噴射式大溫差換熱系統實驗研究

張承虎， 林己又， 李亞平， 譚羽非

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院，黑龍江哈爾濱150090；2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150090)

1 概述

目前，集中供熱領域存在的主要問題包括兩方面：供熱管網擴容改造與超遠距離供熱[1-3]。采用重新敷設一級供熱管網(以下簡稱一級網)的傳統方法，雖然能夠解決上述問題，但投資巨大且費時費力。科研人員已從多個方面對上述問題進行了深入研究[4-5]。其中，大溫差供熱技術可以在不改變一級網的條件下，通過擴大一級網供回水溫差，進而從熱源中攫取更多的熱量，再由二級供熱管網(以下簡稱二級網)傳遞至用戶。有研究者以溴化鋰吸收式熱泵為基礎，提出了吸收式大溫差換熱技術[6-7]，并在用戶熱力站中得到推廣。常見的吸收式大溫差換熱系統，可在一級網供水溫度為110 ℃、二級網回水溫度為45 ℃的條件下，將一級網回水溫度降低至35 ℃，將二級網供水溫度提升至60 ℃。即在一級網水和二級網水之間存在溫度交叉現象，這是常規換熱設備與系統無法實現的熱力過程，也是判定大溫差換熱過程是否實現的重要依據。

吸收式熱泵是熱力驅動熱泵的一種形式，它是以高溫熱源為驅動力，從低溫熱源中攫取熱量，并向用戶提供中溫熱量的熱力設備。然而，吸收式熱泵存在著易發生結晶故障、冷劑水污染、負壓運行對機組密封性能要求高、設備占地面積大、投資高等問題。與溴化鋰吸收式熱泵相比，噴射式熱泵通常采用R245fa、R141b等單一有機工質，機組正壓運行且無結晶問題，同時具有系統結構簡單、投資少、占地面積小等優點。若能利用噴射式熱泵取代吸收式大溫差換熱系統中的吸收式熱泵，將推動大溫差換熱技術進一步發展，具有較高研究價值。噴射式大溫差換熱系統的構建與實驗研究在國內外現有研究中鮮有報道。

本文以噴射式熱泵為基礎，提出噴射式大溫差換熱系統，并對一級網水總換熱量為170 kW級并聯型噴射式大溫差換熱系統樣機的啟停特性以及額定工況、變工況條件下的熱力性能進行實驗研究。

2 系統描述

2.1 噴射式大溫差換熱系統

噴射式大溫差換熱系統(Ejector heat exchange system with large temperature difference，簡稱EHE)可應用于現有用戶熱力站，它是在傳統噴射式熱泵系統的基礎上，通過增設調溫換熱器，實現一級網與二級網之間的大溫差換熱過程。噴射式大溫差換熱系統內的主要設備包括噴射器、節流閥、工質循環泵、儲液器、沸騰器、蒸發器、冷凝器和調溫換熱器等。本文將系統中的沸騰器、蒸發器、冷凝器和調溫換熱器統稱為換熱器。當二級網水并聯流經冷凝器和調溫換熱器時，定義為并聯型噴射式大溫差換熱系統；當二級網水依次串聯流經冷凝器和調溫換熱器時，定義為串聯型噴射式大溫差換熱系統。

并聯型噴射式大溫差換熱系統原理見圖1。一級網供水來源于集中供熱熱源，根據“能量對口，梯級利用”的原則，依次在沸騰器、調溫換熱器和蒸發器內梯級釋放熱量后，作為一級網回水返回集中供熱熱源。儲液器中的一部分工質經工質循環泵升壓后，進入沸騰器內吸熱氣化，并作為噴射器中的主流流體。儲液器中的另一部分液態工質經節流閥降壓后，在蒸發器內吸收熱量氣化，作為噴射器中的二次流體。在主流流體的引射作用下，二次流體進入噴射器，兩股流體在噴射器內混合、擴壓后，進入冷凝器中冷凝至低溫液態，最終返回儲液器。二級網回水來源于用戶，其中一股二級網回水直接進入冷凝器吸收熱量，另一股二級網回水在調溫換熱器中吸收熱量，兩股二級網水最終合為一股，作為二級網供水向用戶供熱。

圖1 并聯型噴射式大溫差換熱系統原理

串聯型噴射式大溫差換熱系統原理見圖2。有機工質和一級網水在各部件內的工作原理與并聯型噴射式大溫差換熱系統相同。不同點在于二級網回水以串聯形式布置，先流經冷凝器，再流經調溫換熱器，最終作為二級網供水向用戶供熱。

圖2 串聯型噴射式大溫差換熱系統原理

對于以上兩種噴射式大溫差換熱系統而言，由于蒸發器內的一級網回水溫度有可能比調溫換熱器內的二級網供水溫度低，因此有可能實現大溫差換熱。當二級網水采用串聯連接形式時，其優點是管路結構簡單，但無法通過流量調節的方法對調溫換熱器和冷凝器之間的換熱量進行匹配，變工況適應能力較差。當二級網水采用并聯連接形式時，則可以有效解決換熱量匹配問題，具有較強的變工況適應能力。因此，本文只詳細研究并聯型噴射式大溫差換熱系統。

2.2 數學建模

以能量守恒、質量守恒公式為基礎，建立噴射式大溫差換熱系統的數學模型，并有以下合理假設：

① 忽略系統中的熱量損失、壓力損失。

② 系統的熱力狀態為穩態。

③ 換熱器內的窄點溫差大于3 ℃。

④ 忽略噴射器流體進出口處的動能。

⑤ 噴射器采用修正的等動量混合模型設計[8]。

系統噴射器內的能量守恒過程可按式(1)計算。

hg,outqm,ej,p+he,outqm,ej,s=(qm,ej,p+qm,ej,s)hc,in

(1)

式中hg,out——沸騰器有機工質出口比焓，kJ/kg

qm,ej,p——噴射器主流流體質量流量，kg/s

he,out——蒸發器有機工質出口比焓，kJ/kg

qm,ej,s——噴射器二次流體質量流量，kg/s

hc,in——冷凝器有機工質入口比焓，kJ/kg

噴射器的噴射系數ω可由式(2)表示。

(2)

式中ω——噴射器的噴射系數

沸騰器內包括預熱段、沸騰段和過熱段，冷凝器內包括預冷段、冷卻段和過冷段，蒸發器內包括蒸發段和過熱段，調溫換熱器內為一級網水與二級網水之間的水-水換熱過程。同一換熱器內的放熱介質與吸熱介質之間存在能量守恒關系，可由式(3)～(5)統一表示。

Φ=qm,hs(hhs,in-hhs,out)

(3)

Φ=qm,cs(hcs,out-hcs,in)

(4)

Φ=KAΔt

(5)

式中Φ——換熱器換熱量，kW

qm,hs——換熱器放熱介質質量流量，kg/s

hhs,in——換熱器放熱介質進口比焓，kJ/kg

hhs,out——換熱器放熱介質出口比焓，kJ/kg

qm,cs——換熱器吸熱介質質量流量，kg/s

hcs,out——換熱器吸熱介質出口比焓，kJ/kg

hcs,in——換熱器吸熱介質進口比焓，kJ/kg

K——換熱器傳熱系數，kW/(m2·K)

A——換熱器換熱面積，m2

Δt——換熱器對數傳熱溫差，℃

不論是噴射式大溫差換熱系統，還是吸收式大溫差換熱系統，均屬于熱力驅動熱泵，其熱力系數定義為熱泵制熱量與熱泵消耗熱量之比，由式(6)表示。

(6)

式中ξ——熱泵熱力系數

Φsup——熱泵制熱量，kJ

Φcos——熱泵消耗熱量，kJ

噴射式大溫差換熱系統中的噴射器是系統能否實現大溫差過程的關鍵設備，本文采用文獻[8]中修正后的等動量混合模型進行設計計算。噴射器各段包括：噴嘴、擴散段和混合段。噴射器各段的能量損失、工質泵能量損失、節流閥損失均以等熵效率的形式給出[8]。在不考慮經濟約束的條件下，給定換熱器進出口冷熱流體能夠實現的技術可行性端差。上述設計參數的取值見表1。

表1 噴射式大溫差換熱系統設計參數取值

2.3 有機工質優選

噴射式大溫差換熱系統的有機工質選擇是影響系統熱力性能的重要因素之一，其優選原則包括以下幾個方面：

① 為了避免有機工質在噴射器中進入兩相區，優先選擇干工質和等熵工質；

② 有機工質在運行過程中的溫度范圍應盡量接近標準大氣壓下的沸點，以減小系統與外界的壓力差；

③ 有機工質在運行過程中應低于臨界壓力與臨界溫度；

④ 從環保角度出發，工質的全球變暖潛能(GWP)與臭氧消耗潛能(ODP)應盡可能小；

⑤ 綜合考慮工質毒性、可燃性、價格等因素。

對噴射式大溫差換熱系統的有機工質進行優選，編寫系統的設計計算程序，并通過工質軟件調用有機工質的實測物性參數，對系統熱力性能進行數值模擬。初選出的兩種有機工質分別為R141b和R236fa。在二級網設計供水溫度為55 ℃、二級網設計回水溫度為45 ℃、二級網水設計質量流量為3.82 kg/s、一級網供水溫度為130 ℃、一級網水質量流量為0.4 kg/s的條件下，以R141b作為有機工質時，可將一級網回水溫度降低至33.7 ℃；以R236fa作為有機工質時，可將一級網回水溫度降低至33.6 ℃。R141b是一種常見的發泡劑、清洗劑，屬于具有較高氣化潛熱的等熵工質，且環保性能良好，價格相對低廉。因此，本文以R141b作為并聯型噴射式大溫差換熱系統的有機工質，其物性參數見表2。

3 實驗樣機與結果分析

3.1 噴射式大溫差換熱系統樣機

以圖1所示的系統結構為研究對象，在設計參數數值模擬、關鍵部件優化設計、有機工質優選的基礎上，搭建了一級網水總換熱量為170 kW級的并聯型噴射式大溫差換熱系統實驗樣機(以下簡稱實驗樣機)。實驗樣機主要設備包括圖1中的全部主要設備，還包括數據測量設備、數據采集系統、各類管道與閥門、一級網水循環系統、二級網水循環系統等。其中，一級網水循環系統和二級網水循環系統不作為本文主要研究內容。在表1設計參數條件下，換熱器型號與主要參數見表3，換熱器總換熱面積為83.48 m2，系統內各換熱介質的質量流量與壓力參數見表4。采用修正的等動量混合模型設計制造了實驗樣機中的噴射器，其實物外形見圖3，型號為GAJ1.12-0.6/97-0.1/36-0.2/44。工質循環泵選用型號為LH1MH02型的離心泵，額定流量為6 L/min，額定壓頭為1.5 MPa，配套電動機額定功率為750 W，并設有流量調節閥。工質循環泵采用遠程控制方式。采用手動節流膨脹閥作為實驗樣機中的節流閥。數據測量設備包括：溫度測量裝置采用PT鉑電阻溫度傳感器，壓力測量裝置采用高溫壓力變送器，流量測量裝置采用電磁流量計。數據采集系統方面：采用博途V13軟件對實驗樣機數據采集模塊(SM-1231-AI)進行編程，數據采集最小時間間隔為1 min。實驗樣機實物見圖4，其中節流閥被遮擋，未在圖中標注。

表3 換熱器型號與主要參數

表4 各換熱介質設計質量流量與壓力

圖3 噴射器實物外形

圖4 噴射式大溫差換熱系統實驗樣機實物

3.2 啟停特性研究

實驗樣機能否快速啟機與停機是衡量整機性能的重要參數，對實驗樣機在設計工況下的啟停特性進行實驗測試研究。實驗樣機啟機流程如下：

① 檢查實驗樣機各處閥門開關情況，檢查數據采集系統是否正常工作；

② 檢查一級網水、二級網水的主要參數是否滿足啟機要求；

③ 開啟工質循環泵，監測沸騰器內的有機工質壓力和過熱度；

④ 開啟節流閥，噴射器內的引射過程逐漸形成并接近設計工況參數。

圖5給出了啟機過程中一級網回水溫度的變化規律。以開啟工質循環泵時刻為啟機0時間，在一級網供水溫度為110 ℃的條件下，實測一級網回水溫度由初始條件的45.09 ℃逐漸降低，15 min后降低至39.81 ℃并維持穩定。

圖5 啟機過程一級網回水溫度變化規律

圖6給出了噴射器內介質壓力的變化規律。隨著節流閥的開啟，儲液器開始向蒸發器內供液，噴射器內逐漸形成噴射過程。工質循環泵開啟13 min左右，噴射器內主流流體、二次流體和混合流體均達到設計工況壓力并維持穩定。實驗樣機啟動15 min后，一級網供水溫度和噴射器內介質壓力均保持穩定，啟機過程結束。

圖6 啟機過程噴射器內介質壓力變化規律

實驗樣機的停機流程如下：

① 關閉節流閥，停止向蒸發器和噴射器內供工質，噴射器內的引射過程將消失；

② 持續10 min后，蒸發壓力與噴射器背壓不再增加，認為蒸發器內已無有機工質；

③ 關閉工質循環泵，停止向沸騰器內供液，噴射器停止工作；

④ 依次關閉一級網水循環系統、二級網水循環系統、數據采集系統。

以關閉節流閥時刻作為停機0時間，實驗樣機實測停機時間為15 min。

綜上，實驗樣機的啟機與停機均具有較快響應，啟停流程簡單可靠。

3.3 額定工況性能實驗

對實驗樣機在額定工況條件下的熱力性能進行實驗研究。額定工況下，啟動實驗樣機至平穩運行狀態并維持30 min后，記錄此時實測運行參數，見表5。實測一級網供水溫度為110.61 ℃、回水溫度為39.48 ℃，二級網供水溫度為55.38 ℃、回水溫度為44.33 ℃，在一級網水和二級網水之間形成了明顯的溫度交叉現象，能夠實現大溫差換熱過程。實驗樣機實測一級網水總換熱量為179.25 kW，沸騰器換熱量38.49 kW，冷凝器換熱量66.21 kW，實驗樣機的熱泵熱力系數為1.72，單位面積換熱量為2.94 kW/m2。

表5 實驗樣機額定工況運行參數實測值

由于實驗樣機換熱器均采用釬焊板式換熱器，在相變過程中存在著介質液位影響換熱面積的問題。而在實驗樣機設計中各換熱器均有較大的富余量，最終導致各換熱器實測參數與設計參數存在一定偏差。對于實驗樣機中的噴射器，運行工況下的噴射系數高于設計值，其原因包括兩個方面：① 設計工況下的噴射器噴嘴效率95%、擴散段效率85%、混合段效率85%、壁面粗糙高度設定值0.01 mm，這些取值均較為保守；② 由于沸騰器、蒸發器和冷凝器內的運行溫度偏離設計溫度，導致噴射器各段流體的壓力偏離設計值。

3.4 變工況性能試驗

在實際運行過程中，一級網供水溫度和流量會隨著熱源、供熱管網和其他因素的變化而產生波動。因此，本文研究了變一級網供水溫度和變一級網水質量流量對實驗樣機熱力性能的影響規律。

在一級網水質量流量為0.60 kg/s、二級網水質量流量為3.75 kg/s、二級網回水溫度為44.33 ℃的條件下，換熱介質溫度隨一級網供水溫度的變化規律見圖7。在一級網供水溫度由100 ℃升高至120 ℃的過程中，一級網回水溫度總體呈現下降趨勢，二級網供水溫度總體呈現升高趨勢，溫度交叉趨勢顯著。當一級網供水溫度為120 ℃時，一級網回水溫度可降低至37.08 ℃，二級網供水溫度可以達到61.24 ℃。噴射式大溫差換熱系統的換熱能力隨一級網供水溫度的升高而顯著提升。

圖7 換熱介質溫度隨一級網供水溫度的變化規律

在二級網水質量流量為3.75 kg/s、二級網回水溫度為45 ℃、一級網供水溫度為110 ℃的條件下，換熱介質溫度隨一級網水質量流量的變化規律見圖8。隨著一級網水質量流量的不斷增加，一級網回水溫度和二級網供水溫度均呈現上升趨勢。與改變一級網供水溫度的情況相比，該工況下一級網回水和二級網供水之間的溫差的變化趨勢并不明顯，但仍在逐漸擴大。

圖8 換熱介質溫度隨一級網水質量流量的變化規律

4 結論

為了解決集中供熱領域廣泛存在的供熱管網擴容改造與超遠距離供熱問題，以噴射式熱泵為基礎，提出了并聯型和串聯型兩種噴射式大溫差換熱系統。在數學建模和有機工質優選的基礎上，搭建了一級網水總換熱量為170 kW級的并聯型噴射式大溫差換熱系統實驗樣機，對其啟停特性以及額定工況和變工況條件下的熱力性能進行了實驗研究。主要結論如下：

① 并聯型系統的變工況適應能力更強。

② 并聯型噴射式大溫差換熱系統啟機與停機時間均為15 min，啟停流程簡單，響應迅速。

③ 在一級網水質量流量為0.60 kg/s、二級網水質量流量為3.75 kg/s、二級網回水溫度為44.33 ℃、一級網供水溫度為110.61 ℃的額定工況條件下，實驗樣機可將二級網供水溫度提升至55.38 ℃，并將一級網回水溫度大幅降低至39.48 ℃，能夠實現大溫差換熱過程。

④ 在一級網水質量流量為0.60 kg/s、二級網水質量流量為3.75 kg/s、二級網回水溫度為44.33 ℃的工況條件下，噴射式大溫差換熱系統的換熱能力隨一級網供水溫度的升高而顯著提升。