压缩喷射制冷循环的热力学评价

1、压缩/喷射混合制冷循环的热力学评价刘敬辉，陈江平，陈芝久（上海交通大学制冷与低温研究所，200030）提要：本文对一种压缩/喷射制冷循环的热力学分析方法进行了探讨，指出喷射器的喷射系数和压缩比应根据制冷工况确定。本文对9种常用亚临界循环制冷剂和超临界循环的CO2的压缩/喷射混合制冷循环的制冷性能进行了理论分析，结果表明：蒸发温度越低，冷凝温度越高，使用压缩/喷射混合制冷循环的制冷系数比传统等焓节流制冷循环提高的越多。对不同的制冷剂，使用压缩/喷射混合制冷循环系统，制冷系数提高的幅度是不一样的，亚临界循环制冷剂中，R404A提高的最多，在冷凝温度为50，蒸发温度为-30时，制冷系数提高超过50；

2、NH3最低，可提高约13。CO2超临界循环的压缩/喷射混合制冷循环对提高循环的制冷系数非常有效，当气冷器出口温度为50时，CO2超临界循环的压缩/喷射混合制冷循环制冷系数可比传统等焓节流制冷循环可提高4055。关键词：热力学，制冷，喷射器，理论分析中图分类号：TB61Evaluation of Vapor-compression/Ejection Hybrid Refrigeration CycleLiu Jinghui, Chen Jiangping, Chen Zhijiu(Refrigeration and Cryogenics Institute, Shanghai Jiaotong

3、University, Shanghai China 200030)Abstract: Thermodynamic analysis on vapor-compression/ejection hybrid refrigeration cycle was carried out in this paper. The entrainment ratio and the compression ratio of ejector can be determined by a refrigeration condition (condensing pressure and evaporating pr

4、essure). Through analysis on vapor-compression/ejection hybrid refrigeration cycle of 9 frequently used sub-critical cycle refrigerants and super-critical cycle refrigerant-CO2, the results show refrigeration coefficient of the system using vapor-compression/ejection hybrid refrigeration cycle can b

5、e improved than that of the system using traditional refrigeration cycle with iso-enthalpy throttling valve. With evaporating temperature decreasing and condensing temperature increasing, the improvement of refrigeration coefficient. gets higher. The improvements of refrigeration coefficient are dif

6、ferent from different refrigerants. Among sub-critical cycle refrigerants, R404A has the highest improvement, which can be over 50% when condensing temperature and evaporating temperature are at 50 and -30 respectively. Ammonia has the lowest improvement which is about 13% under the same condition.

7、The refrigeration coefficient improvement of CO2 supercritical vapor-compression/ejection hybrid refrigeration cycle is great, which is about 40%55% higher than that of traditional refrigeration cycle with iso-enthalpy throttling valve when temperature of the gas cooler outlet is at 50.Keywords: The

8、rmodynamics, refrigeration, ejector, theoretical analysis1. 引言现在制冷系统中广泛采用的循环结构是：压缩机冷凝器节流阀蒸发器压缩机的结构型式。这类制冷循环的损失主要由三部分组成：（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的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可通过增大换热器的换热系数和增大换热面积来实现，这两种损失的减小都是有限度的。节流阀内的过程为等焓节流过程，使得制冷剂的有用能量通过节流来抵消掉，若采用适当的措施，可以对这些能量进行回收。

9、经过计算表明，节流过程所造成的佣损失超过制冷系统总损失的10【1】，这部分能量若能采用措施回收，可以大幅提高制冷系统的制冷效率。但蒸汽压缩式制冷循环的节流过程中制冷剂处于两相区，膨胀机等设备无法运行，能量不易回收，因而很少考虑对节流损失的回收。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。喷射器很早就用于热驱动的制冷系统【2，3，4】，Kornhauser【5】曾提出一种压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环，从而使节流能量损失的回收成为可能。许多研究表明【6，7，8】，在制冷系统上采用喷射器确实可以提高制冷装置的制冷性能。文献【9，10】中对压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的理

10、论分析方法也有介绍，一般与喷射器的结构有关，很难用于纯热力学分析。本文参照文献【9，10】，结合喷射器基本方程，提出一种压缩/喷射混合蒸汽压缩理论制冷循环的纯热力学理论分析方法，并用此方法对10种常用制冷剂的压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的制冷性能进行了评价。2. 压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的热力学评价方法2.1 压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环各部件的连接方式及其在LgPh图上的表示如图1所示，喷射器的结构如图2所示。与传统蒸汽压缩式制冷循环相比，最大的不同是从冷凝器来的高温高压液态制冷剂直接进入喷射器的喷嘴，在喷嘴内加速降压，将压能转变为速度能，从喷嘴喷出时

11、通常超过声速，压力降到蒸发压力。从喷嘴喷出的低压高速制冷剂引射从蒸发器来的低压低温气态制冷剂与其混合，再在喷射器的扩压室内减速升压，使得速度能转变为压能，从而使得从蒸发器内来的制冷剂压力升高，在气液分离器内进行气液分离后，气态制冷剂进入压缩机，液态制冷剂再进入蒸发器。制冷系统存在两个制冷剂环路，循环回路1：1235671，循环回路2：891678。这样可以使进入压缩机的吸气压力高于蒸发压力，从而可以提高制冷系统的效率。图1 压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环流程图及其在LgPh图上的表示图2 喷射器结构示意图2.2压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的热力学分析2.2.1 模型假设为了方便计算和分析，我

12、们对压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的某些环节进行了假设，主要包括：（1）忽略管路、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，制冷剂在喷嘴加速过程和在扩散室的压缩过程均为等熵过程，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。2.2.2 热力参数计算1）. 传统制冷循环热力计算传统的制冷循环在LgPh图上的表示如图1中12341所示，单位制冷剂质量流量的制冷量为： （1）单位制冷剂质量流量的压缩机耗功： （2

13、）制冷循环的制冷系数： （3）2). 压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环热力计算根据图1所示，压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的制冷量为： （4）压缩机的耗功： （5）式中：分别为主流制冷剂流量和引射制冷剂流量。制冷循环的制冷系数： （6）2.2.3 喷射系数和喷射器出口压力确定通过式（4）（5）可以看出，制冷量和压缩机耗功的计算中，和是未知量，因为喷射器的喷射系数和喷射器出口压力未知。定义喷射系数为引射流体的流量和主流流体流量之比，即： （7）将制冷剂在喷射器内发生的过程均理想化，忽略各种损失，即喷射器可最大限度满足能量回收的需要。主流制冷剂从喷嘴中喷出为等熵过程，状态为5，与引射制冷剂（状态为1

14、）等压混合，达到状态6，在经过等熵压缩后达到状态7。对于图2中的截面AA和BB之间的控制体，有如下关系：由质量守恒： （8）式中：为喷射器混合室出口质量流量由动量守恒： （9）即： （10）由能量守恒关系： （11）则： （12）由在喷嘴内的膨胀过程35为等熵过程，则可以得到主流流速： （13）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点的比熵 （14）制冷剂在喷射器扩压室内可看成等熵压缩过程，即，由此可求得7点的比焓为： （15）由物性方程可得7点的压力为： （16）以上各式中，还存在一个未知量，这就是喷射系数，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1：123567

15、1和循环回路2：891678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】： （17）则喷射系数必须满足： (18)至此，只要知道蒸发压力和冷凝压力，通过迭代，即可获得喷射/压缩混合制冷循环的喷射系数和喷射器后压力。3. 计算结果与讨论根据方程（1）(18)，对9种常用亚临界循环制冷剂和CO2超临界循环的压缩/喷射混合制冷循环的理论制冷性能进行了分析，并与传统等焓节流制冷循环进行比较，结果示于图3图8中。物性计算采用的是REFPROP7.0的物性子程序。图3和图6为喷射器的喷射系数随蒸发温度变化趋势，从图中可以看出，随着蒸发温度的提高，喷射器的喷射系数增大，比较图3和图

16、6可以看出，随着冷凝温度的提高，喷射系数有所减小。图3 喷射系数随蒸发温度变化 图4 喷射器出口温度随蒸发温度的变化图5 压缩/喷射混合循环制冷系数与传统 图6 喷射系数随蒸发温度变化循环制冷系数比值随蒸发温度的变化图7 喷射器出口温度随蒸发温度的变化 图8 压缩/喷射混合循环制冷系数与传统循环制冷系数比值随蒸发温度的变化图4和图7为喷射器出口温度随蒸发温度的变化，从前述分析可以知道，由于主流制冷剂和从蒸发器来的制冷剂混合后，在喷射器扩压室内压力有所升高，因此喷射器出口的温度将比蒸发温度有所提高，升高值越大，制冷系统的制冷系数提高幅度越大。从图中可以看出，随着蒸发温度的提高，喷射器出口温度的斜

17、率小于1，因此蒸发温度越高，喷射器出口温度的升高幅度越小，这是由于蒸发温度越高，从冷凝压力膨胀到蒸发压力时，制冷剂所蕴涵能作功的能量越小。比较图4和图7可以看出，冷凝温度越高，喷射器出口温度升高幅度越大，所以压缩/喷射混合循环对低蒸发温度高冷凝温度的制冷系统制冷系数的提高是很明显的。图5和图8为压缩/喷射混合循环的制冷系数（COP）与传统制冷循环的制冷系数（COP0）的比值随蒸发温度的变化曲线，从图中可以看出，随着蒸发温度的提高，制冷系数（COP）的提高幅度逐渐降低，以R404A为例，在50冷凝温度下，制冷系数比值（COP/COP0）从蒸发温度为-30的1.54降低到蒸发温度为5时的1.32。

18、但对于超临界循环的CO2，随着蒸发温度的升高，压缩/喷射混合循环的制冷系数（COP）与传统制冷循环的制冷系数（COP0）的比值下降的较为缓慢，这说明压缩/喷射混合循环对CO2超临界循环在较宽的蒸发温度范围内，制冷系数的提高都是很明显的。比较图5和图8可以看出，随冷凝温度的升高，制冷系数的比值增大。比较不同的制冷剂，可以看出，对不同的制冷剂，由于热物理性质的不同，采用压缩/喷射混合制冷循环，制冷系数提高的幅度是不同的。比较喷射系数可以看出，制冷系数提高幅度越大的制冷剂，喷射系数越小。从以上计算可以看出，常用亚临界循环的制冷剂中，R404A采用压缩/喷射混合制冷循环后制冷系数提高最大，NH3采用压

19、缩/喷射混合制冷循环后制冷系数提高最小。所比较的亚临界循环制冷剂中，制冷系数提高的幅度由大到小依次为：R404A、R410A、R290、R407C、R134a、R600a、R12、R22、NH3。对于CO2超临界循环，制冷系数提高的幅度一般比亚临界循环制冷剂高。从以上分析可以得出：CO2超临界循环使用压缩/喷射混合制冷循环的方式，可以明显提高制冷系数；在亚临界循环的制冷剂中，R404A比较适合采用压缩/喷射混合制冷循环，在50冷凝温度下，蒸发温度为-30时，制冷系数的提高可超过50，而紧随其后的R410A仅可提高约36，远超过其他制冷剂。4. 结论采用压缩/喷射混合循环可以回收制冷系统由于节流

20、而引起的节流损失，从而可以提高制冷循环的制冷系数。喷射器的喷射系数和压缩比应根据制冷工况确定。蒸发温度越低，冷凝温度越高，使用压缩/喷射混合制冷循环的制冷系数比传统等焓节流制冷循环提高的越多。对9种常用亚临界循环制冷剂和超临界循环的CO2的压缩/喷射混合制冷循环的制冷性能进行了理论分析表明：对不同制冷剂，使用压缩/喷射混合制冷循环系统制冷系数提高的幅度是不一样的，CO2超临界循环使用压缩/喷射混合制冷循环的方式可以大幅提高制冷系数，在亚临界循环的制冷剂中，R404A的压缩/喷射混合制冷循环的制冷系数提高的最多，在冷凝温度为50，蒸发温度为-30时，制冷系数提高超过50；NH3最低，可提高约13

21、。常用亚临界循环制冷剂中，制冷系数提高的幅度由大到小的顺序依次为：R404A、R410A、R290、R407C、R134a、R600a、R12、R22、NH3。参考文献：1 郑贤德 主编. 制冷原理与装置. 机械工业出版社，2000：69.2. Kanjanapon Chunnanond, Satha Aphornratana. An experimental investigation of a steam ejector refrigerator: the analysis of the pressure profile along the ejector. Applied Thermal

22、 Engineering 24 (2004)：311322.3. A. Selvaraju, A. Mani. Analysis of a vapour ejector refrigeration system with environment friendly refrigerants. International Journal of Thermal Sciences 43 (2004)：915921.4. Da-Wen Sun. Comparative study of the performance of an ejector. refrigeration cycle operating with various refrigerants. Energy Con