带喷射器直接接触冷凝制冷循环性能研究_宁静红.pdf

电气与信息工程河南科技Henan Science and Technology总第799期第5期2023年3月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）摘要：【目的目的】探究带喷射器直接接触冷凝制冷循环（EDCC）制冷系统的性能，为提高制冷系统的能效提供参考。【方法方法】本研究采用总当量变暖影响（TEWI）参数对该系统进行环境分析，讨论影响系统性能的因素，并与蒸气压缩喷射引射制冷循环的性能进行对比。【结果结果】EDCC制冷循环的COP及效率受蒸发温度、主循环冷凝温度的影响。在-27 以下，EDCC循环的COP比带喷射器蒸气的压缩制冷循环性能提高约1.57%，效率在全工况下优于带喷射器蒸气压缩制冷循环。辅助循环对系统效率和环境性能影响较大，辅助循环中冷凝器的损失最大，直接接触冷凝器和主循环膨胀阀损失较少。【结论结论】EDCC制冷循环具有良好的系统性能、效率和环境友好度。关键词：直接接触冷凝；环境中图分类号：TB66文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）05-0005-06DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.05.001Study on Direct Contact Condensing Refrigeration Cycle with EjectorNING JinghongYANG TingranLIU Huayang(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China)Abstract:Purposes In order to improve the energy efficiency of the refrigeration system,the performance of the refrigeration system with ejector direct contact condensation refrigeration cycle(EDCC)was investigated.Methods In this study the total equivalent warming impact(TEWI)parameters wereused to analyze the environment of the system.The factors affecting the performance of the system werediscussed and compared with the performance of the vapor compression ejector refrigeration cycle.Findings The COP and efficiency of the EDCC refrigeration cycle are affected by the evaporation temperature and the condensation temperature of the main cycle.Under-27,the COP of the EDCC cycle isabout 1.57%higher than that of the compression refrigeration cycle with ejector vapor,and the exergy efficiency is better than that of the compression refrigeration cycle with ejector vapor under all operating conditions.The auxiliary cycle has a great influence on the economic and environmental performance of thesystem.The loss of the condenser in the auxiliary cycle is the largest,and the loss of the direct contact condenser and the main cycle expansion valve is less.Conclusions The EDCC refrigeration cycle has goodsystem performance,high exergy efficiency and is eco-friendly.Keywords:direct contact condensation;exergy;environment0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，对直收稿日期：2022-10-31作者简介：宁静红（1964），女，博士，教授，研究方向：制冷系统节能与优化。6第5期宁静红，等.带喷射器直接接触冷凝制冷循环性能研究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。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1EDCC制冷循环原理图图2EDCC制冷循环温熵图压缩机节流阀节流阀主循环压缩机直接接触冷凝器蒸发过冷器空气分离器喷射器冷凝器蒸发器17611181421359 104b154a41232TOS910587111612132R29015R7174314图3EDCC制冷循环压焓图PO1434R71715R290213126111785109h第5期7宁静红，等.带喷射器直接接触冷凝制冷循环性能研究2系统建模2.1EDCC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。忽略因工质与管道、部件间的摩擦而造成的压力损失。压缩机的等熵效率系数与压比有关。蒸发器冷凝器的出口状态为饱和状态。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）。COP=Q0WM,Com+WA,Com（1）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）。i=0.934 3-0.044 78|ppe（2）式中：为效率。2.2分析在制冷循环中，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。在稳定连续流动的系统中，的平衡方程见式（3）。Ex,dest=E?x,in-E?x,out+|Q?()1-T0Tin-|Q?()1-T0Tout+W?in-W?out（3）式中：E为，J；W为功，kJ。流动的流体所具有的可称为焓，系统中每个循环点的焓计算公式见式（4）。E?=m?ihi-h0-T0()si-s0（4）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。主循环压缩机的损失计算公式见式（5）。E?xdest,M,Com=m?1()h1-T0s1-()h2-T0s2+W?m,Com,el（5）辅助循环压缩机的损失计算公式见式（6）。E?xdest,A,Com=m?A()h12-T0s12-()h13-T0s13+W?A,Com,el（6）DCC冷凝器的损失计算公式见式（7）。E?xdest,DCC=m?2()h2-T0s2+m?4a()h4a-T0s4a-()m?2+m?4a()h3-T0s3（7）过冷蒸发器的损失计算公式见式（8）。E?xdest,CHX=m?3()h3-T0s3-()h4-T0s4+m?A()h15-T0s15-()h12-T0s12（8）假定节流过程为绝热的，节流阀的损失计算公式见式（9）、式（10）。E?xdest,EV1=m?6T0()s6-s7（9）E?xdest,EV2=m?AT0()s14-s15（10）EDCC 制冷循环蒸发器的损失计算公式见式（11）。E?xdest,Eva=m?7()h7-T0s7-()h8-T0s8+|Q0|1-T0Troom（11）辅助循环冷凝器的损失计算公式见式（12）。E?xdest,Con=m?13()h13-T0s13-()h14-T0s14-|Qk|1-T0TCon（12）根据假设，喷射器与周围环境之间没有热量交换，损失的计算公式见式（13）。表1系统各部件质量方程和能量方程部件DCC冷凝器级间过冷器节流阀蒸发器主循环压缩机辅助循环压缩机冷凝器喷射器质量方程m2+m4a=m3m3=m4m12=m15=mAm6=m7m14=m15m7=m8m1=m