涡流管膨胀降压的R290制冷系统性能分析

赵家华　天津职业大学电子信息工程学院

宁静红 天津商业大学天津市制冷技术重点实验室

涡流管膨胀降压的R290制冷系统性能分析

赵家华天津职业大学电子信息工程学院

宁静红 天津商业大学天津市制冷技术重点实验室

对所设计的涡流管膨胀降压的R290制冷系统进行热力计算，并与常规节流降压R290制冷系统的性能比较，得出涡流管膨胀降压的R290制冷系统的性能系数，随着涡流管喷嘴效率的升高、蒸发温度升高和冷凝温度降低而增大。涡流管膨胀降压R290制冷系统的性能系数要明显大于常规制冷系统的性能系数，蒸发温度升高差值增大。涡流管膨胀降压R290制冷系统的性能系数提升随蒸发温度的升高、涡流管喷嘴效率的提高和冷凝温度的降低而相应增大。

涡流管；膨胀降压；R290；制冷系统

当今科技的发展，引起严重的环境污染和资源短缺，自然工质替代以及制冷系统的性能提高是研究者亟待解决的问题。涡流管具有结构简单、无运动部件、结构轻巧、成本低、易维护、寿命长等特点，得到研究者的广泛关注［1-6］。R290具有优良的热力性能，价格低廉，与普通润滑油和机械结构材料能良好的兼容，臭氧消耗潜值为0，全球变暖潜值很小，不需合成，不改变自然界碳氢化合物的含量，对温室效应没有直接影响，近年来受到制冷空调研究者的广泛关注，有许多学着进行了相关的理论和实验研究［7-12］。

本文利用涡流管具有膨胀降压和分离流体的作用，提出利用涡流管代替常规制冷系统节流降压元件的R290制冷系统，对其进行热力性能分析，并与常规制冷系统的热力性能进行比较，为深入研究和开发新型节能环保的R290制冷系统打下基础。

1　系统的工作原理

图1和图2分别为本文设计的涡流管膨胀降压的R290制冷系统的流程图和p-h图。位于超临界状态点4、从冷凝器出来的状态点3的高温高压R290液体经过涡流管的喷嘴膨胀降压至状态点3′（常规制冷循环是节流降压至状态点5′）的气液两相流体，在涡流管的涡流室内高速旋转流动，分离出的状态点5的饱和液体经涡流管内壁的凹槽收集后由涡流管底部排出，状态点4的饱和冷气体由涡流管的冷端排出，状态点6的热气体则由涡流管的热端排出。饱和液体和饱和冷气体混合至状态点7′后进入蒸发器，从蒸发器出来的状态点7的饱和气体与状态点6的热气体混合后被吸入压缩机，压缩至状态点2，排气进入冷凝器。

图1　涡流管膨胀降压的R290制冷系统流程图

图2　涡流管膨胀降压的R290制冷系统的p-h图

2　 热力计算

在进行涡流管膨胀降压的R290制冷系统的热力计算时假设：（1）涡流管出口的冷气流和液体、蒸发器出口的蒸气均为饱和态；（2）混合过程为等压过程；（3）制冷剂在换热器和管路中的压降为零。设冷凝器出口的R290液体的质量流量为m，冷气体的质量流量为m1，液体的质量流量为m2，热气体的质量流量为m3，冷气体占气体总量（热气体与冷气体的质量流量之和）的质量比为μ。压缩机的等熵效率取0.75，对单位工质进行计算，相关的计算公式如下：

涡流管的能量守恒方程：

蒸发器入口的流体混合平衡方程：

蒸发器出口的流体混合平衡方程：

式中：h1， h2—压缩机进、出口的焓，kJ/kg；

h3， h3'， h3's—冷凝器出口、涡流管喷嘴实际膨胀出口和涡流管喷嘴等熵膨胀出口的焓，kJ/kg；

h4， h6， h5， h7'， h7—涡流管冷气体、热气体、液体、蒸发器进口和蒸发器出口的焓，kJ/s；

m1， m2， m3， m—涡流管冷气体、液体、热气体和冷凝器的质量流量，kg/s；

Q0， W—制冷量和压缩机耗功，kW

COPv， COPj， COPr— 涡流管膨胀降压R290制冷系统性能系数、常规R290制冷系统性能系数和涡流管膨胀降压R290制冷系统性能系数提升百分数。

3　性能分析

通过对涡流管膨胀降压的R290制冷系统的热力计算，以及与常规节流降压R290制冷系统的性能比较，得到下面各个图中显示的结果。如无特殊说明，图中的冷凝温度为45℃，蒸发温度为-8℃。图3为不同蒸发温度下，涡流管膨胀降压的R290制冷系统的COPv随涡流管喷嘴效率的变化关系，由图可以看出，随着涡流管喷嘴效率的升高，系統的性能系数COPv增大。因为在相同的蒸发温度下，涡流管喷嘴效率提高，经过涡流膨胀降压后的气液两相流体的液体含量增多，进入蒸发器的焓值也降低，蒸发吸收的热量增多，系统的制冷性能提高。同时，可以看出，在相同的涡流管喷嘴效率下，蒸发温度降低，虽然进入蒸发器的液体焓值降低，但是压缩机的压力比增加，功率消耗增大的幅度要大，因此，制冷系统的性能系数下降。

图4是不同涡流管喷嘴效率下COPv随冷凝温度的变化关系，可以看出，蒸发温度和涡流管喷嘴效率一定时，随着冷凝温度的提高，涡流管膨胀降压后气液两相流体的液体含量减少，蒸发器的热负荷减少。另外，冷凝压力升高，压缩机的压力比升高，耗功增加，因此，系统的制冷性能降低。从图中也可看出，蒸发温度和冷凝温度一定时，涡流管喷嘴效率提高，涡流管膨胀降压后气液两相流体的液体含量增大，同时，进入蒸发器的焓值降低，蒸发器的热负荷增加，制冷系统的性能系数提高。

从图5可以看出，随着蒸发温度的提高，两个系统的性能系数都提高， 但涡流管膨胀降压R290制冷系统性能系数提高的幅度要明显大于常规制冷系统，涡流管膨胀降压R290制冷系统的性能系数要明显大于常规制冷系统的性能系数，蒸发温度越高差值越大。图6是涡流管膨胀降压R290制冷系统较常规制冷系统的性能提升百分比随蒸发温度的变化情况，可以看出涡流管膨胀降压R290制冷系统的性能系数提升随蒸发温度的升高而逐渐增大。随着涡流管喷嘴效率的提高，性能系数的提升也相应增大。

由图7可以看出，随着冷凝温度的提高，两个系统的性能系数都降低，涡流管膨胀降压R290制冷系统的性能系数要明显大于常规制冷系统的性能系数。图8是涡流管膨胀降压R290制冷系统较常规制冷系统的性能提升百分比随冷凝温度的变化情况，可以看出，涡流管膨胀降压R290制冷系统的性能系数提升随冷凝温度的升高而逐渐降低。同样看出，随着蒸发温度的提高，性能系数的提升增大。

图3　不同蒸发温度下COPv随涡流管喷嘴效率的变化关系

图4　不同涡流管喷嘴效率下COPv随冷凝温度的变化关系

图5　两个制冷循环的COP随蒸发温度的变化关系

4　结论

图6　涡流管膨胀降压R290制冷系统的性能系数提升随蒸发温度的变化关系

图7　两个制冷循环的COP随冷凝温度的变化关系

图8　涡流管膨胀降压R290制冷系统的性能系数提升随冷凝温度的变化关系

通过对涡流管膨胀降压的R290制冷系统的热力计算，以及与常规节流降压R290制冷系统的性能比较得出：

（1）涡流管膨胀降压的R290制冷系统随着涡流管喷嘴效率的升高、蒸发温度升高和冷凝温度降低，系統的性能系数增大。

（2）在相同工况下，涡流管膨胀降压R290制冷系统的性能系数要明显大于常规制冷系统的性能系数，随着蒸发温度升高差值增加。

（3）涡流管膨胀降压R290制冷系统的性能系数提升随蒸发温度的升高、涡流管喷嘴效率的提高和冷凝温度的降低而相应增大。

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Refrigeration System Performance Analysis of Vortex Tube Expansion Depressurization R290

Zhao Jiahua Tianjin Vocational College Electronic and Information Engineering School
Ning Jinghong Tianjin Commerce University Tianjin Municipal Key Refrigeration Technology Laboratory

The article introduces thermal calculation of designed vortex tube expansion depressurization R290 refrigeration system compared with traditional throttle depressurization R290 refrigeration system performance， whose result is that vortex tube expansion depressurization R290 refrigeration system performance index increases with increasing vortex tube nozzle efficiency， increasing evaporation temperature and decreasing condensation temperature. Designed vortex tube expansion depressurization R290 refrigeration system performance index is better than traditional refrigeration system performance index. Its evaporation temperature difference will increase. Vortex tube expansion depressurization R290 refrigeration system performance index increases with increasing vortex tube nozzle efficiency， increasing evaporation temperature and decreasing condensation temperature.

Vortex Tube， Expansion Depressurization， R290， Refrigeration System

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.08.014

赵家华：男，50岁，副教授。

宁静红：（1964.12-）女，博士，教授，主要从事制冷系统节能性研究。