)［1］?？紤]環(huán)境的長(zhǎng)期安全性，應(yīng)盡量避免使用那些最終會(huì)排放到生物圈中并影響生態(tài)平衡的非自然工質(zhì)，重新起用自然工質(zhì)是一種非常安全的選擇。從工質(zhì)利用的歷史來(lái)看，人類(lèi)最初使用的是自然工質(zhì)，如SO2、CO2等，隨著科技的進(jìn)步，制造出了CFC、HCFC等合成工質(zhì)，提高了循環(huán)性能，卻造成了人們?cè)搭A(yù)料到的環(huán)境問(wèn)題，于是人們又把目光重新投到自然工質(zhì)上來(lái)。自然工質(zhì)被前國(guó)際制冷學(xué)會(huì)主席G.Lorentzen稱(chēng)為解決環(huán)境問(wèn)題的最終方案［2］。美國(guó)、德國(guó)、挪威等國(guó)家學(xué)術(shù)研究和商業(yè)推廣齊頭并進(jìn)，中國(guó)學(xué)者近年來(lái)也開(kāi)始自然工質(zhì)的研究［3］。由于氟里昂制冷劑對(duì)大氣臭氧層有污染，根據(jù)蒙特利爾協(xié)議，要限制和逐步禁止使用CFCs工質(zhì)，而替代制冷劑的溫室效應(yīng)也不能忽視，因此應(yīng)用綠色天然工質(zhì)的需求越來(lái)越迫切。跨臨界CO2循環(huán)是氟利昂制冷劑替換研究中的一個(gè)重要方向［4］。由于CO2具有理想的環(huán)保特性，加之其很低的成本(不到R134a的5%)，容易獲得且不需回收等優(yōu)點(diǎn)，成為理想的自然工質(zhì)。目前，CO2在部分制冷空調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域(包括汽車(chē)空調(diào)、熱水熱泵、低溫復(fù)疊制冷等)具有非常好的發(fā)展前景［5］。

與傳統(tǒng)制冷劑相比，因?yàn)镃O2工質(zhì)的臨界溫度常常低于空調(diào)和熱泵的排熱壓力，空調(diào)和熱泵系統(tǒng)一般都采用跨臨界蒸汽壓縮循環(huán)。然而，跨臨界CO2循環(huán)的最大缺點(diǎn)是膨脹閥巨大能量損失所導(dǎo)致的COP較低。一般可通過(guò)兩級(jí)壓縮、回?zé)峒夹g(shù)以及用其它膨脹設(shè)備代替節(jié)流閥等措施來(lái)提高CO2循環(huán)的效率，替代節(jié)流閥的常用膨脹設(shè)備有:膨脹機(jī)、噴射器和渦流管等。文獻(xiàn)［6］比較了采用不同膨脹設(shè)備的跨臨界CO2循環(huán)，文中推薦使用膨脹機(jī)和渦流管回收膨脹損失。應(yīng)用熱力學(xué)第二定律分析制冷循環(huán)的主要目的是為了指導(dǎo)能量的有效利用［7－8］。文獻(xiàn)［9］比較了渦流管、透平膨脹機(jī)及節(jié)流閥3種膨脹設(shè)備的不可逆損失。文獻(xiàn)［10－18］分別對(duì)跨臨界 CO2基本循環(huán)、膨脹機(jī)循環(huán)、噴射器循環(huán)和CO2兩級(jí)循環(huán)進(jìn)行了不可逆損失分析。

本文運(yùn)用熱力學(xué)第一定律和第二定律對(duì)跨臨界CO2空調(diào)工況下的基本循環(huán)、膨脹機(jī)循環(huán)、噴射器循環(huán)和渦流管循環(huán)進(jìn)行分析，比較了各循環(huán)性能系數(shù)，給出了循環(huán)各部件的損失，為跨臨界CO2循環(huán)的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

2 跨臨界CO2制冷循環(huán)

2.1 節(jié)流閥基本循環(huán)

圖1為跨臨界CO2節(jié)流閥基本循環(huán)的系統(tǒng)圖，狀態(tài)點(diǎn)2的高壓CO2工質(zhì)從壓縮機(jī)出來(lái)后，經(jīng)氣體冷卻器放熱后進(jìn)入節(jié)流閥膨脹。不同于傳統(tǒng)的亞臨界循環(huán)，工質(zhì)在氣體冷卻器中的放熱過(guò)程處于超臨界區(qū)域，而不再是兩相區(qū)。放熱過(guò)程中，工質(zhì)的溫度變化相當(dāng)大，除了氣體冷卻器的壓力，冷卻器出口溫度對(duì)循環(huán)COP的影響也很大。對(duì)于自然工質(zhì)CO2循環(huán)中，工質(zhì)由超臨界狀態(tài)膨脹到兩相區(qū)，循環(huán)的節(jié)流閥損失遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)循環(huán)的節(jié)流閥損失，由于循環(huán)參數(shù)和物性特點(diǎn)，循環(huán)效率明顯低于傳統(tǒng)氟利昂制冷系統(tǒng)10%—50%。

圖1 節(jié)流閥基本循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.1 Layout of carbon dioxide transcritical cycle with throttling valve

2.2 膨脹機(jī)循環(huán)

通過(guò)膨脹機(jī)代替節(jié)流閥來(lái)回收膨脹功是提高CO2循環(huán)的最直接方法。對(duì)CO2跨臨界循環(huán)來(lái)說(shuō)，由于其循環(huán)壓力高，雖然膨脹比小(2—4)，但是膨脹功大(占?jí)嚎s功的25%—30%)，采用膨脹機(jī)替代節(jié)流閥后其循環(huán)效率提高的幅度遠(yuǎn)高于常規(guī)工質(zhì)。圖2是帶膨脹機(jī)的跨臨界CO2制冷循環(huán)的系統(tǒng)，其中膨脹機(jī)可回收一部分功以減少壓縮機(jī)輸入功?；厥展r(shí)，帶膨脹機(jī)的跨臨界CO2制冷循環(huán)COP比基本節(jié)流閥循環(huán)要增加29.4%—35.3%［19］。

2.3 噴射器循環(huán)

使用噴射器代替節(jié)流閥也是提高CO2基本循環(huán)COP的有效方法，通過(guò)改變噴射器噴嘴的喉部截面積可控制冷卻器壓力，簡(jiǎn)化氣體冷卻器壓力控制的過(guò)程。圖3表示噴射循環(huán)的系統(tǒng)，狀態(tài)點(diǎn)3的超臨界制冷劑離氣體冷卻器進(jìn)入噴射器后，在噴嘴中膨脹降壓，制冷劑的流速迅速增大;同時(shí)狀態(tài)點(diǎn)7的制冷劑也進(jìn)入噴射器，兩部分流體在混合段混合，并經(jīng)噴射器中的擴(kuò)散噴管段流出噴射器。

圖2 膨脹機(jī)循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.2 Layout of carbon dioxide cycle with expander

圖3 噴射循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.3 Layout of carbon dioxide cycle with ejector

2.4 渦流管循環(huán)

渦流管沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件，流體進(jìn)入渦流管后可膨脹分離成熱流體和冷流體兩部分，只要渦流管進(jìn)出口有足夠大的壓差，流體膨脹后就可產(chǎn)生冷流體和熱流體。采用渦流管的CO2循環(huán)有兩種類(lèi)型，一種基于Maurer模型，另一循環(huán)基于Keller模型。圖4是Maurer模型的系統(tǒng)圖，在渦流管中，超臨界流體從冷卻壓力膨脹到蒸發(fā)壓力并分為3部分:飽和液體(點(diǎn)4)、飽和氣體(點(diǎn)C)和過(guò)熱氣體(點(diǎn)H)。飽和液體與飽和氣體混合(點(diǎn)6)后流入蒸發(fā)器制冷。過(guò)熱氣體經(jīng)換熱器(降溫器)冷卻至狀態(tài)點(diǎn)5與流出蒸發(fā)器的氣體(點(diǎn)7)混合后(點(diǎn)1)流入壓縮機(jī)。圖5是Keller模型的系統(tǒng)圖，制冷劑經(jīng)中間換熱器從狀態(tài)點(diǎn)3冷卻至狀態(tài)點(diǎn)4，然后節(jié)流閥膨脹至中間壓力，流入氣液分離器分為兩部分:飽和氣體(點(diǎn)8)與飽和液體(點(diǎn)5)。飽和氣體經(jīng)中間換熱器加熱至狀態(tài)點(diǎn)9，經(jīng)渦流管膨脹后分為兩部分:冷氣體(點(diǎn)C)和熱氣體(點(diǎn)H)。熱氣體經(jīng)降溫器冷卻至狀態(tài)點(diǎn)10然后與渦流管的出流冷氣體混合，然后再與蒸發(fā)器的出口氣體(點(diǎn)7)混合后(點(diǎn)1)流入壓縮機(jī)。

圖4 Maurer模型系統(tǒng)圖Fig.4 Layout of carbon dioxide cycle with vortex tube for Maurer model

圖5 Keller模型系統(tǒng)圖Fig.5 Layout of carbon dioxide cycle with vortex tube for Keller model

3 熱力學(xué)分析

3.1 能量分析

跨臨界CO2循環(huán)的COP均可由下式計(jì)算:

若循環(huán)中壓縮機(jī)的質(zhì)量流量為1 kg/s，則壓縮機(jī)、氣體冷卻器、膨脹閥和蒸發(fā)器的計(jì)算公式為:

若循環(huán)中壓縮機(jī)的質(zhì)量流量為1 kg/s，噴射器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥的計(jì)算公式為:

壓縮機(jī)的質(zhì)量流量為1 kg/s，則蒸發(fā)器、降溫器和渦流管損失的計(jì)算公式為:

壓縮機(jī)的質(zhì)量流量為1 kg/s，蒸發(fā)器、膨脹閥1、膨脹閥2、降溫器、中間冷卻器和渦流管損失的計(jì)算公式為:

3.3 參數(shù)確定

［20－21］并考慮到研究對(duì)象為空調(diào)工況，確定循環(huán)中主要設(shè)備的效率和運(yùn)行參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 分析計(jì)算所使用的參數(shù)條件Table 1 Parameters used in simulation

基于以上條件，本文使用Fortran語(yǔ)言編程確定跨臨界CO2幾種循環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，其中CO2物性通過(guò)調(diào)用NIST數(shù)據(jù)庫(kù)得到。

4 性能計(jì)算

圖6表示 y=0.5，T3=313.15 K，pgas=10.0 MPa，Twater=300.15 K，Tr=278.15 K，Te=278.15 K，pint=5.7 MPa，Q0=15 kW 時(shí)，各循環(huán)COP和總損失的關(guān)系。從圖中可以看出，膨脹機(jī)循環(huán)的COP遠(yuǎn)大于其它跨臨界CO2循環(huán)，其次為噴射循環(huán)和渦流管循環(huán)。循環(huán)的總損失與COP大小相反，減少循環(huán)的總損失可提高循環(huán)的COP。膨脹機(jī)循環(huán)的COP遠(yuǎn)大于其它循環(huán)，其值比基本循環(huán)大32.2%，比Maurer模型大27.7%，比Keller循環(huán)大30.8%，比噴射器循環(huán)大24.9%。膨脹機(jī)循環(huán)壓縮機(jī)比功小于基本循環(huán)，單位質(zhì)量制冷量大于基本循環(huán)，故其COP大于基本循環(huán)。渦流管循環(huán)的壓縮機(jī)比功大于基本循環(huán)的壓縮機(jī)比功，但兩個(gè)循環(huán)制冷量相同時(shí)，渦流管循環(huán)中的壓縮機(jī)質(zhì)量流量小于基本循環(huán)壓縮機(jī)質(zhì)量流量;兩個(gè)因素作用的結(jié)果使制冷量一定時(shí)，渦流管循環(huán)所需的壓縮機(jī)輸入功小于基本循環(huán)的壓縮機(jī)輸入功，渦流管循環(huán)的COP大于基本循環(huán)。對(duì)噴射器循環(huán)，循環(huán)的壓縮機(jī)比功小于基本循環(huán)的壓縮機(jī)比功，但制冷量與基本循環(huán)相同時(shí)，循環(huán)中的壓縮機(jī)質(zhì)量流量大于基本循環(huán)壓縮機(jī)質(zhì)量流量;兩個(gè)因素作用的結(jié)果使制冷量一定時(shí)，噴射器循環(huán)所需的壓縮機(jī)輸入功也小于基本循環(huán)的壓縮機(jī)輸入功，噴射器循環(huán)的COP大于基本循環(huán)。

圖6 循環(huán)COP和總損失比較Fig.6 COP and total exergy losses of cycles

圖7 表示 y=0.5，T3=313.15 K，pgas=10.0 MPa，Twater=300.15K，Tr=278.15 K，Te=278.15 K，pint=5.7 MPa，Q0=15 kW時(shí)，5個(gè)循環(huán)各部件的損失占循環(huán)總損失的百分比。圖中可見(jiàn)，膨脹機(jī)循環(huán)的壓縮機(jī)損失占總損失的34%，其它循環(huán)壓縮機(jī)損失占總損失的26%左右。膨脹機(jī)循環(huán)的氣體冷卻器損失占總損失的40%以上，其它循環(huán)的其它冷卻器損失占總損失的30%到35%之間?；狙h(huán)中的節(jié)流閥、Maurer循環(huán)中的渦流管，噴射循環(huán)中的噴射器等膨脹設(shè)備的損失，占到總損失的35%左右，Keller模型中，雖然渦流管的膨脹損失較小，不到6%，但是兩個(gè)節(jié)流閥分擔(dān)了該循環(huán)所需的膨脹，兩個(gè)節(jié)流閥損失較大，膨脹設(shè)備也占到總損失的32%，膨脹機(jī)循環(huán)中膨脹機(jī)的損失只占了總損失的17%，大約是其它幾個(gè)膨脹設(shè)備的1/2。

圖7 循環(huán)各部件損失百分比Fig.7 Component exergy loss as percentage for cycles

5 結(jié) 論

運(yùn)用熱力學(xué)第一定律和第二定律對(duì)典型空調(diào)工況下跨臨界CO2基本循環(huán)、膨脹機(jī)循環(huán)、噴射器循環(huán)和渦流管循環(huán)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:

(1)膨脹機(jī)循環(huán)的COP遠(yuǎn)大于其它跨臨界CO2循環(huán)，其次為噴射器循環(huán)和渦流管循環(huán)，膨脹閥基本循環(huán)的COP最小。膨脹機(jī)循環(huán)的COP比基本循環(huán)大32.2%，但跨臨界CO2用膨脹機(jī)目前的問(wèn)題是成本費(fèi)用高、技術(shù)研發(fā)挑戰(zhàn)較大。

(3)采用膨脹機(jī)、噴射器和渦流管等膨脹設(shè)備代替基本循環(huán)中的節(jié)流閥后，由于這些膨脹設(shè)備的損失小于基本循環(huán)節(jié)流閥的損失，同時(shí)循環(huán)中壓縮機(jī)的損失小于基本循環(huán)的壓縮機(jī)損失，從而減小了循環(huán)總損失，提高了COP。

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