压缩/喷射混合制冷循环的热力学分析探讨

0 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，压缩机的吸气压力与蒸发压力相等，排气压力与冷凝压力相等。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一方面可增大换热器的换热系数，另一方面可增大换热面积，这两种损失的减小是有限度的。节流损失使得制冷剂的有用能量白白的浪费掉了，采用适当的措施，可以对这些能量进行回收。经过计算表明，节流过程所造成的砽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。一般认为，蒸汽压缩式制冷循环的节流过程中制冷剂处于两相区，能量回收装置易损坏，回收得不偿失。

喷射器结构简单，成本低，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，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【6，7，8】。

文献中对压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的理论分析方法也多有介绍【9，10】，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分析方法。

1 压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的热力学分析

图1 压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环流程图及其在LgP－h图上的表示

图2 喷射器结构示意图

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LgP－h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，zui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。制冷剂存在两个环路，循环回路1：1′－2′－3－5－6－7－1′，循环回路2：8－9－1－6－7－8。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。

1.2 压缩/喷射混合蒸汽压缩制冷循环的热力学分析

1.2.1 模型假设

为了方便计算和分析，我们对压缩/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。

1.2.2 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LgP－h图上的表示如图1中1－2－3－4－1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）

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）

1.2.3 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，即喷射器可zui大满足节流损失回收的需要。主流制冷剂从喷嘴中喷出，状态为5，与引射制冷剂（状态为1）等压混合，达到状态6，在经过等熵压缩后达到状态7。在图2的截面A－A和B－B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）

在喷嘴内的膨胀过程3－5，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1：1′－2′－3－5－6－7－1′和循环回路2：8－9－1－6－7－8得以维持，还必须满足质量平衡的条件，即对过程7－8和7－1′，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，即可对喷射/压缩混合制冷循环进行理想热力学循环分析。

2 计算结果与讨论

根据方程（1）~（18），对9种常用制冷剂的压缩/喷射混合制冷循环的理论制冷性能进行了分析，结果示于图3～图8中。

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5和图6可以看出，随着冷凝温度的提高，喷射系数减小。

图3 喷射系数随蒸发温度变化

图4 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5 喷射系数随蒸发温度变化

图6 压缩/喷射混合循环制冷系数与传统循环制冷冷系数比值随蒸发温度的变化

图4和图6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（COP）比值从蒸发温度为－30℃的1.54降低到蒸发温度为5℃时的1.32。比较图4和图6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。从以上计算可以看出，常用制冷剂中，R404A采用压缩/喷射混合制冷循环后制冷系数提高zui大，NH₃采用压缩/喷射混合制冷循环后制冷系数提高zui小。所比较的制冷剂中，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。而且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。从以上分析可以得出：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，制冷系数可提高超过50％，而紧随其后的R410A仅可提高约36％，远超过其他制冷剂。

3 结论

采用压缩/喷射混合循环可以回收制冷系统由于节流而引起的节流损失，从而可以提高制冷循环的制冷系数，压缩/喷射混合循环的喷射系数和从蒸发器来得制冷剂的压缩比不是随意确定的变量，而是对一定制冷工况是确定的。

对9种常用制冷剂的压缩/喷射混合制冷循环的制冷性能进行了理论分析表明：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制冷循环提高的越多。对常用的不同制冷剂，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，R404A提高的zui多，在冷凝温度为50℃，蒸发温度为－30℃时，制冷系数提高超过50％；NH₃zui低，可提高约13％。常用制冷剂中，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 Engineering 24 （2004）：311–322.

3.A. Selvaraju, A. Mani. Analysis of a vapour ejector refrigeration system with environment friendly refrigerants. International Journal of Thermal Sciences 43 （2004）：915–921.

4.Da-Wen Sun. Comparative study of the performance of an ejector. refrigeration cycle operating with various refrigerants. Energy Conversion & Management 40 （1999）：873－884

5.Kornhauser A. A. The use of an ejector as refrigerant expander. In:Proc of 1990 US-NC/II R-Purdue Refrigeration Conference and ASHAE-Purdue CFC Conference. West Lafayette, USA,1990:10-19.

6.徐合力，胡甫才. 船用冷库新型压缩－喷射制冷循环德实验研究. 航海技术，2002年，No.2：52-54.

7.苏跃红，葛新石. 双温冰箱压缩/喷射式混合制冷循环系统德设计和实验研究. 中国科学技术大学学报，1998，Vol.28，：115-120.