涡流管膨胀的二氧化碳跨临界制冷循环性能研究

刘业凤，孙影，张华，唐丹萍，钟文轩，王东亮

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

0 引言

近年来，不断增加的臭氧层损耗和全球变暖的威胁引起了业内对环保节能型制冷剂的大量关注。天然制冷剂CO2具有对环境友好（ODP=0，GWP=1）、容积制冷量大、良好的导热性、粘度低、与普通的润滑剂和结构材料相兼容、压比低、不需回收、价廉易得等诸多优点，是一种取代传统制冷剂的环境友好型制冷剂，近年来已经在热泵热水器、汽车空调、采暖等场合得到推广应用[1]。但是，由于CO2临界温度低（31.1 ℃），通常采用跨临界循环方式，与传统工质的制冷循环相比，CO2跨临界循环的高低压差大（7 MPa左右），当采用常规的膨胀阀绝热等焓节流时，膨胀阀造成的不可逆损失高达40%，比压缩机的还高[2]，因此导致系统性能系数（COP）低，减少降压节流损失是提高CO2系统COP的重要解决方法。

涡流管（Vortex Tube）是一种结构极为简单紧凑的膨胀降压装置，无运动部件、维护简便，因此工作极为可靠，又不消耗外加动力。它是利用涡流管的Ranque-Hilsch效应，可以将一股压缩气体同时分离为温度不同的两股冷热气体。LI等[3]在2000年首次提出利用涡流管替代节流阀来减少节流损失。文献[4]在相同工况条件下进行一定的热力分析和计算，比较了节流阀、涡流管及透平膨胀机作为膨胀装置时的不可逆损失的大小。

目前，关于涡流管的研究，大部分文献研究的是压缩空气，对于CO2等制冷剂存在气液相变的研究较少，还不够深入全面[5-20]。本文通过研究涡流管进口温度、压力、涡流管等熵效率、冷质量分数对二氧化碳跨临界制冷循环COP性能提高的影响规律，为涡流管的设计、系统的性能优化提供理论依据。

1 涡流管膨胀的二氧化碳跨临界制冷循环工作原理

1.1 二氧化碳跨临界基本制冷循环

在二氧化碳跨临界基本制冷循环中，采用常规的膨胀阀进行节流，如图1所示：来自压缩机高压高温的CO2气体（点2b），经气体冷却器（以下简称气冷器）的无相变放热后（点3）进入膨胀阀节流，工质由超临界状态膨胀到两相区（点3b），再进入蒸发器吸热后进入压缩机。

图1 膨胀阀节流的二氧化碳跨临界基本制冷循环系统图

1.2 涡流管膨胀的二氧化碳跨临界制冷循环

常规涡流管主要由喷嘴、涡流室、分离孔板、冷端管、热端管和控制阀组成。高压气体通过喷嘴膨胀加速后，沿切向进入涡流室后形成强烈的涡流，最终分离为冷热两股温度不同的气流。本文研究的涡流管膨胀的二氧化碳跨临界制冷循环，由于高压CO2经涡流管喷嘴膨胀后进入气液两相区，因此本文设计的涡流管在常规涡流管的基础上增加了一个饱和液体出口，系统如图2所示。系统循环特点是：来自气冷器的CO2超临界气体在涡流管中经涡流管喷嘴膨胀到3´点，然后在涡流管内分成3部分：饱和液体（点4）、饱和气体（点C）和过热气体（点H）。饱和液体与饱和气体混合后（点6）流入蒸发器，过热气体经过热降温器冷却（点5），然后与蒸发器出来的气体混合后进入压缩机。

图2 涡流管膨胀的二氧化碳跨临界制冷碳循环系统图

图3是两种二氧化碳跨临界制冷循环系统在压焓图上的表示，各状态点与图1和图2上的点一一对应。基本系统的循环过程是7-2b-3-3b-7。由图3可以看出：涡流管喷嘴膨胀后的状态点比基本循环的节流阀出口状态点3b焓值低，更接近等熵点3s，这是由于涡流管喷嘴的等熵效应，减少了不可逆损失。同时，涡流管分离出的过热气体经过热降温器冷却后进一步降低了压缩机进口温度，提高了系统性能。

图3 二氧化碳基本制冷循环及涡流管膨胀的系统压焓图

2 两种系统的热力学分析与计算

2.1 跨临界二氧化碳基本制冷循环的热力学计算

根据图3，跨临界二氧化碳基本制冷循环系统的COPb计算公式如下：

式中：

COPb——二氧化碳基本制冷循环性能系数；

h7——7点处的焓值，kJ/kg。

(注：h代表下脚标点处的焓值，下同。）

2.2 涡流管膨胀的跨临界二氧化碳制冷循环的热力学计算

假设涡流管等熵效率为ηe，可计算出涡流管喷嘴出口3´点焓值：

根据3´点蒸发压力可以查得3´点干度x。

根据冷质量分数y定义，可得出：

式中：

mc、mh——冷端和热端出口流体质量流量，kg/s。

考虑到饱和液体全部由4点排出，其质量流量为1-x，则由冷端C点和热端H点流出的总质量流量为x，即：

解方程组(3)和(4)得出：mc= xy；mh= x(1-y)。

根据能量守恒，可计算H点焓值：

6点是4点和C点的混合点，可计算6点焓值：

1点是5点和7点的混合点，可计算1点焓值：

由压缩机效率ηc和排气压力P3，计算2点焓值：

最终得出涡流管系统的COPv：

3 计算结果及分析

假设蒸发温度为0 ℃，压缩机等熵效率为0.8，过热降温器出口温度与气冷器出口温度相同，分析气冷器出口温度T3、涡流管喷嘴等熵效率ηe、冷质量分数y及气冷器出口压力（即排气压力P3）对系统COP的影响，变化参数的设置见表1。

表1 热力循环变化参数设置

图4至图7分别给出了气冷器出口温度、涡流管喷嘴等熵效率、冷质量分数及排气压力对两种循环COP的影响，以及涡流管循环与节流阀系统COP相比，COP的提高效果。

由图4可以看出，随着气冷器出口温度的升高，涡流管系统和节流阀系统的COP都降低，但是涡流管系统的COP高于节流阀系统的，随着气冷器出口温度升高，涡流管系统的COP增加。尤其是当气冷器出口温度高于40 ℃后，增加的幅度显著升高。例如当温度为45 ℃时，COP增加达28%。这是因为当气冷器出口温度越高，涡流管喷嘴出口的工质干度越高，气体含量越高越有利于发挥涡流管冷热分离的作用，越有利于提高COP。

图4 气冷器出口温度对系统COP提高的影响

由图5可以看出，随着涡流管喷嘴的熵效率的增加，当在喷嘴中实现等熵膨胀时，系统COP最高可增加9.3%。进一步研究如何实现涡流管喷嘴的等熵膨胀也是改善COP的极其重要的手段。

由图6可以看出，随着冷质量分数y的增加，涡流管系统的COP逐渐增大，当y=0.8时，COP提高12%。这是由于随着冷质量分数的增加，换热器的排热量增加，从而增大了COP。

由图7可以看出：随着排气压力的降低，涡流管系统COP提高的幅度越大。特别是当排气压力低于10 MPa时，增加量明显更高。当排气压力为8.4 MPa时，其他参数取参考值，COP提高了21%。

图5 喷嘴等熵效率对系统COP提高的影响

图6 冷质量分数对系统COP提高的影响

图7 排气压力对系统COP提高的影响

4 结论

针对二氧化碳跨临界制冷循环，本文提出采用涡流管膨胀替代膨胀阀节流，以减少不可逆损失，提高系统COP。通过对该系统涡流管性能的影响因素进行对比研究，得出以下结论：

1）气冷器出口温度越高，涡流管系统COP提高的幅度越明显。在45 ℃时，COP可增加28%；

2）涡流管喷嘴的等熵效率和冷质量分数越高，越有利于提高系统的COP，最高可增加10%左右；

3）排气压力对系统COP的影响显著。排气压力越低，COP增幅越大。当排气压力为8.4 MPa时，COP提高了21%。

本文的研究结果为后续涡流管的设计和研究，尤其是系统最优排气压力分析和系统优化等提供理论依据。