渦流管膨脹的二氧化碳跨臨界制冷循環性能研究

劉業鳳，孫影，張華，唐丹萍，鐘文軒，王東亮

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

近年來，不斷增加的臭氧層損耗和全球變暖的威脅引起了業內對環保節能型制冷劑的大量關注。天然制冷劑CO2具有對環境友好（ODP=0，GWP=1）、容積制冷量大、良好的導熱性、粘度低、與普通的潤滑劑和結構材料相兼容、壓比低、不需回收、價廉易得等諸多優點，是一種取代傳統制冷劑的環境友好型制冷劑，近年來已經在熱泵熱水器、汽車空調、采暖等場合得到推廣應用[1]。但是，由于CO2臨界溫度低（31.1 ℃），通常采用跨臨界循環方式，與傳統工質的制冷循環相比，CO2跨臨界循環的高低壓差大（7 MPa左右），當采用常規的膨脹閥絕熱等焓節流時，膨脹閥造成的不可逆損失高達40%，比壓縮機的還高[2]，因此導致系統性能系數（COP）低，減少降壓節流損失是提高CO2系統COP的重要解決方法。

渦流管（Vortex Tube）是一種結構極為簡單緊湊的膨脹降壓裝置，無運動部件、維護簡便，因此工作極為可靠，又不消耗外加動力。它是利用渦流管的Ranque-Hilsch效應，可以將一股壓縮氣體同時分離為溫度不同的兩股冷熱氣體。LI等[3]在2000年首次提出利用渦流管替代節流閥來減少節流損失。文獻[4]在相同工況條件下進行一定的熱力分析和計算，比較了節流閥、渦流管及透平膨脹機作為膨脹裝置時的不可逆損失的大小。

目前，關于渦流管的研究，大部分文獻研究的是壓縮空氣，對于CO2等制冷劑存在氣液相變的研究較少，還不夠深入全面[5-20]。本文通過研究渦流管進口溫度、壓力、渦流管等熵效率、冷質量分數對二氧化碳跨臨界制冷循環COP性能提高的影響規律，為渦流管的設計、系統的性能優化提供理論依據。

1 渦流管膨脹的二氧化碳跨臨界制冷循環工作原理

1.1 二氧化碳跨臨界基本制冷循環

在二氧化碳跨臨界基本制冷循環中，采用常規的膨脹閥進行節流，如圖1所示：來自壓縮機高壓高溫的CO2氣體（點2b），經氣體冷卻器（以下簡稱氣冷器）的無相變放熱后（點3）進入膨脹閥節流，工質由超臨界狀態膨脹到兩相區（點3b），再進入蒸發器吸熱后進入壓縮機。

圖1 膨脹閥節流的二氧化碳跨臨界基本制冷循環系統圖

1.2 渦流管膨脹的二氧化碳跨臨界制冷循環

常規渦流管主要由噴嘴、渦流室、分離孔板、冷端管、熱端管和控制閥組成。高壓氣體通過噴嘴膨脹加速后，沿切向進入渦流室后形成強烈的渦流，最終分離為冷熱兩股溫度不同的氣流。本文研究的渦流管膨脹的二氧化碳跨臨界制冷循環，由于高壓CO2經渦流管噴嘴膨脹后進入氣液兩相區，因此本文設計的渦流管在常規渦流管的基礎上增加了一個飽和液體出口，系統如圖2所示。系統循環特點是：來自氣冷器的CO2超臨界氣體在渦流管中經渦流管噴嘴膨脹到3′點，然后在渦流管內分成3部分：飽和液體（點4）、飽和氣體（點C）和過熱氣體（點H）。飽和液體與飽和氣體混合后（點6）流入蒸發器，過熱氣體經過熱降溫器冷卻（點5），然后與蒸發器出來的氣體混合后進入壓縮機。

圖2 渦流管膨脹的二氧化碳跨臨界制冷碳循環系統圖

圖3是兩種二氧化碳跨臨界制冷循環系統在壓焓圖上的表示，各狀態點與圖1和圖2上的點一一對應。基本系統的循環過程是7-2b-3-3b-7。由圖3可以看出：渦流管噴嘴膨脹后的狀態點比基本循環的節流閥出口狀態點3b焓值低，更接近等熵點3s，這是由于渦流管噴嘴的等熵效應，減少了不可逆損失。同時，渦流管分離出的過熱氣體經過熱降溫器冷卻后進一步降低了壓縮機進口溫度，提高了系統性能。

圖3 二氧化碳基本制冷循環及渦流管膨脹的系統壓焓圖

2 兩種系統的熱力學分析與計算

2.1 跨臨界二氧化碳基本制冷循環的熱力學計算

根據圖3，跨臨界二氧化碳基本制冷循環系統的COPb計算公式如下：

式中：

COPb——二氧化碳基本制冷循環性能系數；

h7——7點處的焓值，kJ/kg。

(注：h代表下腳標點處的焓值，下同。）

2.2 渦流管膨脹的跨臨界二氧化碳制冷循環的熱力學計算

假設渦流管等熵效率為ηe，可計算出渦流管噴嘴出口3′點焓值：

根據3′點蒸發壓力可以查得3′點干度x。

根據冷質量分數y定義，可得出：

式中：

mc、mh——冷端和熱端出口流體質量流量，kg/s。

考慮到飽和液體全部由4點排出，其質量流量為1-x，則由冷端C點和熱端H點流出的總質量流量為x，即：

解方程組(3)和(4)得出：mc= xy；mh= x(1-y)。

根據能量守恒，可計算H點焓值：

6點是4點和C點的混合點，可計算6點焓值：

1點是5點和7點的混合點，可計算1點焓值：

由壓縮機效率ηc和排氣壓力P3，計算2點焓值：

最終得出渦流管系統的COPv：

3 計算結果及分析

假設蒸發溫度為0 ℃，壓縮機等熵效率為0.8，過熱降溫器出口溫度與氣冷器出口溫度相同，分析氣冷器出口溫度T3、渦流管噴嘴等熵效率ηe、冷質量分數y及氣冷器出口壓力（即排氣壓力P3）對系統COP的影響，變化參數的設置見表1。

表1 熱力循環變化參數設置

圖4至圖7分別給出了氣冷器出口溫度、渦流管噴嘴等熵效率、冷質量分數及排氣壓力對兩種循環COP的影響，以及渦流管循環與節流閥系統COP相比，COP的提高效果。

由圖4可以看出，隨著氣冷器出口溫度的升高，渦流管系統和節流閥系統的COP都降低，但是渦流管系統的COP高于節流閥系統的，隨著氣冷器出口溫度升高，渦流管系統的COP增加。尤其是當氣冷器出口溫度高于40 ℃后，增加的幅度顯著升高。例如當溫度為45 ℃時，COP增加達28%。這是因為當氣冷器出口溫度越高，渦流管噴嘴出口的工質干度越高，氣體含量越高越有利于發揮渦流管冷熱分離的作用，越有利于提高COP。

圖4 氣冷器出口溫度對系統COP提高的影響

由圖5可以看出，隨著渦流管噴嘴的熵效率的增加，當在噴嘴中實現等熵膨脹時，系統COP最高可增加9.3%。進一步研究如何實現渦流管噴嘴的等熵膨脹也是改善COP的極其重要的手段。

由圖6可以看出，隨著冷質量分數y的增加，渦流管系統的COP逐漸增大，當y=0.8時，COP提高12%。這是由于隨著冷質量分數的增加，換熱器的排熱量增加，從而增大了COP。

由圖7可以看出：隨著排氣壓力的降低，渦流管系統COP提高的幅度越大。特別是當排氣壓力低于10 MPa時，增加量明顯更高。當排氣壓力為8.4 MPa時，其他參數取參考值，COP提高了21%。

圖5 噴嘴等熵效率對系統COP提高的影響

圖6 冷質量分數對系統COP提高的影響

圖7 排氣壓力對系統COP提高的影響

4 結論

針對二氧化碳跨臨界制冷循環，本文提出采用渦流管膨脹替代膨脹閥節流，以減少不可逆損失，提高系統COP。通過對該系統渦流管性能的影響因素進行對比研究，得出以下結論：

1）氣冷器出口溫度越高，渦流管系統COP提高的幅度越明顯。在45 ℃時，COP可增加28%；

2）渦流管噴嘴的等熵效率和冷質量分數越高，越有利于提高系統的COP，最高可增加10%左右；

3）排氣壓力對系統COP的影響顯著。排氣壓力越低，COP增幅越大。當排氣壓力為8.4 MPa時，COP提高了21%。

本文的研究結果為后續渦流管的設計和研究，尤其是系統最優排氣壓力分析和系統優化等提供理論依據。