超市中央空調(diào)設(shè)計(jì)-畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

頁共10頁利用兩級(jí)的吸收式噴射器對(duì)新的R32制冷劑進(jìn)行理論研究JianlinYu*,XinSong,MingMaDepartmentofRefrigeration&CryogenicEngineering,SchoolofEnergyandPowerEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,PRChina關(guān)鍵字：制冷循環(huán)、噴射器、增強(qiáng)、性能、R32摘要：本文提出了一個(gè)新增強(qiáng)的用制冷劑R32完成蒸汽壓縮式制冷循環(huán)噴射器，在這個(gè)循環(huán)中，有倆個(gè)吸入口的噴射器被用來彌補(bǔ)循環(huán)擴(kuò)張過程中的損失，為了開發(fā)周期和循環(huán)建立了理論并對(duì)使用制冷劑R32的性能進(jìn)行了研究。此外，相比較于開發(fā)周期，基本的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)與傳統(tǒng)的噴射器膨脹制冷循環(huán)的性能也已經(jīng)進(jìn)行。理論研究表明，開發(fā)周期提供了更高的制冷（熱）能力和較高的性能系數(shù)。新的開發(fā)周期可以為制冷劑R32在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用程序作出貢獻(xiàn)。1、介紹在過去的幾十年里，由于其優(yōu)異的化學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)，制冷劑R22被廣泛用于住宅和商用空調(diào)領(lǐng)域。然而，R22是一類化學(xué)品，氯氟烴（HCFCs），由于環(huán)保被淘汰。因此，在尋找新的制冷劑替代R22的努力不斷引向冷氣機(jī)的應(yīng)用程序。HC（碳?xì)浠衔铮?，HFC（氫氟烴）和混合制冷劑具有低全球變暖潛勢（GWP）被認(rèn)為是潛在的替代品。作為應(yīng)用，三個(gè)潛在的替代品的空氣調(diào)節(jié)器中的R22，即R407C，R410A和R290，在實(shí)驗(yàn)和理論上被調(diào)查（Gabrielii和Vamling，1997年，Hwang等人，2007）其中，R410A和R407C正在在一些國家使用更換R22（Park等人，2007年）。目前，許多國家花大力氣開發(fā)自己的替代制冷劑為R22。特別是，大部分的注意力都集中在制冷劑及其替代品的溫室效應(yīng)的影響。因此，有必要尋找最合適的替代制冷劑，不僅有利于臭氧友好的，而且他們也有低GWP。正如眾所周知的，R32是一種HFC制冷劑，它的ODP是零，它的全球變暖潛值遠(yuǎn)低于基于HFC-混合物R407C和R410A而作為可能的替代方案替代R22。此外，R32是常用為R407C和R410A的組件之一。因此，制冷劑R32對(duì)于未來的制冷劑候選制冷，空調(diào)和熱泵應(yīng)用可能是一個(gè)可行的選擇。與制冷劑R32在空氣調(diào)節(jié)器中的使用相關(guān)的主要問題包括易燃性，相容性油，熱傳輸特性，熱力學(xué)特性，等。特別是，與R32的冷氣機(jī)操作的能源效率應(yīng)該是在一個(gè)可接受的水平。這也說明，在冷氣機(jī)需要引入R32合適的周期系統(tǒng)的發(fā)展。一個(gè)可能的解決方案以提高能量效率的是，在空調(diào)系統(tǒng)中的噴射器的使用。在過去的幾年中，噴射器已被提議作為擴(kuò)展設(shè)備應(yīng)用于制冷和熱泵的性能提升。這些研究工作表明，在一個(gè)周期內(nèi)的系統(tǒng)的噴射器的使用可以得到更好的能源效率。因此，也有必要在一個(gè)R32周期系統(tǒng)與噴射器在空調(diào)和熱泵應(yīng)用中的用對(duì)其作進(jìn)一步的研究。在這項(xiàng)工作中，一個(gè)新的增強(qiáng)的與制冷劑R32一同運(yùn)行的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的噴射器被用于空調(diào)應(yīng)用開發(fā)。主要的研究集在中具有兩個(gè)階段的吸引噴射器的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的性能的理論調(diào)查。基于周期模擬，新的噴射器增強(qiáng)的制冷循環(huán)的熱力學(xué)性能被詳細(xì)討論，并同那些基本的蒸汽壓縮制冷循環(huán)與傳統(tǒng)的噴射器膨脹制冷循環(huán)相比。本研究的目的是評(píng)估R32作為空調(diào)制冷系統(tǒng)中插入替代R22的可能性。2、周期的描述和熱力學(xué)模型一個(gè)基本的蒸汽壓縮制冷循環(huán)（VRC）的系統(tǒng)包括一個(gè)壓縮機(jī)，冷凝器，膨脹閥（或毛細(xì)管）和蒸發(fā)器。熱力學(xué)處理蒸汽壓縮制冷循環(huán)特征壓縮，散熱，擴(kuò)展和蒸發(fā)的過程。人們認(rèn)識(shí)到，在這個(gè)周期中的等焓膨脹過程中由于較大的膨脹閥的不可逆轉(zhuǎn)導(dǎo)致低的性能系數(shù)（COP）。因此，使用噴射器作為擴(kuò)展設(shè)備以改善蒸汽壓縮制冷循環(huán)的COP一定是一個(gè)更好的解決方案。圖1所示的是一個(gè)傳統(tǒng)的噴射器膨脹制冷循環(huán)（ERC）的原理圖和p-h圖。在p-h圖中，周期過程中的路徑1-2-3-4-1和5-6-7-4-5表示ERC。流程路徑3-3’，（3’，7）-4’和4’-4是膨脹過程，在噴射器的混合過程和壓縮過程中，分別表示噴射器的工作過程。在噴射器中，從冷凝器流出的高壓液體制冷劑通過噴射器的噴嘴，以產(chǎn)生高的速度流（稱為主流體），它夾帶從蒸發(fā)器中的制冷劑蒸氣（稱為二次流體）膨脹。在兩種流體在混合室中混合，并通過擴(kuò)散器的隔板被壓縮。兩相制冷劑從分離器中被分離成兩部分：蒸汽制冷劑返回到壓縮機(jī)中，而液體制冷劑在膨脹閥中經(jīng)過降低壓力后進(jìn)入蒸發(fā)器。在射器膨脹制冷循環(huán)中，噴射器恢復(fù)部分?jǐn)U建工程來協(xié)助提升壓縮機(jī)的吸入壓力。因此，與蒸汽壓縮制冷循環(huán)的性能相比，噴射器的使用實(shí)際上提高了噴射器膨脹制冷循環(huán)的性能。然而，這是毫無疑問，噴射器在給定的以較高的可能的壓力舉比率操作條件下操作將是最期望的噴射器。圖2給出一個(gè)利用兩階段的吸引噴射器完成的新的增強(qiáng)的噴射器制冷循環(huán)（NERC）。在此配置中，它提出具有兩個(gè)吸入口的噴射器從分別作為其二次側(cè)流體的兩個(gè)蒸發(fā)器（或兩個(gè)電路的一個(gè)蒸發(fā)器）中產(chǎn)生低壓制冷劑。這可能會(huì)導(dǎo)致制冷劑在兩個(gè)不同的低壓下蒸發(fā)，并產(chǎn)生相對(duì)高的二次流的平均壓力。在這種情況下，噴射器可以通過提高平均二次流動(dòng)壓力以較高的壓力舉比率操作。在另一方面，兩個(gè)蒸發(fā)器也被平行排列。這種平行排列適用于空氣調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，制冷劑在兩個(gè)蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)溫度可與臨界溫度改變相匹配。在噴射器具有兩個(gè)吸入口，第一流體首先夾帶從第一蒸發(fā)器出來的制冷劑蒸氣，然后將混合的流體在第一擴(kuò)散器中被壓縮到第二蒸發(fā)器的壓力。離開第一擴(kuò)散器的流體以很高的速度進(jìn)入第二混合室，在那里它再次夾帶從第二蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣。同樣地，在噴射器內(nèi)通過第二擴(kuò)散器壓縮，在較高壓力下的混合流形成在第二擴(kuò)散器的出口處，并流向分隔符。如圖2所示，過程路徑3-3’，（3’，7）-3’’，3’’-4’，（4’，9）-4’’以及4’’-4表示在噴射器中的工作過程中具有兩個(gè)吸入口。另一種是在噴射器膨脹制冷循環(huán)中除了具有兩個(gè)吸入口的噴射器取代了傳統(tǒng)的噴射器外，它們具有相似的過程路徑。從循環(huán)過程如圖2所示，可以看出，較高的高壓制冷劑的飽和蒸汽離開分離器被用作在壓縮機(jī)的吸氣流，并且它增加了壓縮機(jī)的吸入壓力和降低的壓力比，減少壓縮機(jī)的機(jī)械工作。因此，增強(qiáng)的噴射器制冷循環(huán)對(duì)于制冷空調(diào)系統(tǒng)來說利用R32作為制冷劑可能是更有利的的。一般說來對(duì)于這兩種布局（ERC，NERC）的噴射器增強(qiáng)循環(huán)的造型是建立在質(zhì)量，動(dòng)量和能量守恒的基礎(chǔ)上。1-D定壓混合理論被用于噴射器建模。根據(jù)通常的恒壓噴射器模型的假設(shè)，一個(gè)噴射器的質(zhì)量流量有關(guān)的關(guān)系的測定，即夾帶比（），可以由下面的等式得到：在一次流體的入口忽視速度，并考慮在一次流噴嘴的損失，一次流體的速度離開噴嘴從能量守恒可以發(fā)現(xiàn)。其中，馬力，1是主流體，馬力入口比焓，2s是通過在噴嘴中的等焓膨脹過程的出口焓，和hn是噴嘴的等熵效率。（1）在混合室中通過施加動(dòng)量守恒并在二次流體的入口忽略速度，所述混合流體的速度被表示為，（2）其中hm是占在混合室中的摩擦損失的混合效率。

混合室的能量守恒方程用于確定混合流體的焓，hs1是二次側(cè)流體的入口的特定焓。

（3）通過使用擴(kuò)壓器的效率的定義，類似于噴嘴等熵效率，在擴(kuò)散器出口的混合流體的出口焓可以被獲得，hd2s是對(duì)于相同的出口壓力在等熵壓縮條件下擴(kuò)散器的出口焓，hd是擴(kuò)散器的等熵效率（4）在擴(kuò)散器中把能量守恒應(yīng)用在這個(gè)過程中，擴(kuò)散器的出口處的混合流體的速度由下式給出（5）上述方程的基礎(chǔ)上，可以ERC進(jìn)行傳統(tǒng)的噴射器計(jì)算和以NERC進(jìn)行雙級(jí)吸引噴射器計(jì)算。在ERC中傳統(tǒng)的噴射器，在噴射器中假設(shè)出口速度可以忽略不計(jì)，流夾帶率可以概括為以下簡化公式，（6）對(duì)于兩階段吸入噴射器配置在NERC中，噴射器的夾帶比是由一次流體和二次流體決定的，即（7）其中為一次流體的質(zhì)量流率，和是分別從所述第一和第二蒸發(fā)器出來的二次流體的質(zhì)量流速。對(duì)于計(jì)算夾帶比例，兩個(gè)獨(dú)立的噴射系數(shù)的表達(dá)式被分別定義在質(zhì)量平衡的基礎(chǔ)上（8）（9）因此，對(duì)于具有兩個(gè)吸入口噴射器夾帶比可寫為（10）應(yīng)該指出的是，在兩個(gè)階段的吸引噴射器中，混合流體離開第一擴(kuò)散器達(dá)到一定的速度，如式中（5）所示,這是不可忽略的。在這種情況下，可以推出夾帶比為（11）其中hm,2在第一混合室中的混合流體的焓，hd,2s是中間壓力的等熵壓縮條件下的第一擴(kuò)散器的出口焓。另一方面，離開第一擴(kuò)散器的混合流體，，仍然作為動(dòng)力流用于夾帶從第二蒸發(fā)器的二次側(cè)流體流。假設(shè)在兩階段吸引噴射器出口的出口速度是可以忽略不計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)夾帶比μt”為(12)其中，hm,2是在二次混合室中的混合流體的焓，hd2s是所述壓縮機(jī)的吸入壓力等熵壓縮條件下的輔助擴(kuò)散器的出焓。正如所公知的，每個(gè)單獨(dú)的循環(huán)的冷卻性能可以由循環(huán)的性能系數(shù)（COP）和體積的冷卻能力來評(píng)估。對(duì)于ERC，由式（6）夾帶比μc給出(13)(14)同樣地，對(duì)于NERC的冷卻COP和體積的冷卻能力可推導(dǎo)(15)(16)在兩種ERC和NERC下，可以給出加熱模式下的COPs和容積熱容(17)(18)利用上述方程，我們可以進(jìn)行計(jì)算，以確定對(duì)于ERC和NERC在給定的工作條件下夾帶比及性能參數(shù)（COP和容積）。在計(jì)算中，操作條件包括四個(gè)獨(dú)立的變量（冷凝溫度tc，蒸發(fā)溫度te，過冷度△tsc和過熱度△tsh的）。對(duì)于給定的運(yùn)行條件下，噴射器的夾帶比由一次流和二次流，以及噴射器的出口壓力確定。然而，噴射器夾帶比μ和噴射器出口流體的質(zhì)量，必須為周期的穩(wěn)定操作狀態(tài)滿足質(zhì)量平衡，即i.e.。在這種情況下，通過夾帶比是通過一個(gè)迭代過程獲得的，在這個(gè)迭代過程中噴射器的出口壓力是變化的，并且檢查結(jié)果令人滿意。此外，它被假定為對(duì)于NERC，兩個(gè)蒸發(fā)器分別在兩個(gè)不同的蒸發(fā)溫度水平（和）下工作，并具有相同的制冷劑的質(zhì)量流率（即二次流體的噴射器）。此外，在NERC中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)質(zhì)量平衡和使用上述方程在不同的操作條件下產(chǎn)生相應(yīng)的夾帶比和性能參數(shù)。用于模擬計(jì)算的程序由圖3所示。最后，計(jì)算程序是用Fortran語言寫出，工作流體的熱力學(xué)性質(zhì)是用REFPROP的軟件（萊蒙等，2007）獲得。在下一部分中，對(duì)制冷劑R32的循環(huán)性能的操作參數(shù)的影響進(jìn)行了研究詳細(xì)。3、結(jié)果與討論在下面的模擬中，假設(shè)運(yùn)行條件為：冷凝溫度為45-55℃，蒸發(fā)溫度為-10-15℃，循環(huán)中過熱溫度Δtsc與過冷溫度Δtsh分別設(shè)定為5℃與0℃。假設(shè)噴射器等熵效率分別為ηn=0.9，ηm=0.85，ηd=0.8，壓縮機(jī)等熵效率為ηc=0.75。表一對(duì)比了在三種標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件下三種循環(huán)（VRC,ERC和NERC）內(nèi)的模擬結(jié)果，這三種運(yùn)行條件為tc=55.4℃，te=7.2℃（在NERC中，te1=7.2℃，te2=10.2℃），Δtsc=8.3℃，Δtsh=0℃。從中，我們能夠發(fā)現(xiàn)，與VRC循環(huán)相比，ERC循環(huán)多出6.65%的COPr和7.17%的容積制冷量，而NERC循環(huán)則多出10.98%的COPr和11.64%的容積制冷量。除此之外，在NERC循環(huán)中，壓縮機(jī)排出溫度要比在VRE和ERC循環(huán)中排出溫度要低。在這些循環(huán)中，同樣運(yùn)行條件下NERC效果要好得多。圖4表明若冷凝溫度tc設(shè)為55℃且溫差（Δte=te2-te1）設(shè)為3℃，那么相對(duì)于蒸發(fā)溫度，COPr與qr在所有循環(huán)中（VRC,ERC,NERC）都十分重要。從表中可看出，蒸發(fā)溫度位于0-15℃之間時(shí)，與基礎(chǔ)VRC循環(huán)中COPr的量相比，ERC提升8.93%-6.94%，NERC循環(huán)提升12.15%-12.04%。這表明噴射機(jī)的使用增強(qiáng)了以R32為工作流體的基礎(chǔ)VRC的效果。而且在蒸發(fā)溫度可考慮范圍內(nèi)，NERC能給出更高的COPr。圖4-三種循環(huán)下COPr,qr以及te,te1的變化從圖4中可看出，容積制冷量呈現(xiàn)相同的增長趨勢。在蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，ERC中容積制冷量增加了11.12-6.26%，但NERC中的增長更為顯著：在既定蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，NERC的容積制冷量比VRC的要高15.10-10.60%。如上文所講，采用加強(qiáng)版噴射器的循環(huán)中，壓縮機(jī)的吸入壓力可以通過使用噴射器的工作復(fù)原功能來增強(qiáng)，這一功能可以降低壓縮機(jī)的壓力比和吸入比容積。因此，與VRC相比，所有采用加強(qiáng)版噴射器的循環(huán)均在同一運(yùn)行條件中性能較好。所有循環(huán)在制冷模式下的壓縮機(jī)壓力比（πc=P2/P1）、噴射器壓力提升比（πj=P1/P7）與噴射器噴射系數(shù)（μ）均在圖5中給出?？梢钥闯觯珽RC中噴射器壓力提升比在1.11-1.06范圍內(nèi)浮動(dòng)，相應(yīng)的噴射系數(shù)范圍為0.71-0.77。因此，在溫度隨噴射器壓力提升變化的蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，壓縮機(jī)壓力比降低9.87-5.70%。在同一運(yùn)行溫度下，NERC中計(jì)算出的j比ERC中要大一點(diǎn)。這主要是因?yàn)閲娚淦鲏毫μ嵘扰c蒸發(fā)壓力相關(guān)。在NERC中，平均蒸發(fā)壓力因應(yīng)用兩個(gè)蒸發(fā)器而輕微增強(qiáng)，這轉(zhuǎn)而引起了噴射器壓力提升比的上升。這樣一來，NERC的壓縮機(jī)壓力比就比VRC的要低13.24-9.50%。顯然，理論計(jì)算也表明，在所選循環(huán)中，NERC在同一運(yùn)行條件下性能更好。圖6顯示在三種循環(huán)的制熱模式下，COPh與qr隨1號(hào)蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度的變化而變化的情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，在既定冷凝汽溫度（tc=50℃）和蒸發(fā)溫度范圍（te2=te1+3℃）內(nèi)，ERC比VRC在蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)多出6.41-5.50%的制熱COP以及10.00-5.81%的容積熱容量。然而，與基礎(chǔ)VRC在既定蒸發(fā)器溫度范圍內(nèi)相比，NERC分別提高了8.83-9.34%的COPh和13.64-9-66%的qh。這意味著，在假設(shè)的運(yùn)行條件下，NERC的性能有望比VRC和ERC循環(huán)突出。