四种双温蒸汽压缩制冷循环的热力学比较

1、图1带蒸发压力调节阀的传统双温蒸汽四种双温蒸汽压缩制冷循环的热力学比较【关键词】热力学制冷压缩 /喷射混合循环理论分析【摘要】本文建立了对双温压缩 /喷射混合蒸汽压缩制冷循环进行理论分析的热力学模型，对带蒸发压力调节阀的双温蒸汽压缩制冷循环和三种双温压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的理论制冷性能进行了比较。引言现在制冷系统大多采用的是蒸汽压缩式制冷循环，这种制冷系统采用电能驱动， 低的制冷系数意味着耗费更多的电能， 即需要耗费更多的一次能源，产生更多的对环境有害的大气污染物。而且随着经济的发展，能源消耗日益增加，能源供应日趋紧张。随着人们对低温需求的日益增多，制冷系统的耗电占日常能源消耗的比例越

2、来越大，无论从节约能源角度还是从环境保护的角度，都需要提高制冷装置的制冷效率。随着经济的发展，人们对制冷系统功能的需求也日益多样化，现在很多制冷系统有两个以上的蒸发器，即具有两个以上的蒸发温度，比如：家用冰箱一般具有冷冻室和冷藏室，小型冷藏车既要满足冷藏功能的要求，又要满足驾驶室空调的要求， 很多冷库都有两个以上的冷藏温区。双蒸发温度的制冷系统传统的做法是在高蒸发温度的蒸发器后设一蒸发压力调节阀，使高温蒸发压力在经过蒸发压力调节阀后节流到低温蒸发压力，再进入压缩机。由于蒸发压力调节阀的存在，使得制冷剂的能量除了因膨胀阀节流损失一部分外，蒸发压力调节阀的节流还要损失一部分，因此这种制冷系统的制冷

3、系数是很低的。在能源日渐紧张的今天， 这种制冷系统已不能满足需要，探寻具有更高效率的双温制冷系统成为急待解决的问题。由于制冷系统的节流损失一般较小，而且膨胀阀的节流过程又会发生相变，使用膨胀机来进行回收一般认为得不偿失，所以很少考虑回收。喷射器结构简单，成本低廉，无运动部件， 适于包括两相流的任何流型下使用。喷射器很早就用于低位热源驱动的制冷系统【1, 2,3,对于具有废热的场所是一个很好的能源回收方式。Kornhauser【4】曾提出一种单蒸发温度的压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环，回收膨胀节流损失，使得制冷系统的制冷效率得到提 高。许多研究表明【5,6, 7】，在制冷系统上采用喷射器确实可以

4、提高制冷装置的制冷性能。1双温压缩/喷射混合压缩制冷循环分析方法1.1几种压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环压缩制冷循环（方法一）文献【8】中对CO2压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的理论分析方法进行了介绍，但此方法与喷射器的结构有关，很难用于纯热力学分析。文献【9】给出了一种可进行热力学分析的压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的分析方法，但此方法中的喷射系数必须预先假定。本文在喷射器基本方程的基础上，给出了理论上根据制冷工况求喷射器最佳喷射系数和喷射器出口压力的方法，并对带蒸发压力调节阀的双温蒸汽压缩制冷循环和三种双温压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的理论制冷性能进行了比较。替蒸发压力调节阀的双温蒸汽压

5、缩制冷循环（方法二）高温蒸发器后用二级喷射器代替蒸发压力调节阀，低温蒸发器膨胀阀与冷凝器出口相连的双温蒸汽压缩制冷循环（方法三）2在高温蒸发器后用二级喷射器代图3高温蒸发器与一级喷射器并联,高温蒸发器后用二级喷射器代替蒸发压力调节阀，低温蒸发器膨胀阀与气液分离器相连的双温蒸汽压缩制冷循环（方法四）图4高温蒸发器与一级喷射器并联，在cID=Y2006M10D11H13m18s53* 7 J 7 */对于方法三，分析制冷剂在气液分离器的过程，可以看出:要想使循环回路得以维持，还必须满足1.2喷射器模型假设为了方便计算和分析，我们对压缩 /喷射混合蒸汽压缩制冷循环进行了假设，主要包括：（1）忽略管路

6、、冷凝器、蒸发器等阻力损失。（2）离开蒸发器的制冷剂为饱和汽相，离开冷凝器的制冷剂为饱和液相。（3）制冷剂从喷嘴喷出后，压力降为蒸发压力，制冷剂在喷射器内混 合为在蒸发压力下的等压混合。（4）制冷剂时时处于准平衡状态，将制冷剂在喷射器内发生的过程均理想化，忽略各种损失，喷射器可最大限度满足能量回收的需要。制冷剂在喷嘴加速过程和在扩散室的压缩过程均为等痼过程，不计磨擦损失。（5）忽略喷嘴进口、蒸发器出口和喷射器出口的动能。1.3一级喷射器喷射系数和出口压力的确定喷射系数为引射流体的流量和主流流体流量之比，即：，如图3和图4所示，主流制冷剂从喷嘴中喷出为等痼过程，状态为5,与引射制冷剂（状态为1）

7、等压混合，达到状态6,在 喷射器扩压室内经过等痼压缩后达到状态7。由质量守恒：一分别为喷射器主流质量流量，引射流质量流量，混合室出口质量流量。一分别为喷射器主流质量流量，引射流质量流量，混合室出口质量流量。由动量守恒:用声F+ 混袒株=如&=& -+ 3耳）他+）哥/（I +由能量守恒关系:本篇文章来源（.1 2匚 _为 + %。； +商12治 + 亏 知二-7Z- 3%k匕/1十“巴 由在喷嘴内的膨胀过程35为等婿过程，则可以得到主流流速:由6点压力为蒸发压力，则可以根据制冷剂物性方程求得6点的比嫡制冷剂在喷射器扩压室内可看成等靖压缩过程，即，由此可求得7点的比谿为:小/；=

8、（&+幽）/（1+，）N由物性方程可得7点的压力为:cID=Y2006M10D11H13m18s53* 7 J 7 */对于方法三，分析制冷剂在气液分离器的过程，可以看出:要想使循环回路得以维持，还必须满足以下质量平衡的条件，即对状态点7,必须满足【10】：对于方法三，分析制冷剂在气液分离器的过程，可以看出：要想使循环回路得以维持，还必须满足以下质量平衡的条件，即对状态点足【101:冷循环的喷射系数和喷射器后压力。1.4二级喷射器的出口压力确定对于二级喷射器，如图3和图4所示，其喷射系数为:H二泓,伽; 吼二改 网;二脚; 矿二部u；二版-瞄）心=撤板P+%矿）=1/（1 +宙制冷剂在

9、喷射器扩压室内可看成等靖压缩过程，即，由此可求得7点的比谿为:4=队+% =（4+幽）/（1+尹）11由物性方程可得7点的压力为:7,必须满玛=+ 也百.）二U（1 +则喷射系数必须满足:尹二1/玛-1则喷射系数必须满足:四二1/为-1对于方法四，则有:x7=（桃户-）/（w?+明J至此，只要知道蒸发压力和冷凝压力，即可获得喷射/压缩混合制由13点压力为蒸发压力，则可以根据制冷剂物性方程求得13点的比婿cID=Y2006M10D11H13m18s53SYi=J比 妇4 =（由10 +必2 ）/（1 + /）制冷剂在喷射器扩压室内可看成等嫡压缩比冷量比值的变化值的变化从以上分析我们可以得出结论，

10、对于高低温制冷量比值较小的制冷系统，采用方法四的制冷循环，可以更大的提高制冷系统的COP。而对于高低温制冷量比值较大的制冷系统，采用方法三的制冷循环可以更大的提高制冷系统的COP。但考虑到喷射器的效率，当高低温制冷量比值小于1.0时，COP的提高非常有限，使用压缩 /喷射混合制冷循环对提高COP意义 不大。3.结论对于双温蒸汽压缩制冷系统，在高温蒸发器制冷量较小时， 高低温膨胀阀的节流损失占主要地位；在高温蒸发器制冷量较大时，高蒸发温度的蒸发器后的蒸发压力调节阀的节流损失占据主要地位。利用压缩/喷射混合制冷循环可以减小膨胀阀和蒸发压力调节阀的节流损失，提高双温蒸汽 压缩制冷循环的制冷系数。高温

11、蒸发器制冷量越大，双温蒸汽压缩制冷循环的制冷系数的提 高幅度越大，当高低温蒸发器制冷量比值达到4.0以上时，冷凝温度为50C，蒸发温度分别过程，即，由此可求得1 点的压力:2四种双温蒸汽压缩制冷循环的比较根据作者另文的结果，常用制冷剂中,R404A采用压缩/喷射制冷循环制冷系数提高的幅度比其它制冷剂大，而且R404A在冷藏、冷冻等领域也有广泛的应用。本文采用R404A的双温蒸汽压缩制冷循环的图1图4的四种方案进行比较，R404A的热物理性质计算采用REFPROP7.0的物性子程序。制冷系统的COP的变化与喷射系数有很大关系，图5为四种方案的COP随高低温蒸发器制冷量比值的变化。从图中可以看出，

12、四种方案的COP随高温蒸发器制冷量的增加均增大。对于方法一，随高温蒸发器制冷量的增加，COP增加量微乎其微，因此这种方案在任何情况下，效率是非常低的，这是使用蒸发压力调节阀的最大缺陷，因为高温蒸发器制冷剂的能量通过蒸发压力调节阀的节流作用损失掉了。利用压缩/喷射混合制冷循环可以提高制冷系统的效率，对于方法二和方法三，在高温蒸发器制冷量较小的情况下，COP的提高是较小的，理论分析表明：在高低温蒸发器制冷量相等的情况下，冷凝温度为50C，蒸发温度分别为5。和一25。的情况下，COP可提高约13%15%，因为低温膨胀阀的节流损失占据主要地位，而这部分损失没有回收。随着高低温蒸发器制冷量比值增大，蒸发

13、压力调节阀的节流损失占据主要地位,COP提高较大,尤其是方法三，由于其对高温膨胀阀节流损失进行了回收，因此其COP的提高幅度大于方法二，当高低温蒸发器制冷量比值达到4.0时，方法三的COP可以比方法一提高50%以上。方法四中，由于进入低温蒸发器的制冷剂节流损失有所减小，制冷剂干度较低，流量减小，所以二级喷射器的喷射系数较小,因而喷射器后的压力可以提高更因而喷射器后的压力可以提高更多，在高低温蒸发器制冷量比值较小的情况下，COP的提高明显比方法二和方法三大。在高低温蒸发器制冷量相等，冷凝温度为50c,蒸发温度分别为5。和一25 c的情况下，约为25%。但随着高温蒸发器制冷量增大到一定程度，由于一

14、级喷射器喷射系数增大，一级喷射器出口压力有所降低，影响了制冷系统整体性能的提高，故其COP的提高幅度小于方法三。图5四种方案COP随高低温蒸发器制冷量为5C和25C的情况下，利用R404A的双级压缩/喷射混合制冷循环的理论制冷系数可以 比带蒸发压力调节阀的双温蒸汽压缩制冷循环提高50%以上。但考虑到喷射器的效率，当高低温制冷量比值小于1.0时，COP的提高非常有限，使用压缩/喷射混合制冷循环意义不大。参考文献：1. Kanjanapon Chunnanond, Satha Aphornratana. An experimental investigation of a steam ejecto

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