吳月婷 郭憲民 王 猛

（天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134）

1 引 言

目前在臭氧層保護(hù)初見成效之后,高GWP 氣體的管控成為制冷行業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型的主要目標(biāo)[1]。在常用的自然工質(zhì)中CO2不可燃且無毒性,最具競(jìng)爭(zhēng)力,特別是對(duì)于商超制冷系統(tǒng),超市每年耗電量占工業(yè)用電量的3%—4%,因此其應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。由于CO2自身特性,商超CO2制冷系統(tǒng)節(jié)流損失較大,降低了系統(tǒng)效率,因此減小節(jié)流損失是提升CO2系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者為提高CO2系統(tǒng)性能進(jìn)行了大量研究,使用引射器作為節(jié)流元件可將單級(jí)CO2制冷系統(tǒng)能效提高7%—36%[2]。相較于使用單引射器,多個(gè)并聯(lián)的引射器可根據(jù)負(fù)荷及環(huán)境條件精確的控制氣冷器出口壓力,且可回收更多的膨脹功[3],在使用不同組合的噴射器作為節(jié)流機(jī)構(gòu)時(shí),系統(tǒng)COP最高可達(dá)2.646。Gullo[4]等通過模擬研究發(fā)現(xiàn),與用于溫暖氣候下典型超市的R404A 復(fù)式直接膨脹制冷解決方案相比,采用的多聯(lián)引射器概念的CO2增壓制冷裝置每年可節(jié)省約20%的能耗。林勵(lì)冠[5]比較了傳統(tǒng)CO2增壓系統(tǒng),配備并行壓縮機(jī)的多聯(lián)引射系統(tǒng),結(jié)果表明,相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)配備并行壓縮機(jī)的多聯(lián)引射系統(tǒng)能耗降低了6.3%—17.5%。陳威[6]等比較了在不同的環(huán)境溫度下的多聯(lián)引射器增壓制冷系統(tǒng)與并行壓縮制冷系統(tǒng),當(dāng)環(huán)境溫度從21.1 ℃變化到36 ℃時(shí),多聯(lián)引射器制冷系統(tǒng)的COP比并行壓縮制冷系統(tǒng)高15.91%—32.61%。Elbarghthi[7]等通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)配備了多聯(lián)引射器的超市用制冷系統(tǒng),能夠減少高達(dá)36.9%的節(jié)流損失。多聯(lián)引射系統(tǒng)作為最新節(jié)能系統(tǒng)極大的促進(jìn)了CO2在歐洲食品零售行業(yè)的應(yīng)用,使CO2成為該領(lǐng)域唯一制冷劑不再具有爭(zhēng)議[8]。多聯(lián)引射器雙溫制冷系統(tǒng)應(yīng)用于超市制冷系統(tǒng)可降低能耗,減小對(duì)環(huán)境的不利影響。

本課題組前期搭建了多聯(lián)引射器雙溫制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),陳斌[9]等通過實(shí)驗(yàn)研究了氣冷器出口溫度、壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響,張丹丹[10]等模擬了中、低溫蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響,模擬及實(shí)驗(yàn)研究了中間壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響。對(duì)CO2多聯(lián)引射器雙溫制冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了中低溫蒸發(fā)器質(zhì)量流量比及并行壓縮機(jī)的使用對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

CO2多聯(lián)引射器雙溫制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示,主要包括CO2雙溫制冷循環(huán)系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)等。在CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)中配備中、低溫蒸發(fā)器,可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)溫區(qū)制冷,還可實(shí)現(xiàn)多聯(lián)引射系統(tǒng)及傳統(tǒng)系統(tǒng)的切換及高壓級(jí)壓縮機(jī)與并行壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中的多聯(lián)引射器由4 個(gè)固定幾何尺寸的引射器并聯(lián)組成,其幾何尺寸如表1 所示。用調(diào)功器調(diào)節(jié)水系統(tǒng)中的電加熱器可控制冷卻水及中溫冷凍水溫度,調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥的開度可調(diào)節(jié)冷卻水及中溫冷凍水流量,從而控制不同工況下的氣冷器出口溫度及中溫蒸發(fā)溫度。采用低溫恒溫水槽為低溫蒸發(fā)器提供50% 乙二醇去離子水溶液作為冷凍水,其溫度可在-30—95 ℃范圍內(nèi)自動(dòng)控制。圖1 中各測(cè)點(diǎn)流量由質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量,精度為±0.1%,壓力傳感器測(cè)量精度為±0.1% FS,溫度由Pt100 鉑電阻溫度傳感器測(cè)量,精度為±0.1 ℃;水循環(huán)系統(tǒng)中的流量由渦輪流量計(jì)測(cè)量,精度為±0.5%;功率計(jì)測(cè)量精度為±0.2%。通過無紙記錄儀實(shí)時(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)溫度、壓力、質(zhì)量流量數(shù)據(jù)。

表1 引射器主要幾何尺寸Table1 Main geometrical size of ejector

圖1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

2.2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中壓縮機(jī)耗功率P 通過功率計(jì)讀取,而蒸發(fā)器制冷量Q、系統(tǒng)COP以及引射器的引射比則由下列公式計(jì)算。

式中:Qm、Ql分別為中、低溫蒸發(fā)器制冷量,W;P為壓縮機(jī)制冷消耗功率,W;Mm、Ml分別為中、低溫蒸發(fā)器質(zhì)量流量,kg/h;ΔTm、ΔTl分別為為中、低溫蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差,℃;μ為引射器引射比;M1、M2分別為主引射流與被引射流質(zhì)量流量,kg/h。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 中低溫蒸發(fā)器流量比對(duì)系統(tǒng)性能的影響

為了評(píng)價(jià)中低溫蒸發(fā)器的質(zhì)量流量比對(duì)CO2多聯(lián)引射器雙溫制冷系統(tǒng)性能的影響,在不同中低溫蒸發(fā)器質(zhì)量流量比工況下對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)及多聯(lián)引射系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定為中、低溫蒸發(fā)溫度分別為-5 ℃和-25 ℃,氣冷器出口溫度為38 ℃,氣冷器出口壓力及中間壓力分別為9.0 MPa和4.0 MPa,結(jié)果如圖2—圖5 所示。

圖2 不同質(zhì)量流量比下總制冷量Fig.2 Total refrigeration capacity under different mass flow ratio

圖3 不同質(zhì)量流量比下COPFig.3 COP under different mass flow ratios

圖4 不同質(zhì)量流量比下總耗功Fig.4 Total power consumption under different flow ratios

圖5 不同質(zhì)量流量比下引射比Fig.5 Entrainment ratio of ejector under different mass flow ratios

圖2、圖3 分別為不同質(zhì)量流量比下傳統(tǒng)系統(tǒng)與多聯(lián)引射系統(tǒng)總制冷量和COP變化曲線。從圖中可以看出,隨著質(zhì)量流量比的增加,傳統(tǒng)系統(tǒng)的制冷量與COP均呈近似線性上升趨勢(shì),其總制冷量在質(zhì)量流量比為2.0 時(shí)比質(zhì)量流量比為1.2 時(shí)增加了31.2%,而COP則增加了22.5%。多聯(lián)引射系統(tǒng)的制冷量隨質(zhì)量流量比的增大而升高,但增大的趨勢(shì)逐漸趨緩,而其COP在質(zhì)量流量比為1.8 時(shí)達(dá)到最大值,在質(zhì)量流量比1.8—2.0 的范圍內(nèi)略有下降。其原因在于隨著質(zhì)量流量比的增加,進(jìn)入中溫蒸發(fā)器的質(zhì)量流量增加,而進(jìn)入低溫蒸發(fā)器的CO2質(zhì)量流量基本保持不變,因此系統(tǒng)的總制冷量隨之增大。

圖4 為不同質(zhì)量流量比下傳統(tǒng)系統(tǒng)與多聯(lián)引射系統(tǒng)總耗功。對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)與多聯(lián)引射系統(tǒng),其低壓級(jí)壓縮機(jī)耗功基本不隨質(zhì)量流量比改變,但兩個(gè)系統(tǒng)總耗功均隨系統(tǒng)質(zhì)量流量比增大而線性上升,這造成兩個(gè)系統(tǒng)COP的變化趨勢(shì)與其制冷量的變化趨勢(shì)基本相同。

從圖2—圖4 可以看出,對(duì)于不同的節(jié)流方式,多聯(lián)引射系統(tǒng)的總制冷量與COP始終高于傳統(tǒng)系統(tǒng),對(duì)于不同的質(zhì)量流量比工況,多聯(lián)引射系統(tǒng)總制冷量比傳統(tǒng)系統(tǒng)提高了約7.2%—13.4%,COP則提高了約15.5%—23.8%,而多聯(lián)引射系統(tǒng)總耗功始終小于傳統(tǒng)系統(tǒng),總耗功比傳統(tǒng)系統(tǒng)低7.7%—9.7%。因此,使用多聯(lián)引射器代替膨脹閥可以提升系統(tǒng)性能,減小系統(tǒng)耗功。

圖5 為不同質(zhì)量流量比下多聯(lián)引射系統(tǒng)引射比變化曲線,從圖中可以看出,隨著質(zhì)量流量比的增加,引射比在質(zhì)量流量比為1.2—1.8 范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì),而在質(zhì)量流量比為1.8—2.0 范圍內(nèi)略有下降。這是由于中壓氣液分離器內(nèi)的制冷劑一部分作為被引射流進(jìn)入引射器,另外一部分進(jìn)入高壓級(jí)壓縮機(jī),隨著質(zhì)量流量比值的增加,進(jìn)入中壓氣液分離器的制冷劑流量增加,從而引起引射比的提升。

3.2 并行壓縮機(jī)對(duì)系統(tǒng)性能影響

為了研究多聯(lián)引射系統(tǒng)中并行壓縮機(jī)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,在不同的氣冷器出口溫度下,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了使用與不使用并行壓縮機(jī)的多聯(lián)噴射器制冷系統(tǒng)性能,其實(shí)驗(yàn)工況為中、低溫蒸發(fā)溫度分別為-5 ℃和-25 ℃,氣冷器出口壓力及中間壓力分別為9.0 MPa和4.0 MPa,氣冷器出口溫度變化范圍為32—40 ℃。

圖6—圖9 為多聯(lián)引射系統(tǒng)中使用及不使用并行壓縮機(jī)情況下壓縮機(jī)耗功、總制冷量、COP及引射器引射比隨氣冷器出口溫度變化曲線。從圖6 中可以看出,并行壓縮機(jī)的使用與否對(duì)低壓級(jí)耗功沒有影響,但對(duì)高壓級(jí)壓縮機(jī)耗功的影響較大,對(duì)于不同的氣冷器出口溫度工況,使用并行壓縮機(jī)后,高壓級(jí)壓縮機(jī)耗功下降了約1.3%—4.9%。

圖6 不同氣冷器出口溫度下壓縮機(jī)耗功Fig.6 Power consumption of compressor under different outlet temperatures of gas cooler

圖7 不同氣冷器出口溫度下總制冷量Fig.7 Total refrigeration capacity under different outlet temperatures of gas cooler

圖8 不同氣冷器出口溫度下COPFig.8 COP under different outlet temperatures of gas cooler

圖9 不同氣冷器出口溫度下下引射比Fig.9 Entrainment ratio of ejector under different outlet temperatures of gas cooler

從圖7、圖8 可以看出,在多聯(lián)引射制冷系統(tǒng)中使用并行壓縮機(jī)可以顯著提高系統(tǒng)制冷量和COP,對(duì)于不同的氣冷器出口溫度工況,在多聯(lián)引射系統(tǒng)中使用并行壓縮機(jī)可使系統(tǒng)總制冷量提高約0.8%—3.4%,而系統(tǒng)COP則可提高約2.9%—6.9%。

同時(shí)可以看出,隨著氣冷器出口溫度的增加,無論是否使用并行壓縮機(jī),系統(tǒng)總制冷量和COP均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且在氣冷器出口溫度高于38 ℃后,系統(tǒng)即使開啟了并行壓縮機(jī),性能依舊急劇惡化。在氣冷器出口溫度為40 ℃時(shí),使用并行壓縮機(jī)的系統(tǒng)總制冷量?jī)H比不使用并行壓縮機(jī)的系統(tǒng)高0.8%,這是由于隨著氣冷器出口溫度升高,次高壓氣液分離器內(nèi)閃發(fā)氣體增多,進(jìn)入蒸發(fā)器的液態(tài)制冷劑逐漸減少,系統(tǒng)總制冷量降低可達(dá)2.3%。

由圖9 可以看出,隨著氣冷器出口溫度增加,無論是否使用并行壓縮機(jī),引射比都呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì),這是由于隨著氣冷器出口溫度增加,次高壓氣液分離器內(nèi)閃發(fā)氣態(tài)制冷劑增加,進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的液態(tài)制冷劑流量減少,進(jìn)而中壓氣液分離器內(nèi)制冷劑流量減小,導(dǎo)致被引射流量減小,引射比降低。同時(shí)可以看出,在氣冷器出口溫度高于33 ℃工況下,在多聯(lián)引射系統(tǒng)中使用并行壓縮機(jī)使得其引射比較未使用并行壓縮機(jī)時(shí)低,其原因是并行壓縮機(jī)的使用增加了系統(tǒng)的主引射流流量,導(dǎo)致了引射比的降低。使用并行壓縮機(jī)后,系統(tǒng)引射比最多下降了約18.9%。

4 結(jié) 論

本研究對(duì)CO2多聯(lián)引射雙溫制冷系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了中、低溫蒸發(fā)器質(zhì)量流量比及使用并行壓縮機(jī)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,得到結(jié)論如下:

（1）使用多聯(lián)引射器代替膨脹閥改善了CO2雙溫制冷系統(tǒng)的性能,在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi),多聯(lián)引射系統(tǒng)的總制冷量比傳統(tǒng)系統(tǒng)提高了7.21%—13.43%,而COP提高了15.5%—23.8%,總耗功比傳統(tǒng)系統(tǒng)低了7.7%—9.7%。隨著質(zhì)量流量比的增加,傳統(tǒng)系統(tǒng)的制冷量與COP均呈近似線性上升趨勢(shì),多聯(lián)引射系統(tǒng)的制冷量隨質(zhì)量流量比的增大而升高,但增大的趨勢(shì)逐漸趨緩,COP則在質(zhì)量流量比為1.8 時(shí)達(dá)到最大。

（2）對(duì)不同的氣冷器出口溫度工況,多聯(lián)引射系統(tǒng)使用并行壓縮機(jī)后,系統(tǒng)總制冷量提高了0.8%—3.4%,COP提高了2.9%—6.9%,高壓級(jí)壓縮機(jī)耗功下降了1.3%—4.9%,而引射比則要比未使用并行壓縮機(jī)的系統(tǒng)引射比小,在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)最多下降了18.9%。無論是否使用并行壓縮機(jī),系統(tǒng)壓縮機(jī)耗功、總制冷量、COP及引射比均隨著氣冷器出口溫度的升高而下降。