（制冷及低温工程专业论文）新型蒸汽压缩喷射制冷循环系统研究.pdf

上海海事大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活水平的提高，空调的使用日益广泛，建筑能耗也不断增加，能源问 题日益突出。节能已成为“十一五”期间的重要任务，其核心目标是在“十一五”期 间单位国内生产总值能耗降低2 0 。与此同时，大量使用机械压缩式制冷系统带来电 能消耗、环境污染问题也向人类可持续发展提出了挑战。因此，制冷设备的节能对“十 一五”节能目标的实现有着巨大的现实意义和深远的历史意义。 本文采用喷射器部分取代常规压缩式制冷系统中的节流装置，冷凝后的高压制冷 剂通过喷射器来引射蒸发器中的蒸发的制冷剂蒸汽，从而回收部分制冷剂膨胀能，提 高压缩机入口的压力。喷射器通过降低节流阀的入口压力，从而降低膨胀过程的节流 损失，最终提高了系统的能效率和炯效率。本文主要研究内容如下： 首先，本文介绍了常规蒸汽压缩式制冷装置的炯分析，分析此装置进行炯分析的 必要性和减少炯损失的途径，并介绍了装置中各部件的炯损失数学模型。 接着，本文着重对新型压缩喷射制冷系统进行了分析研究，建立了针对该系统 的物理模型、数学模型，并对系统进行分析，计算工质包括r 1 2 、r 2 2 、r 1 3 4 a 、r 4 0 7 c 、 r 4 0 4 a 、r 4 1 0 a 等。讨论了不同制冷剂、不同工况和喷射系数对系统性能参数的影响。 结果表明：对于各种制冷剂，蒸发温度升高时，系统占增大：冷凝温度降低时，系统s 增大；喷射系数升高，系统s 现增大后减小。对于r 4 1 0 a 来说，系统工况最佳为冷凝 温度4 5 ，蒸发温度为5 ，喷射系数为0 3 左右。 最后，本文从系统的能效率( 占) 、炯效率两个方面比较了新型压缩喷射制冷系 统和常规压缩式制冷系统的性能。结果表明：在本文研究工况下，新制冷循环的c o p 最大值比常规制冷循环提高了大约2 0 ，而煳效率大约提高了2 3 ，并得出喷射器在 冷凝器温度较高的场合和低温冷水机组或冰蓄冷场合能发挥较大的效果。 关键词：喷射器，喷射系数，能效率，炯效率，压缩喷射制冷系统 上海海事大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p m v e m e n to fs t a n d a r do fl i v i n g 。a i r - c o n d i t i o n e rh a sb e e nm o r e a n dm o r ep o p u l a r i z e d ，b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nw i l lc o n t i n u et oi n c r e a s e ， w h i c hm a k e se n e r g yi s s u e sm o r ep r o m i n e n t a tt h ee l e v e nf i v e - y e a rp e r i o d ， e n e r g ys a v i n gh a sa l r e a d yb e c o m eas i g n i f i c a n t t a s k i t sac o r eo b j e c t w et o d e c r e a s ee n e r g yc o n s u m eo fg r o s sd o m e s t i cp r o d u c tp e ru n i tt op e r c e n tt w e n t y a t t h es a m et i m e ，m e c h a n i c a lc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t o r sc o n s u m eab i gq u a n t i t yo f e l e c t r i cp o w e ra n di n d i r e c t l ym a k et h ep o l l u t i o np r o b l e ms e v e r ，w h i c hb r i n gf o r w a r d ag r e a tc h a l l e n g et ot h eh u m a n ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t w i t hr e g a r dt o i m p l e m e n t a t i o no fo b j e c t i v eo fe n e r g ys a v i n g ，e n e r g ys a v i n g o f r e f r i g e r a t i n g e q u i p m e n th a se n o r m o u sr e a l i s t i ca n dh i s t o r i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h ep a p e r ，t h ee j e c t o rp a r t l ys u b s t i t u t a sat h r o t t l ed e v i c e h i g h p r e s s r e f r i g e r a n t si n j e c tr e f r i g e r a n t o fe v a p o r a t o rv i ae j e c t o r ，w h i c hr e c o v e r sp a r t l y e x p a n s i o ne n e r g y o fr e f r i g e r a n t sa n di n c r e a s ep r e s s u r eo fc o m p r e s s o re n t r y a tt h e s a m et i m e 。e j e c t o rd e c r e a s e sp r e s s u r eo ft h r o t t l ev a l v ee n t r yt od e c r e a s et h r o t t l e l o s s ，w h i c hu l t i m a t e l y i n c r e a s ee n e r g ye f f i c i e n c ya n de x e r g ye f f i c i e n c yo f r e f r i g e r a t i o ns y s t e m t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nr e s e a r c h e dc o n t e n t s ： f i r s t l y ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e s e x e r g ya n a l y s i s c o n v e n t i o n a l v a p o u r c o m p r e s s i o no fc o n v e n t i o n a lv a p o u rc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m i ta n a l y z e s n e c e s s i t yo fs y s t e m se x e r g ya n da p p r o a c hd e c r e a s i n ge x e r g yl o s s t h i sp a p e r a l s oi n t r o d u c em a t h e m a t i c a lm o d u l eo fe x e r g yl o s so fu n i t c o m p o n e n t s e c o n d l y 。i n t h e p a p e r ，t h es t u d y o ft h e p e r f o r m a n c e o fn e w c o m p r e s s i o n - e j e c tr e f r i g e r a t i o ns y s t e m i sc a r r i e d o u t p h y s i c a l m o d e la n d m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h i ss y s t e ma r ee s t a b l i s h e d ，w h i c hu s e sv a r i o u s r e f r i g e r a n t si n c l u d i n gr 1 2 、r 2 2 、r 13 4 a 、r 4 0 7 c 、r 4 0 4 aa n dr 4 0 4 ae t c t h ee f f e c t o fd i f f e r e n tr e f r i g e r a n t 、o p e r a t i n gc o n d i t i o na n de j e c t i n gc o e f f i c i e n ti sd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o pr i s e sw i t ht h ei n c r e a s i n ge v a p o r a t o rt e m p e r a t u r e a n dd e c r e a s i n go fc o n d e n s a t et a m p e r a t u r e ，b u tt h ec o pi n c r e a s e sa tf i r s t ，a n d t h e nr e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s eo fe j i e c t i n gc o e f f i c i e n t f o rr 4 1o a 。t h eb e t t e r o p e r a t i n gc o n d i t i o ni sac o n d e n s e rt e m p e r a t u r e3 0 ，ae v a p o r a t o rt e m p e r a t u r e ，a e j e c t i n gc o e f f i c i e n tt e m p e r a t u r eo rs o0 3 上海海事大学硕上学位论文 u l t i m a t e l y ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wc o m p r e s s i o n e j e c tr e f r i g e r a t i o n s y s t e ma n dt h ec o n v e n t i o n a lv a p o u rc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mi sc o m p a r e d i nt w oa s p e c t so fe n e r g ye f f i c i e n c ya n de x e r g ye f f i c i e n c y i tw a sf o u n dt h a tf o rt h e w o r k i n g c o n d i t i o ni nt h e p a p e r ，t h em a x i m u m i n c r e a s eo fc o po fn e w c o m p r e s s i o n - e j e c tr e f r i g e r a t i o ns y s t e mi su pt oo r s o2 0 0 l oc o m p a r i n gw i t h c o n v e n t i o n a lv a p o u rc o m p r e s s i o nr e f d g e r a t i o ns y s t e ma n de x e r g ye f f i c i e n c yi su p t oo rs o2 3 c o m p a r i n gw i t hc o n v e n t i o n a lv a p o u rc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m i ti sf o u n dt h a te j e c t o rc a nb r i n gi n t op l a yag r e a te f f e c ti nt h eh i g h e rc o n d e n s i n g t e m p e r a t u r eo c c a s i o na n dc r y o g e n i c sw a t e rc h i l l e ro c c a s i o no ri c et h e r m a ls t o r a g e w a n gf e i ( r e f d g e r a t i o na n dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yr e s e a r c hs c h o l a rs u nw e n z h e k e y w o r d s ；e j e c t o r ，e j e c t i n gc o e f f i c i e n t ，e n e r g ye f f i c i e n c y ，e x e r g ye f f i c i e n c y c o m p r e s s i o n e j e c tr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 论文独创性说明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注何致谢外，不包含其他人或其他机构已经发表 或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所作的贡献均已在论 文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：兰：壁 论文使用授权声明 日期：幽：龟f ， 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：冰 导师签名弘盟甄 日期：巡亟! ：多 上海海事大学硕上学位论文 第一章绪论 十大重点节能工程是节能中长期专项规划的重要内容，已纳入国民经济和 社会发展第十一个五年规划纲要，是实现“十一五”单位g d p 能耗降低2 0 左右目 标的一项重要的工程技术措施。大纲所称节能技术是指：提高能源开发利用效率 和效益、减少对环境影响、遏制能源资源浪费的技术。应包括能源资源优化开发利用 技术，单项节能改造技术与节能技术的系统集成，节能型的生产工艺、高性能用能设 备、可直接或间接减少能源消耗的新材料开发应用技术，以及节约能源、提高用能效 率的管理技术等。由此可知，节能已成为“十一五”期间的重要任务。制冷( 热泵) 设备是广泛用于国民经济各个领域的通用设备。2 0 0 3 年仅建筑物中空调系统能耗就 占社会总能耗的l o 一1 4 ，占整个建筑物的3 0 左右，这还不包括用于生产工艺过程 中的制冷( 热泵) 设备的能耗。因此制冷( 热泵) 设备的节能对“十一五”节能目标 的实现有着巨大的现实意义和深远的历史意义。 1 1 我国的能源及环境状况概述 1 1 1 能源状况概述 能源是推进人类文明演进的动力；物质、信息、能源被认为是当代社会的三大支 柱。1 9 7 1 年至2 0 0 1 年各种燃料的供给变化见图1 1 ( 其中o t h e r 包括地热、太阳 能、风能等) 。从中可以看出，能源供给逐年增加；其中决大部分仍然是传统的化 石能源，2 0 0 2 年的比例为煤2 3 2 、石油3 5 0 、天然气2 1 2 。世界对能源 的需求是不断增长的，最强劲的增长来自发展中国家。预计到2 0 2 0 年，世界能源总 需求达到6 4 6 x1 0 1 8 j ，并且，在一次能源需求中，化石能源依然是主体“。 图卜1历年各种燃料供给情况 电力作为一种清洁的二次能源，需求量在每个地区都上升较快，全球电力生产从 1 9 7 3 年的6 1 1 7 w h 增至2 0 0 1 年的1 5 4 7 6 t w h ；它在终端能源消费中的比例也逐渐加 大，从1 9 7 3 年的9 6 上升至2 0 0 1 年的1 5 6 。但电力生产所用的一次能源仍 然以化石能源为主，2 0 0 1 年所用的煤、石油和天然气合计占6 4 5 “3 。 上海海事大学硕士学位论文 下面简要分析一下电力消费问题。我国很重视电力建设，目前正投入大量资金建 设一批水电基地和坑口电站。图1 3 为我国历年电力消费情况和消费结构，由于工 业消费比例太大，在图中降l o 倍画出。我国工业耗电比例有下降的趋势，但非常缓 慢，只从1 9 9 0 年的7 8 7 降到2 0 0 2 年的7 2 0 4 ；居民生活和商业等工农业以 外的电力消费比例呈上升趋势。但与工业化国家( 参考表1 1 ) 相比，我国工、农 业电力消费比例过大，1 9 9 9 年工业为o e c d 的1 8 8 倍，农业为o e c d 的4 0 8 倍； 同时，一、二产业以外的用电比例却低于这些国家，1 9 9 9 年商业等的比例为0 e c d 的 3 8 ，居民生活为o e c d 的4 1 。由此可见，随着经济的发展、传统产业的改造、 i t 及b t 等新兴产业的崛起和人民生活水平的提高，消耗在商业、生活方面的电力 比例会逐渐加大。这部分电力需求主要来自照明、家用电器、办公设备和用于工艺性 及舒适性的空调系统。 图卜3 中国电力历年电力状况( 数据来源：文献 3 ：工业比例在图中降l o 倍画出) 表卜12 0 0 3 年部分国家和地区的部门耗电状况( 数据来源：文献 4 ) 1 1 2 环境状况概述 我国主要的环境问题是由以煤为主的能源消费结构引起的。据世界卫生组织报 2 上海海事大学硕士学位论文 道，世界上污染最严重的城市有7 个在中国。我国主要污染物是有机及无机颗粒、s 0 2 、 n 0 2 、c o 、多环芳香烃和c 0 2 。二氧化硫严重超标，目前是世界上二氧化硫第一排放 国，酸雨态势扩大，全国有1 3 的国土受酸阿影响“1 ，2 0 0 5 年，全国开展酸雨监测 的6 9 6 个城市中，3 5 7 个城市出现酸雨，占5 1 3 ，其中浙江东阳市、象山县、安吉 县，福建邵武市，江西瑞金市逢雨必酸。从酸雨区域分布分析，“十五”期间，以重 庆、贵阳为代表的西南酸雨区酸雨污染有所减轻 5 ；华中酸雨区( 湖南、江西等省) 酸雨强度有所增加；华东区特别是浙江省酸雨污染进一步加重；华南酸雨区( 广东、 广西等省区) 特别是珠江三角洲地区的酸雨污染加重。重酸雨( p h 值 4 5 ) 城市比 例呈升高趋势。 图卜59 0 年代末酸雨区域分布图卜62 0 0 5 年酸雨区域分布 2 0 0 5 年，3 4 1 个城市n 0 2 的浓度到达国家二级标准，广州、北京和上海n 0 2 的 浓度相当高。目前，我国是仅次于美国的第二大c 0 2 排放国家，2 0 0 5 年占世界的 比例为1 3 1 ( 图1 7 ) 。自1 9 8 0 年以来，我国与能源相关的c 0 2 排放增加了7 0 。再看表l 一1 ，我国每单位国内生产总值的c 0 2 排放量远高于世界及发达国家的 水平，这与我国以使用含碳高的煤炭为主及能源效率比较低直接相关：但若以人均计 算，则仍处于较低水平”“”。 图l 一72 0 0 5 年各地区c d 2 的排放比例 1 2 常规蒸汽压缩式制冷系统节能分析 中央空调能耗一般包括三部分，即空调冷热源、空调机组末端设备、水或者空气 3 上海海事大学硕士学位论文 输送系统。这三部分能耗中，冷热源约占总能耗的5 0 左右，是空调节能的重要内 容。为了提高空调制冷设备的能源的利用率，减轻对能源大量的消耗及对环境的破坏， 作为空调冷源的蒸汽压缩式制冷系统的节能主要从提高系统部件性能和对系统循环 的改进两方面着手。提高系统部件的性能主要考虑压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀机 构的性能，而系统循环性能的优化改进不仅可以通过提高制冷系统中各个部件性能来 达到节能的目的，而且还可以通过对制冷机组系统中各个部件的合理配置和优化来达 到节能的目的。 1 2 1 制冷设备节能措施 1 2 1 1 制冷压缩机” 制冷压缩机，即制冷剂压缩机，是决定蒸汽压缩式制冷( 热泵) 系统能力大小的 关键部件，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等有着直接的影响。压 缩机在系统中的作用在于：抽取来自蒸发器的制冷剂蒸汽，提高压力和温度后将它排 向冷凝器，并维持制冷剂在制冷系统中的不断循环流动。由此可见，压缩机相当于制 冷系统中的“心脏”，制冷压缩机的热力性能与可靠性，在很大程度上决定了制冷系 统的热力性能及可靠性。 目前应用在制冷空调领域里的压缩机主要有活塞式压缩机、螺杆式压缩机、离心 式压缩机这三种，针对于不同的压缩机其采取了不同的节能措施。但是概括起来主要 从以下三个方面进行： 通过对热力循环的研究，利用现代新型的测控技术和电子计算机对压缩机的 结构进行改进； 提高压缩机的加工制造工艺，使压缩机达到其设计要求； 对压缩机和电机的匹配进行合理的设计。 1 2 1 2 蒸发器和冷凝器“” 换热器在工业生产和生活各个领域都得到了广泛应用，而且其工作性能的优劣直 接影响整个装置或系统综合性能的好坏，因此换热器的合理设计极其重要。一个设计 合理的换热器一般应满足以下几点设计要求： 在给定的工作条件下( 流体流量、进口温度等) 下，达到要求的传热量和流 体进出温度： 液体压降要小，以减小运行的能量消耗： 满足外形尺寸和重量要求； 安全可靠，满足最高压力、工作温度以及防腐、防漏、工作寿命等方面的要 求； 制造工艺切实可行，选材合理且来源有保证，以减少初始投资； 安装、运输以及维修方便等。 4 上海海事大学硕上学位论文 对于蒸发器和冷凝器的节能措施近些年来的研究不断进行，对这两个换热器而 言，节能的主要手段就是增加它的换热性能。根据传热的基本公式q = k f a t 可知热量 q 的增加可以通过提高传热系数k 、扩展传热面积f 加大传热温差a t 的途径来实现， 由于扩展传热面积及加大传热温差常常受到一定的条件限制，因而我们一般我们通过 传热系数的提高达到增强换热。提高传热性能的方法主要有以下几个方面： 改变流体的流动情况，增加流速可改变流动状态，并提高湍流脉动程度，管 内湍流时增加流速对增强传热能收到较显着的效果，加多种型式的插入物，可增强扰 动、破坏流动边界层而使传热增加； 改变流体的物性，流体的物性对对流换热系数有较大的影响，一般导热系数 与容积比热较大的流体，其换热系数也较大； 改变换热表面情况，换热表面的性质，形状、大小都对对流换热系数有很大 影响，通常可通过以下方法增强传热：增加壁面粗糙度，改进表面结构，改变换热面 形状和大小，表面涂层等。 1 2 1 3 膨胀机构 由于液体膨胀机构难以实现，目前的蒸汽压缩式制冷系统均采用各种型式的节流 装置，来实现制冷剂液体的膨胀过程。因此，压缩式制冷装置中除了压缩机、冷凝器 和蒸发器外，节流装置是其中必不可少的关键部件。 节流装置在制冷主机中直接影响着制冷效率和运行安全。它的运行影响到蒸发器 的效率。一般空调中多使用热力膨胀阀和毛细管，这两种膨胀阀的结构简单，使用方 便，可以满足一定的要求。随着对节能要求的提高，出现了电子膨胀阀，与传统的毛 细管和热力膨胀阀相比，电子膨胀阀的调节精度高，调节范围大，流量调节不受冷凝 压力变动的影响，而且可直接由计算机控制阀的开度，采用电子膨胀阀后，空调机还 可以适时调整阀的开度，使空调机在偏离设计工况运行时，或压缩机的工作频率调整 后，制冷系统始终处于最佳的运行状态，具有较好的节能效果。由于电子膨胀阀的出 现不久，所以对它的研究不多，目前主要集中在电子膨胀阀制冷剂流量特性的研究和 电子膨胀阀的控制算法和策略方面的研究，阀的开度、制冷剂出口干度、阀前后压差 对制冷剂流量及流量系数的影响，阀的开度控制方法。 1 2 2 制冷系统优化节能 制冷系统中制冷剂流过膨胀阀一般都会出现闪发气体，闪发气体在蒸发器中不吸 收热量，但是这部分气体被压缩机吸入后却要消耗功，这样就降低了系统的效率，同 时制冷系统一般都是按最大负荷设计，实际上空调只有在很少一部分时间运行在最大 负荷工况下，而大多数时间运行在部分负荷工况下，为了能够减少压缩机的耗功，通 常的情况下是通过减少压缩机的排气压力，从而减少耗功。但降低压缩机排气压力后， 膨胀阀前的压力也相应降低，这样导致制冷剂在流过膨胀阀闪发气体增多，部分负荷 t 海海事大学硕上学位论文 时效率降低，于是h y d e ，r o b e r t e 提出了一种新的循环系统“。，其系统如图1 8 所示，该系统用泵提高了膨胀阀i i 面压力，减少了闪发气体，从而提高制冷循环系统 的效率。 4 图1 - - 8 制冷剂喷射泵系统图 图1 8 中，泵1 0 的进口管道接到储液器，出口管道接到膨胀阀。这样当环境温 度降低，需要降低压缩机的排气压力达到节能目的时，可以通过泵1 0 提高制冷剂在 膨胀阀前面的压力，同时由于制冷剂的温度保持不变，这样就相应的增加了制冷剂的 过冷度，从而减少制冷剂流过膨胀阀出现的闪发气体。该系统有效地抑制了闪发气体， 提高了制冷系统的性能系数，尤其在环境温度较低的情况下，效果尤为明显。该系统 需要在一般系统中增加一台制冷剂液体泵，而且对制冷剂泵需要提高多少压力也需要 进行适当的控制“。因此对一套具体的制冷系统，是否可以增加制冷剂泵，需要经过 具体的计算。 图l 一8 所示装置，当环境温度升高到一定值时，制冷剂液体泵的作用明显降低， 当环境温度进一步升高时，冷凝器的传热温差降低，传热量降低，因此必须提高压缩 机排气压力以达到提高冷凝温度，这样压缩机的压比增高，耗功增加，制冷系统的效 率明显的下降。针对这种情况，h y d e ，r o b e r t e 对图l 一8 所示装置进行改迸。他 在图1 8 所示装置中，将泵的出口管路再引出一路接到冷凝器的进口处，如图1 9 所示。 6 上海海事大学硕上学位论文 4 图1 - 9 制冷剂喷射泵系统改进图 在图卜9 所示装黄“”中，压缩机的排气在进入冷凝器前处于过热气体状态，而从 泵引出一路制冷剂处于饱和液体状态或者接近饱和液体状态，两种不同状态的制冷剂 在冷凝器入口管道中进行热交换。只要两种状态的制冷剂的量合适，则总可以将过热 气体降温至饱和气体，而饱和的制冷剂液体变成饱和的制冷剂蒸汽，因此在冷凝器中 流动就全部是饱和蒸汽，这样提高了制冷剂侧的换热系数，从而在相同的换热面积下， 可以将液体冷却到更低的温度，增加过冷度；所以在制冷剂液体温度不变时，可以减 少冷凝器的面积。制冷系统经过如图卜6 所示改进后，无论是在低于标准环境温度下 工作，还是在高于标准环境温度下工作，其制冷系数都可得到提高。 由于压缩机的排气温度在对应压力下处于过热状态，这种过热气体在进入冷凝器 后，首先被冷却成饱和气体状态，然后再出现冷凝过程。制冷剂从过热蒸汽冷却到饱 和气体这个阶段，由于是气一气换热方式，其表面换热系数低，从而降低了换热器的 效率。另一方面，由于压缩机的排气处于过热状态，气体的比体积较大，这样如果冷 凝器排热量设计不足时，则会加大冷凝器中的压力，增加压缩机的排气压力，从而增 加压缩机的耗功；如果冷凝器设计排热量余量过大，则增加了投资。在冷凝器换热面 积一定情况下，对压缩机排出的过热气体转化到相应压力下饱和气体所发生的压力变 化进行理论计算，并设计一个气液换热器，并将其装入原来的系统之中，装置经过改 进后可以降低冷凝器中的压力，这样降低了压缩机的背压，从而降低压缩机的排气压 力，达到节能目的。 制冷系统防止闪发的方法，一是增加过冷度，以降低了膨胀阀前面的制冷剂的温 度，二是减少总的压力损失。对于带经济器的制冷循环，由于经济器中制冷剂液体和气 体处于相同压力条件下，分别为饱和液体和饱和气体，液体不可能过冷，所以必须从减 少总的压力损失着手，为此，我们有必要对原有的经济器作进一步改进如图卜1 0 “”所 示：膜经济器 7 上海海事大学硕士学位论文 膜 经 济 器 螺 杆 式 压 缩 机 蒸发罄 图卜1 0 膜结构的开放式经济器 管路里的液体压力变化不大，由于少了第一级节流，使得进入下一级节流阀前的 制冷剂压力远高于原有经济器内的液体压力，能最大限度地保证液体不闪发，使用膜 经济器的另一个优点是控制更方便。在原有带经济器的制冷循环中，节流阀一般靠感 温组件来自动调节节流阀的开度，进而控制压降和进入补气口的气体量，在频繁变工 况时节流阀的调节不稳定。而对于膜经济器来说，只要合理设计组件，求出通量与压差 的函数关系，膜经济器就能根据不同的工况条件自动调节进入补气口的制冷剂量。属 于自耦合过程。 1 3 蒸汽压缩喷射制冷循环研究概述 蒸汽压缩喷射制冷循环是用喷射器部分取代现有压缩式制冷系统中的节流装 置，冷凝后的高压制冷剂通过喷射器来导引蒸发器中的蒸发的制冷剂蒸汽，从而回收 部分制冷剂膨胀能，提高系统效率。本系统与常规压缩式所不同的是节流装置为喷射 器。喷射器是蒸汽压缩喷射制冷循环中的关键部件，其的结构及发展对本文的研究 有一定的指导意义。 1 3 1 国内理论研究及应用的发展动态 由于现代科学技术的发展，要求制造结构简单，效率高的液化装置和温度为2 4 k 的低温装置，过去常用节流过程降温并产生液体，要制取2 - 4 k 温度的液氦，压缩机 吸气压力比大气压低得多，因而压缩机尺寸和耗能大大增加。为了解决上述情况，在 低温液化流程中可用喷射器代替节流阀，提高压缩机的吸气压力，降低压缩机的能耗 和尺寸“”。1 9 9 0 年，a a k o r n h a u s e r 第一次提出将喷射器从低温液化制冷装置中应 用到蒸汽压缩式普冷制冷装置中去“”，回收了部分制冷剂的膨胀能，并提高了压缩机 的吸入压力，从而提高了系统效率，所以我们有必要对其的发展概况做个大概了解。 1 9 6 2 年童咏春、陆宏圻首次提出了准二维分析方法“”，采用动量，能量修正系 数考虑喷射器内的各个主要控制断面流速、压力及浓度的不均匀分布，导出了液体的 8 上海海事大学硕士学位论文 喷射器的基本方程。 1 9 7 0 年，陆宏圻对液气喷射器的两相流态进行了分析，提出了它的基本理论方 程几边界条件方程方程组，运用一元流简化假定，导出双级忽然单级液气喷射器的羁 绊理论性能方程，极限状态方程和最优参数方程。与此同时，王时珍、金锥、胡湘韩、 郭金基等分别对气体喷射器、液体喷射器及液气喷射器提出了设计计算理论方法。 1 9 8 7 年，陆宏圻运用有限容积法及k e 湍流模型对喷射器的流场及温度进行了 数值计算，并用弱可压缩流理论及湍流的涡模拟模型对喷射器二维平面流场进行了数 值分析。 1 9 9 5 年，陆宏圻、龙新平等导出了准二维两个无因次参数m ( 面积比，即喉管面 积与喷嘴出口断面积之比) 、q ( 流量比，即被吸流体体积流量与工作流体体积流量之 比) 与其内部有限空间射流流动的控制参数c t ( c r a y a - c u r t e t ) 之间的函数关系，从而 沟通了宏观与微观研究之间的联系。 随着经济的发展和人民生活水平的提高，节能已成为“十一五”期间的重要的任 务，自从1 9 9 0 年，a a k o r n h a u s e r 提出将喷射器应用到蒸汽压缩式制冷系统中的膨 胀装置，回收了制冷剂的膨胀能达到了节能的目的，所以该技术的广泛应用有着巨大 的现实意义和深远的历史意义，并引起了国内许多学者的重视并进行了大量的实验。 西安交通大学对单双蒸发器蒸汽压缩喷射制冷循环进行理论及实验研究 “州州。“，进行了制冷循环热力学分析，并对几种常见的混合工质和纯工质r 1 2 的理论 计算结果和实验结果进行了比较，得出采用非共沸的混合工质比采用近共沸的混合工 质具有更好的循环性能，其性能明显优于纯质制冷剂，并且喷射器对循环性能的影响 较大，在实际中必须尽可能地提高喷射器的效率。李涛、李强等利用热力学第二定律 的炯分析法，对跨临界二氧化碳制冷循环进行了仿真和分析，得出放热压力存在最优 值，提高气体冷凝器出口温度和蒸发温度会降低系统的煳效率。 上海交通大学也对跨临界二氧化碳制冷循环( 单蒸发器) 进行了研究嘲，得出 了喷射系数及喷射效率对循环的影响，u 值小时采用喷射器代替膨胀阀时，这样提高 了系统性能。论文“”建立了四种双温蒸汽压缩制冷循环的热力学模型，并把传统带蒸 发压力调节阀的双温制冷循环和其它三种双温循环的制冷性能进行比较，得出了高温 蒸发器制冷量越大制冷系数提高幅度越大，但是当高低温制冷量比值小于1 o 时，使 用压缩喷射混合制冷循环意义不大。目前，交大发明了压缩喷射混合制冷机组，但 是还没有得到应用。 清华大学邓建强，姜培学等跨临界二氧化碳蒸汽压缩喷射制冷循环理论分析 咖1 ，优化的喷射系数能显着改善制冷循环性能，蒸发温度和二氧化碳冷却放热压力 对系统性能的影响比较大，系统性能系数和喷射器喷射系数对喷射器的喷嘴效率和 扩压效率的变化不敏感。并把本装置与蒸汽压缩回热制冷循环和常规蒸汽压缩制冷 9 上海海事大学硕士学位论文 循环进行比较，得出喷射循环极大地减小了节流损失，冷却放热损失和压缩损失也有 相应的减小。 天津大学马一太、管海清等为了减小二氧化碳跨临界循环系统节流部分的膨胀损 失1 ，提高系统的性能，为此用喷射器代替节流阀，建立了热力循环分析模型，结 论表明在合理的喷射器出口背压下，可提高系统的循环性能，并蒸发温度和气体冷却 器出口温度两工况的变化对系统性能的影响相对较大。 武汉理工大学徐合力，胡甫才自行研制了船舶冷库型压缩喷射制冷循环实验装 置，通过实验数据与蒸发压力调节阀式循环进行了比较，得出压缩机的性能，单位制 冷量，制冷系数等都有较大程度的提高。 中国科学技术大学苏跃红，葛新石对双温冰箱压缩喷射制冷循环进行了研究 嘲嘲，利用娴分析方法阐明了该系统的节能原理和推出了理想制冷系数，并通过实 验证明了理论分析的正确性。 1 3 2 国外理论研究及应用的发展动态 1 9 9 0 年，a a k o r n h a u s e r 提出将喷射器应用到蒸汽压缩式制冷系统中的膨胀装 置，但是由于喷射器效率较低，汽一液分离器存积过多制冷剂液体，使循环无法正常 进行，其制冷系统原理图及压焓图如图1 - 1 1 所示： 图l 1 1 射流膨胀压缩制冷循环原理图 1 9 9 5 年，h a r r e l lgs ，k o r n h a u s e r a o “试验采用喷射器代替蒸汽压缩制冷循环 中的节流阀后，与传统蒸发压力调节阀式制冷循环系统相比制冷系数提高范围在 3 9 7 6 之间。 1 9 9 6 年，m e n e g a y ，k o r n h a u s e r a m l 使用r 1 2 做制冷剂，与简单( 单蒸发器) 循 环相比，制冷系数提高了3 8 。 2 0 0 4 年，s o m j i nd i s a w a s ，s o m c h a iw o n g w i s e s 1 在研究双蒸发器压缩喷射循 上海海事大学硕士学位论文 环时，低温热源温度较低时，制冷系数增加较多。 美国专利：4 5 9 9 8 7 3 ，“a p p a r a t u sf o rm a x i m i z i n gr e f r i g e r a t i o nc a p a c i t y ”， 发明人：h y d e ，r o b e r te ( u s a ) “。该专利把少量冷凝后的制冷剂液体通过液体泵喷 射到压缩机排气口，降低了压缩机排气口处制冷剂蒸汽的温度和比容，使冷凝器的容 量最大化，从而提高了系统在恶劣工况下的性能，达到了部分经济器效果，故该技术 称“外经济器”技术。 日本专利：冷冻装置用冷冻廿夕少，特开2 0 0 0 - 2 8 3 5 7 7 1 。该专利技术采用射流 器部分取代现有压缩式制冷系统中的膨胀装置，冷凝后的高压制冷剂通过射流器引射 蒸发器中蒸发的制冷剂蒸汽从而回收部分制冷剂膨胀能，提高了系统的效率。 1 4 本文的主要工作和研究方法 常规蒸汽压缩式制冷循环的损失主要有三部分组成：( 1 ) 压缩过程非等熵造成的 损失；( 2 ) 冷凝器和蒸发器的传热温差损失；( 3 ) 节流阀的节流损失。这三种损失中 压缩过程中非等熵损失是与压缩机的制造工艺直接相关的，传热温差损失的减小一方 面可增大换热器的换热系数，另一方面可增大换热面积，这两种损失的减小是有限度 的。节流损失使得制冷剂的有用能量白白的浪费掉了。 一般认为，蒸汽压缩式制冷循环的节流过程中制冷剂处于两相区，能量回收装置 易损坏，回收得不偿失。而本文采用适当的措施，用喷射器部分取代现有蒸汽压缩式 制冷系统中的节流装置，冷凝后的高压制冷剂通过喷射器来导引蒸发器中的蒸发的制 冷剂蒸汽，从而回收部分制冷剂膨胀能，提高了制冷系统的效率。本文的研究工作主 要将集中在以下内容： 1 对常规蒸汽压缩式制冷循环进行了炯分析，得出节流损失所占的比例较大，并 分析了减少蒸汽压缩制冷装置炯损失的途径。 2 设计了一种新型压缩喷射制冷循环，并建立其系统物理及数学模型，最后进 行了系统性能分析。 3 对新型压缩喷射制冷循环进行了炯分析，并与常规蒸汽压缩制冷循环进行了 比较，得出此新循环比常规循环制冷系数提高了1 0 左右。 上海海事大学硕士学位论文 第二章常规蒸汽压缩式制冷系统研究 2 1 常规蒸汽压缩式制冷循环概述 自从1 8 3 4 年，在伦敦工作的美国发明家波尔金斯( p e r k i n s ) 造出了第一台以乙 醚为工质的蒸汽压缩式制冷机，并正式呈请了英国第6 6 6 2 号专利。这是以后所有蒸 汽压缩式制冷机的雏形，这台机器重要进步是实现了闭合循环。但所使用的工质乙醚 易爆炸。1 8 7 5 年卡列( c a r r e ) 和林德( l i n d e ) 用氨做制冷剂。从此，蒸汽压缩式制 冷机开始占统治地位m ，。 在各种制冷方法中，其中最常用的是压缩式制冷，大约占9 0 以上。压缩式制冷 的原理是利用制冷剂( 一种物质) 在低温下沸腾吸热，由于沸腾吸热时的温度低于制 冷对象的温度，制冷对象的热量就传递给了制冷剂，制冷对象的温度就降低。通过压 缩机做功，使吸热后的制冷剂温度和压力升高( 高于环境温度) 。这时，制冷剂就可 以把热量传递给环境。然后，通过节流降压，制冷剂重新在低温下沸腾吸热，不断循 环制冷。图2 - 1 为压缩式制冷循环系统图。 3 图2 - i 蒸汽压缩式制冷系统图 l 一压缩机：2 一冷凝器； 3 一膨胀阀；4 一蒸发器 2 1 1 系统物理模型 蒸汽压缩式制冷系统如图2 - i 所示。它有压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。 其工作过程如下：制冷剂在压力、温度o 下沸腾，z o 低于被冷却物体或流体的温度。 压缩机不断地抽取蒸发器中产生的蒸汽，并将它压缩到冷凝压力最，然后送往冷凝器， 在压力下等压冷却和冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质 ( 通常是水或空气) ，与冷凝压力气相对应的冷凝温度k 一定要高于冷却介质的温度， 冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流组件进入蒸发器。当制冷剂通过膨胀阀时压力由 上海海事丈学硕上学位论文 最降到弓，部分液体气化，剩余液体的温度降至f o ，于是离开膨胀阀的制冷剂变成温 度为o 的两相混合物。混合物中的液体在蒸发器中蒸发，从被冷却物体中吸取它所需 要的气化潜热。 为了进一步了解蒸汽压缩式制冷循环的工作流程，便于热力分析计算，把整个系 统的工作过程表示在p - h ( 压一焓) 图上，如图2 2 所示。点1 表示制冷剂进入压缩 机状态。它是对应于蒸发 p p p h 图2 2 制冷循环的压焓图 温度f 0 的饱和蒸汽。根据饱和温度的对应关系，该点位于p o = ，( ) 的等压线与饱和 蒸汽线( ( 工= 1 1 的交点上。 点2 表示制冷剂出压缩机时的状态，也就是进冷凝器的状态。过程线卜2 表示制 冷剂蒸汽在压缩机中的等熵过程l 25 ”，压力由蒸发压力升到冷凝压力以。因此 该点可通过1 点的等熵线和压力为以的等压线的交点来确定。由于压缩过程中外界 对制冷剂做功，制冷剂温度升高，因此点2 表示过热蒸汽状态。 点3 表示制冷剂出冷凝器时的状态。它是与冷凝温度气所对应的的饱和液体。过 程线2 2 一3 表示制冷剂在冷凝器内的冷却( 2 - 2 ) 和冷凝过程( 2 一3 ) 过程。由 于这个过程是在冷凝压力n 不变的情况下进行的，进入冷凝器的过热蒸汽首先将部 分热量放给外界冷却介质，在等压下冷却成饱和蒸汽( 点2 ) ，然后再在等压，等 温下继续放出热量，直至最后冷凝成饱和液体( 点3 ) ，因此，压力p t 的等压线和x = o 的饱和液体线的交点即为点3 的状态。 点4 表示制冷剂出节流阀时的状态，也就是进入蒸发器时的状态。过程线3 - 4 表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程。在这一过程中，制冷剂的压力由n 降到凡， 温度由气降到f 0 ，并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，因此由点3 做等 焓线与等压线的交点即为点4 的状态。由于节流过程是一个不可逆过程，所以用 一虚线表示3 4 过程。 上海海事人学颀士学位论文 过程线4 - 1 表示制冷剂在蒸发器中的气化过程。由于这一过程是在等温、等压下 进行的，液体制冷剂吸取被冷却介质的热量( 即制冷) 而不断汽化，制冷剂的状态沿 等压线p o 向干度增大的方向变化，直到全部变为饱和蒸汽为止。这样，制冷剂的状 态又重新回到进入压缩机前的状态点1 ，从而完成一个完整的理论制