CO2/NH3噴射復疊制冷系統的性能模擬

郭珊，杜塏?，江巍雪，李陽

（1-東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210096；2-華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510641）

0 引言

相較于國外，我國制冷行業發展歷史較短，冷鏈發展程度較低，使得氨冷庫系統在國內存在多方面的問題[1]。且冷庫設備老化，加上管理不善，為氨冷庫埋下諸多安全隱患[2]。近年來，全國各地氨制冷冷庫泄露事故頻發，使得冷庫改造更加迫在眉睫[3]。CO2作為一種環境友好的自然工質[4]，其ODP=0，GWP=1[5]。CO2制冷劑的容積制冷量約為NH3制冷劑的8 倍，從而使得低溫級制冷劑的容積流量大大降低[6]。與相同容量的NH3系統相比，NH3/CO2復疊式制冷系統可以減少約90%氨充注量[7]。利用CO2作為低溫級循環的相變冷媒，運行在非跨臨界狀態，可以克服其壓力高的缺點[8]。CO2代替NH3向外界供冷，而高溫級NH3制冷循環部分可以設置在機房等遠離公眾的場所，從而大大降低了系統的不安全因素，并且CO2在低溫時有較小的黏度以及良好的傳熱性能，可有效減小系統中所需的換熱面積以及壓縮機體積，系統的安裝、制作和維護成本都可以降低[9]。利用NH3/CO2雙工質復疊制冷系統代替傳統的氨制冷系統，不僅能很好地解決氨制冷劑與冷庫直接接觸等問題，還能夠較好地提升系統綜合性能，因此逐步得到了制冷科研工作者的重視，成為現今有應用前景的研究方向[10]。

通過改造普通復疊式制冷系統，可以進一步提升系統性能。噴射器由于結構簡單、可利用余熱、綠色經濟的特點很早就被用于低品位熱源驅動[11]。若在蒸汽壓縮制冷循環系統中加入噴射器，這種改進方式不僅可以回收部分節流損失提升制冷效果，還能充分利用循環過程中產生的余熱減少系統能耗，實現節能減排[12]。基于此想法，本文提出了一種利用壓縮排氣顯熱的CO2/NH3復疊噴射式制冷系統，并利用MATLAB 調用REFPROP 軟件建立系統模型進行相應的數值模擬分析研究。

1 系統介紹

傳統的蒸汽壓縮式制冷節流后通常為兩相狀態，是具有一定干度的濕蒸汽，進入蒸發器后，其中液體部分在換熱器中進行潛熱交換實現制冷；而另一小部分氣體即閃蒸汽，在蒸發器中不僅無法進行熱交換產生制冷效果，還會占據蒸發面積并干擾液體部分進行換熱，此外壓縮機還需要對這部分毫無制冷效果的低壓氣體進行壓縮做功。這樣使得在制冷量并未提高的同時，增加了壓縮機的單位容積耗功并降低了蒸發器的單位容積制冷量，因而不利于系統的節能高效運行[13]。

本文提出一種利用制冷壓縮排氣顯熱的CO2/NH3復疊噴射式制冷循環，系統流程如圖1所示，各狀態點壓焓如圖2所示。通過增加包括汽化發生器、噴射器、液體增壓泵、液位控制器、電磁閥、壓力傳感器等，在復疊式制冷循環的低溫部分耦合噴射器循環。在氣化發生器中利用低溫和高溫壓縮機排出的過熱蒸汽顯熱，加熱經過冷凝增壓的液體制冷劑，產生發生壓力下的飽和氣體，作為噴射器的工作蒸汽，用來引射低溫部分制冷劑（CO2）節流后進入氣液分離器的閃蒸氣體，通過噴射器變為冷凝蒸發壓力。而冷凝蒸發器中出來的液體分成兩路：一路經升壓泵加壓后進入汽化發生器中，利用壓縮機排氣顯熱加熱，產生噴射器的工作蒸汽，其壓力隨溫度的提高而提高；另一路液體經過節流閥進入氣液分離器，將節流后的兩相流體分離，其中液體部分進入蒸發器中進行有效換熱，而閃蒸氣體部分被噴射器引射。這種設計不僅有效減少了節流損失，還避免了閃蒸氣體進入蒸發器，使得有限的換熱面積不能得到很好的利用，出現蒸發器換熱系數降低的問題。其次，在增大壓縮機單位容積制冷量的同時，減小其單位容積耗功，從而提升系統性能[14]。

圖1 利用制冷壓縮機排氣顯熱的蒸汽壓縮-噴射耦合 制冷循環流程示意圖

圖2 系統壓焓圖

2 建模及驗證

2.1 系統建模

本模型是在已有研究成果的基礎上，采用一種數值計算方法，建立較為準確地反映兩相混合流動過程的數學模型和得出噴射系數計算結果，該方法既能彌補經典熱力學法對極限壓縮比和噴射系數無限制的弱點[15]，又能彌補氣體動力函數法不能用于兩相流的缺點[16]。

對噴射過程作如下理論假設[17]：

1）流體在噴射器內進行一維穩態流動；

2）在噴射器入口處，工作流體（狀態點7）、引射流體（狀態點2）均為飽和狀態，且忽略其入口和出口流體的動能；

3）噴射器內的流動理論上為絕熱等熵流動，而實際流動過程中不可避免的存在壁面摩擦損失和混合損失，因此引入效率系數加以計算；

4）工作流體和引射流體的混合過程認為是等壓混合過程；

5）假設實際工作過程達到與理想工作過程一樣的排出壓力，即冷凝壓力[18]。

通過調用NIST(National Institute of Standard and Technology)開發的REFPROP 9.0 制冷劑物性計算軟件[20]與編寫的噴射器計算模型程序的接口，計算制冷工質在工作過程中實際熱力學參數和干度的變化，利用MATLAB 對系統各部件進行編程建模，并通過數學方法對狀態點進行處理計算。圖3為整個系統模型的計算流程圖。

圖3 系統流程圖

2.2 模型驗證

本文所提系統本質上是在一般復疊式制冷系統中的低溫級部分耦合噴射器，其中的復疊式循環作為典型制冷方式的一種，已形成了較為完善的建模計算方法。但對本文系統的主要特殊部件——噴射器的深入研究還較少，其建模方法仍處于不斷探索中。因此判斷本文系統建模好壞，最重要的應是驗證噴射器模型建立的準確性。

本系統中噴射循環為CO2亞臨界制冷循環，但文獻普遍考慮的是CO2跨臨界循環，且由于CO2工質對容器壓力要求較高，有關CO2噴射的實驗數據尚不充分。但噴射模型對不同工質應具有普適性，因此本文決定借助文獻[21]中針對R141b 為制冷工質進行的噴射器實驗研究結果，來對本文建立的噴射理論模型加以驗證。如圖4和表1所示，在一定工況下（Pg=0.465 MPa～0.604 MPa，Pe=0.04 MPa），本文理論模型計算噴射系數與文獻[21]的噴射器實驗所得噴射系數對比。圖中斜率為1 的直線為計算值等于實驗值的情況，可見文獻[21]的實驗噴射系數與本文理論模型計算的噴射系數的比值基本位于這條直線附近。表1有本文理論噴射模型的計算誤差與文獻[21]理論模型計算誤差的比較，對照其噴射實驗結果來看，文獻[21]模型的計算誤差為11.98%，而本文理論噴射模型的計算誤差為6.71%，誤差減小了5.27%，精確度提高了近一倍。分析原因可能在于本文建立模型時考慮流體為實際流體，其比容、比熱、聲速等物理性質與理想氣體有明顯差異，并且在流體流動過程中也考慮了干度的變化，因此本文在充分考慮實際噴射過程及狀態后所建立的噴射模型具有較高的準確度，也在很大程度上保證了后續系統模型所得計算結果及數據的可靠性。

圖4 噴射系數計算值與實驗值的比較

表1 本文模型與文獻模型[21]的誤差比較

3 計算結果及分析

3.1 與普通復疊式系統的對比

3.1.1 制冷量的對比

由于噴射復疊式制冷系統利用噴射器引射閃蒸汽回收節流損失，避免節流后的閃蒸汽占據蒸發器面積干擾換熱，與未改造前的普通復疊式制冷系統相比，本系統中蒸發器制冷效果將有較大提升。設定Qr為噴射復疊式制冷系統與普通復疊式制冷系統的蒸發制冷量之比。如圖5所示，Qr值大于1，表明在低溫級壓縮吸氣量保持一定時，本文系統中的單位制冷量明顯高于普通復疊式系統的單位制冷量，制冷效果相較于未改進前有明顯的提高，平均提高40%左右。

圖5 不同蒸發溫度下兩種系統制冷量的比值

3.1.2 做功量的對比

本文所提出的噴射復疊式制冷系統做功除了高溫及低溫部分的壓縮機做功外還有增壓泵做功。由于本系統回收節流損失的同時，使得低溫壓縮機吸氣量有所減少，因此低溫部分的壓縮機耗功相較改進前有所減少。而對于高溫部分，由于還要考慮到噴射器排出的這部分蒸汽，因此本論文系統中的高溫壓縮耗功會高于普通復疊式制冷系統。如圖6所示為不同蒸發溫度下兩種系統的做功量情況對比。設定Wr為本系統與普通復疊式制冷系統的做功量之比。一方面，隨著發生壓力的升高，噴射復疊式制冷系統的做功量減少，而普通復疊式制冷系統的做功不變，因此在蒸發溫度一定時，Wr值會隨著發生壓力的升高而逐漸減小。另一方面，當發生壓力一定時，Wr值隨著蒸發溫度的降低而減小。換言之，蒸發溫度越低時，噴射復疊式制冷系統的耗功小于普通復疊式制冷系統時，最高發生壓力也隨之下降，降低了對壓力容器的裝配要求。

圖6 不同蒸發溫度下兩種系統隨著發生壓力變化的做功比

3.1.3 制冷系數的對比

圖7為Te=-40 ℃時的兩種系統的制冷系數COP的對比情況，其中本論文所提的噴射復疊式系統的制冷系數隨著發生壓力的升高而升高，而普通復疊式系統在蒸發溫度一定時COP不變。當發生壓力為6.16 MPa 時，兩種系統的制冷系數相等。在此工況下，當發生壓力大于6.16 MPa，本論文所研究的性能系數高于普通復疊式性能系數。而圖8為不同蒸發溫度下，隨著發生壓力的變化，兩種系統的制冷系數COP的比較。ΔCOPr為兩種系統的制冷系數相對之差。一方面，隨著發生壓力的升高，噴射復疊式系統的制冷系數將高于普通復疊式制冷系統的制冷系數。另一方面，蒸發溫度下降時，也降低了對噴射復疊式系統的發生壓力要求。因此當發生壓力越高、蒸發溫度越低時，噴射復疊式系統的優勢會更加明顯。

圖7 蒸發溫度Te=-40 ℃時該系統與一般復疊式系統的比較

圖8 兩種系統性能系數COP 隨工況變化的比較

3.2 噴射復疊式系統的變工況分析

3.2.1 蒸發溫度對噴射系數的影響

由圖10可知，系統中噴射器系數隨著蒸發溫度的升高而逐漸減小。具體分析如下：根據復疊式制冷循環按照各壓縮級壓力比相近原則可知，在冷凝壓力不變的情況下，中間冷凝蒸發壓力會隨著蒸發壓力的升高而上升，即蒸發冷凝溫度也會隨之相應升高。通過計算結果得知：蒸發溫度每提高5 ℃，低溫級壓縮機排氣溫度將提高7 ℃左右，而高溫級壓縮排氣溫度會下降9 ℃左右。由于氨的比熱要明顯高于二氧化碳的比熱，隨著蒸發溫度的升高，低溫級壓縮排氣增多的熱量遠遠少于高溫級壓縮排氣減少的熱量，而二者的排氣顯熱會一同作為能量供應給發生器中液體用以汽化，因此，這一部分總熱量越少，汽化的蒸汽量隨之減少，導致發生器的壓力隨之下降。由圖9可知，該系統中汽化發生器中所能達到的最大壓力隨著系統蒸發溫度的升高而下降。另外需要說明，通常認為的噴射系數隨著引射蒸汽壓力的降低而減小，是在噴射工作蒸汽壓力不變時實現的。但在本系統的工況設定條件下，隨著蒸發溫度的升高，工作蒸汽的噴射壓力（即發生壓力）降低明顯，而許多研究人員都通過理論計算和實驗驗證得到：工作蒸汽壓力對噴射系數的影響遠遠大于引射蒸汽壓力對噴射系數的影響[22]。因此蒸發溫度的升高時，盡管引射蒸汽壓力有所升高，但最終噴射系數將會減小。

圖9 蒸發溫度對最大發生壓力的影響

圖10 蒸發溫度對噴射系數的影響

3.2.2 過熱/冷度對噴射系數的影響

制冷系統在實際運行過程中，由于管道熱阻以及為防止壓縮機內出現“液擊”現象，蒸發器出口常常設有一定過熱度，而過熱度的多少對系統中噴射器運行的具體影響如圖11所示：隨著蒸發器出口過熱度的增加，相應噴射系數會隨之減小。當過熱度增加時，壓縮機進口溫度升高，工質進入壓縮機被升至相同蒸發冷凝壓力時的壓縮排氣溫度會隨之相應提高，因此能夠利用更多的壓縮排氣熱量，使得汽化發生器內相變的蒸汽量增多。從而使得噴射器的工作蒸汽量增大，而引射相同的閃蒸汽量時，噴射系數就會有所降低。

由于蒸汽側放熱熱阻、蒸汽流動阻力和空氣漏入等影響，使得蒸汽凝結分壓低于冷凝器進口排氣壓力，加上管壁上的凝結水膜受到冷卻水的冷卻作用，因此在系統實際運行中，應考慮冷凝出口的過冷影響。圖12為冷凝器凝結水的過冷度對系統中噴射器的噴射系數的影響：隨著過冷度的增加，噴射系數隨之相應減小。通過分析，當冷凝出口產生過冷時，經過節流閥節流后的兩相流體干度減小，即其中的閃蒸汽量減少，使得噴射器中所能引射的蒸汽量減少，從而在其他條件不變的情況下，噴射系數隨之降低。

圖11 過熱度對噴射系數的影響

圖12 過冷度對噴射系數的影響

3.2.3 發生壓力對系統性能系數的影響

如圖13所示，在該系統中，隨著發生壓力的提升，制冷系數COP呈升高趨勢。首先，發生壓力的升高會使得噴射系數增大，因此噴射器中引射蒸汽與工作蒸汽的比值將發生變化，引射蒸汽量將相對增大，而工作蒸汽的量相對減少，這樣一方面可以回收更多節流損失，并且更有利于提升蒸發器內制冷效果；另一方面，工作蒸汽量的減少也意味著壓縮機減少了吸氣量，降低耗功。因此單位制冷量與耗功的比值增大，系統的性能系數隨著發生壓力的升高而增大。

圖13 發生壓力對制冷系數的影響

3.2.4 過熱/冷度對系統性能系數的影響

過熱/冷度對系統性能系數的影響如圖14所示。根據計算得出，蒸發器出口的有效過熱以及冷凝器出口的過冷均有利于制冷性能的提升，使得制冷系數增大。但過熱度對制冷系數增大的影響極小，這是由于有效過熱雖然提高了系統的單位制冷量，但同時也增大了壓縮機-進口溫度，在需壓縮到相同冷凝蒸發壓力的情況下，實際所需的單位耗功也增加了。此時制冷系數COP是增大還是減小，取決于單位制冷量與耗功量二者比值的相對變化情況，根本上則由工質的熱力性質所決定[4]。通過計算分析，在工質CO2/NH3復疊式制冷系統的給定工況條件運行時，制冷系數隨著過熱度的增加確有增大，但增大幅度極少，甚至可忽略不計。因此作圖時變化趨勢極不明顯，此處便省略過熱度對制冷系數影響的示意圖。冷凝出口有一定過冷度時，節流后的兩相工質干度減小，從而提高蒸發器中單位制冷量，其他條件不受影響時，壓縮機耗功仍保持不變，因此單位制冷量與耗功量的比值自然增大，如圖14所示，過冷度的增加使系統制冷系數呈升高趨勢。

圖14 過冷度對制冷系數的影響

4 結論

為解決一般蒸汽壓縮制冷系統節流閃蒸汽占據蒸發面積的問題，設計了一種利用壓縮排氣熱的噴射復疊式制冷系統。首先，進行噴射建模及系統建模，并參考文獻的實驗數據對模型進行驗證，其計算誤差為6.71%，模擬吻合度較好。然后與改進前的普通復疊式系統進行對比，由模擬結果得出該CO2/NH3噴射復疊式系統在低蒸發溫度、高發生壓力時，以及在過熱、過冷或者回熱循環時，該系統能更好地體現改進優勢及節能意義。最后針對本系統的噴射性能及整體特性進行具體的變工況分析以進一步說明，并得出以下結論。

1）當蒸發溫度越低、發生壓力越高時，本系統性能優于未改進的普通復疊式制冷系統，更能體現其改進優勢和節能意義。據計算，當蒸發溫度為-55 ℃、發生壓力7 MPa 時，本系統性能系數相較于改進前可提高10%以上，為氨冷庫改造提供一種可能性解決方案。

2）考慮工作蒸汽對噴射性能的主要影響，使得噴射系數隨著蒸發溫度的降低而增大，當蒸發溫度從-25 ℃降低到-55 ℃，噴射系數從0.23 升高到0.60。噴射系數隨著過熱度和過冷度的升高而減小。但隨著發生壓力的升高，過熱/過冷度對噴射系數的影響逐漸變小，當發生壓力達到一定時，其影響可忽略不計。

3）系統制冷系數隨著蒸發溫度的升高而增大，隨著發生壓力的升高而增大，隨著過冷度的升高而稍微增大，雖然在此設計工況計算中，過熱度對制冷系數的影響不明顯，但綜合來看，建議采取回熱循環，將更有利于系統制冷系數的提高和良好運行。