噴射式制冷系統中制冷劑R141b替代工質的研究

胡鵬榮，陶樂仁，何俊

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

噴射式制冷系統是一種熱能驅動的制冷循環，它可以利用工業廢熱、太陽能、地熱能等低品位熱能驅動。隨著全世界能源與環境問題日益嚴重，利用余熱、可再生能源等低溫熱源的制冷技術，越來越受到關注。噴射式制冷因其無壓縮機消耗高品位的能量、運行幾乎不需維護、耗電量低、可靠性高等優點，被深入研究[1-2]。

早些年，對噴射式制冷工質的研究主要集中在R11、R12、R113 等[3-5]上，因為該類制冷劑會破壞臭氧層，已經被禁用。隨后，DORANTES 等[6-7]研究了R123、R133a、R134a、R141b、R142b、R152a和RC318 等制冷劑，得出R141b 具有較高性能系數（COP）的結論。HUANG 等[8-10]研究了將R141b用于噴射制冷，其工作壓力低、系統COP較高，實驗工況下可達0.5，并得出了分析噴射器性能的經驗公式。張于峰等[11]提出太陽能驅動噴射制冷系統在發生溫度80 ℃左右時，采用R134a 可以使噴射系數和噴射制冷系統能效比最大，明顯優于其他工質，但是受發生溫度的限制。SUN[12]對11 種制冷劑進行試驗研究，指出系統采用R152a 作為制冷劑時能夠獲得較高的COP，但其具有較高的飽和壓力，對換熱器和管路的承壓能力要求高。張博等[13]研究了以R236fa 作為工質，系統COP最大可達到0.35，且R236fa 作為制冷劑的噴射制冷系統具有更好的經濟性，并且在大型化制冷系統的設計、加工和制造中具有明顯的優勢。

目前，R245fa 作為新的環保型替代制冷劑[14]，已經被提出替代R11、R114 和R141b 等中高溫制冷劑，制冷劑R245fa 總體性能較好，具有低沸點、低導熱性等優點，老化速度比R141b 慢，與多元醇混溶性較好。并且R245fa 在低壓冷水機組、高溫熱泵和有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，ORC）余熱發電行業的應用具有良好前景[15]。SHESTOPALOV 等[16-17]對R245fa 應用于噴射式制冷機組進行了調查。MAZZELLI 等[18]已經將R245fa運用在了超音速噴射循環系統中。

本文通過REFPROP 9.0 調用參數，對制冷劑R134a、R152a、R142b、R718、R245fa、R141b 和R236fa 進行物理性質的比較，并著重對比分析了R141b 與R245fa 對噴射器噴射系數與系統COP的影響，以便為今后的制冷劑替代工質提供借鑒。

1 建模對象

本文以太陽能噴射式制冷循環為理論分析的基礎，裝置模型及其T-S 圖如圖1和圖2。

圖1 太陽能噴射式制冷原理圖

圖2 蒸汽噴射循環T-S 圖

由圖2可知，1→2 是工作流體等熵膨脹過程，2→4 是工作流體進入噴射器混合室，3→4 是引射流體被卷吸進混合室；4→5 為工作流體和引射流體混合后在擴壓段的升壓過程，5→6 為混合流體的冷凝過程；6→7→3 為制冷劑節流后進入蒸發器，其中，6→7 為制冷劑在膨脹閥中節流，為等焓過程；6→8→1 為循環泵將制冷劑打入發生器中加熱過程，其中循環泵將制冷劑打入發生器視為等熵過程。

1.1 系統性能及噴射系數的模型建立

穩態模型的假設：

1）將系統的運行視為穩態運行；

2）不考慮系統中流體在正常流動過程中流動損失與熱損失；

3）冷凝器進出口制冷劑狀態分別為飽和氣與飽和液；

4）蒸發器制冷劑的出口狀態為飽和氣；

5）假定其蒸發溫度、冷凝溫度和發生溫度均為定值。冷凝溫度變化范圍30 ℃～50 ℃，蒸發溫度變化范圍5 ℃～25 ℃，發生溫度變化范圍70 ℃～120 ℃。

1.2 系統循環性能模型

根據《制冷與低溫原理》[19]，《噴射器》[20]中的噴射式制冷循環計算公式對整個噴射式制冷循環過程進行熱力計算。利用EES 軟件對熱泵循環進行性能分析，得出COP隨工質種類、蒸發溫度、冷凝溫度等參數的變化情況。

在蒸發器中的制冷量為：

式中：

qme——被引射流體的質量流量，kg/s；

h3——制冷劑出蒸發器時的比焓，kJ/kg；

h7——制冷劑進蒸發器時的比焓，kJ/kg。

在發生器中的換熱量：

式中：

qmg——工作流體的質量流量，kg/s；

h1——工作流體出發生器時的比焓，kJ/kg；

h8——工作流體進發生器時的比焓，kJ/kg。

冷凝器中的換熱量：

h5——混合流體進冷凝器時的比焓，kJ/kg；

h6——混合流體出冷凝器時的比焓，kJ/kg。

若不考慮循環泵的耗功和其他熱損失，由能量守恒方程可以得到：

由質量守恒方程可以得到：

則噴射式制冷系統COP為：

式中：

μ——噴射系數，μ=qme/qmg。

1.3 噴射器的噴射系數模型

圖3為噴射器主要組成構件，在傳統的噴射器基礎上進行了結構改進，將引射流體進口設置于噴射器長度方向，將工作流體進口布置在噴射器側壁面上，減少了噴射器引射流體入口處的能量損失，得到更大的噴射系數。

圖3 噴射器結構圖

陳華等[19]提出對于射流泵可采用一維穩壓混合理論。模型假設如下：

1）噴射器內流動是一維穩態的；

2）噴射器內的過程都是等熵過程；

3）噴射器混合段是定壓過程；

4）內壁是絕熱的，沒有熱量損失。

在噴嘴處，忽略工作流體入口速度u1，根據能量守恒，出口速度為：

式中：

h1——工作流體入口焓值；

h2——工作流體出口焓值；

u2——工作流體出口速度，m/s；

η1——噴射器噴嘴效率，假定為0.85。

在混合處，忽略引射流體的入口速度，由動量守恒得混合流體平均速度：

式中：

μ——噴射器的噴射系數；

u3——混合流體平均速度，m/s；

u2——工作流體出口速度，m/s；

η2——噴射器混合段效率，假定為0.95。

根據能量守恒，混合氣體焓值表示為：

式中：

h3——混合流體混合段焓值；

h4——引射流體焓值。

在擴壓段，忽略混合流體在噴射器出口的速度，由能量守恒得出口焓值為：

出口實際焓值為：

式中：

h5——混合流體的焓值；

h6——混合流體擴壓段焓值；

η3——噴射器擴壓段效率，假定為0.85。

噴射系數μ可以表示為[21]：

1.4 噴射系數模型的計算流程

根據質量守恒、動量守恒及能量守恒定律，噴射器采用一維穩壓混合理論計算模型，計算流程如圖4所示。

圖4 噴射器噴射系數計算流程圖

2 制冷劑的選擇

選擇7 種制冷劑進行分析，如表1所示。利用REFPROP 軟件得出飽和壓力隨發生溫度變化圖。其中，發生溫度指制冷劑在發生器內沸騰的溫度。如果選擇的制冷劑飽和壓力過高，則噴射式制冷系統的管路及設備皆需選用耐高壓產品，并且耗功量也增大，能源損失比較大，因此本文優選飽和壓力較低的制冷劑。由圖5可知，R245fa、R141b 和R718這3 種制冷劑相較于其他4 種制冷劑飽和壓力要低，并且GWP 也相對低一些。

用數學模型對7 種制冷劑在蒸發溫度為15 ℃、冷凝溫度為40 ℃的工況下分別進行計算，比較他們對系統噴射系數與性能參數的影響情況，得到圖6與圖7。從圖中可得，當R718 作為制冷劑時，其噴射系數與性能系數較大，并且隨著壓力的升高，它的飽和壓力變化很小。但由于R718 的壓焓圖中飽和氣相線為負斜率，當噴嘴工作時混合流體為等熵膨脹過程，壓力下降，混合流體將變成氣水兩相，影響噴嘴的效率。R141b 相較于其他5 種制冷劑（除R718 之外），隨著溫度的增大它的飽和壓力變化最小，同時它的噴射系數與性能系數最大，并且飽和氣相線為正斜率。

表1 各種替代制冷劑熱物理性質

圖5 各種制冷劑的飽和壓力隨發生溫度變化圖

圖6 各種制冷劑的噴射系數隨發生溫度變化圖

圖7 各種制冷劑的COP 隨發生溫度變化圖

3 R141b和R245fa系統性能分析

R141b 在噴射式制冷系統中有較高的噴射系數和COP，且飽和壓力隨發生溫度增加較小。選取制冷劑R141b 和R245fa 從冷凝溫度與蒸發溫度兩方面進行比較計算，得出如下結果。

3.1 冷凝溫度對噴射系數與性能系數的影響

由圖8可以看出R245fa 與R141b 兩種制冷劑在發生溫度100 ℃、蒸發溫度15 ℃下，噴射系數隨冷凝溫度變化趨勢線基本相似，隨著冷凝溫度從30 ℃升高至50 ℃，噴射系數不斷下降，R141b 噴射系數比R245fa 噴射系數略高些，但兩者相差的并不大。隨著冷凝溫度的升高，兩者的差值越來越小，差值在0.0065～0.008 變化。

由圖9可以看出R245fa 與R141b 兩種制冷劑在發生溫度100 ℃、蒸發溫度15 ℃下，性能系數隨冷凝溫度變化趨勢基本相似，隨著冷凝溫度的不斷升高，兩種制冷劑的性能系數不斷下降，R141b性能系數比R245fa 性能系數略高些，但兩者相差的并不大。隨著冷凝溫度從30 ℃升高至50 ℃時，兩者的差值越來越小，差值在0.0125～0.0325 變化。

圖8 發生溫度100 ℃時R245fa 與R141b 的噴射系數隨 冷凝溫度變化

3.2 蒸發溫度對噴射系數與性能系數的影響

由圖10可以看出R245fa 與R141b 兩種制冷劑在發生溫度100 ℃、冷凝溫度40 ℃下，噴射系數隨蒸發溫度變化趨勢線基本相似，隨著蒸發溫度從5 ℃升高至25 ℃，噴射系數不斷上升，R141b 噴射系數比R245fa 噴射系數略高些，但是兩者相差的并不大。隨著蒸發溫度的不斷升高，兩者的差值越來越大，差值范圍在0.006～0.0095。

由圖11可以看出R245fa 與R141b 兩種制冷劑在發生溫度100 ℃、冷凝溫度40 ℃下，性能系數隨蒸發溫度變化趨勢基本相似，隨著蒸發溫度的不斷升高，兩種制冷劑的性能系數都是不斷上升的，R141b 性能系數比R245fa 性能系數要高些，但兩者相差的并不大。隨著蒸發溫度從5 ℃升高至25 ℃時，兩者的差值越來越大，差值范圍在0.015～0.03。

圖9 發生溫度100 ℃時R245fa 與R141b 的COP 隨 冷凝溫度變化圖

圖10 發生溫度100 ℃時R245fa 與R141b 噴射系數隨 蒸發溫度變化

圖11 發生溫度100 ℃時R245fa 與R141b 的COP 隨 蒸發溫度變化

4 結論

1）水作為制冷劑時，噴射系數與COP是最高的，依次是R141b、R152a、R142b、R245fa、R134a和R236fa。隨著發生溫度的升高，他們之間的差值越來越大。但水屬于濕制冷劑，壓焓圖中飽和氣相線為負斜率，會影響噴嘴噴射效率，不宜采用。

2）在發生溫度為100 ℃時，制冷劑R245fa、R141b 的噴射系數和COP與蒸發溫度成正比，與冷凝溫度成反比，在低蒸發溫度或高冷凝溫度下，R245fa 替代R141b 較佳。

3）發生溫度為100 ℃時，R245fa 的最大COP可達0.5 左右。在蒸發溫度一定時，噴射系數兩者相差1%以下，兩者COP相差4%以下；在冷凝溫度一定時，兩者噴射系數相差1%以下，COP相差3%以下。