毕业论文（设计）喷射式制冷系统的高级

喷射式制冷系统的高级㶲分析
摘要本文采用了常规㶲分析和高级㶲分析对喷射式制冷系统进行了研究，把系统各部件的㶲损进一步分割成内源性部分、外源性部分、不可避免性部分和可避免性部分。

常规㶲分析和高级㶲分析得出了不同的系统优化次序。

常规㶲分析表明喷射器的㶲效率最低，发生器㶲效率最高，系统㶲效率为8.24%；高级㶲分析表明系统39.7%的㶲损是可以避免的，有很大的节能潜力。

关键词喷射制冷；喷射器；高级㶲分析；㶲损
0前言
当今制冷空调行业中占主流的蒸气压缩式制冷设备耗能巨大，其耗电量占全世界发电量的17%左右[1]，在中国则占全社会电力总负荷的20%以上[2]。

利用太阳能、地热能、工业余热等低品位热能制取冷量，是提高能源的有效利用一个重要途径和实现节能减排的一个重要方法，主要形式有吸附式制冷系统、吸收式制冷系统和喷射式制冷系统。

与前两种已商业化的技术相比，喷射式制冷系统在结构，维护及适用性等方面均更具优势，但是，它的性能系数相对较低，喷射器的合理设计比较困难，严重限制了其推广应用。

为了对喷射式制冷系统进一步深入了解，本文利用热力学第二定律对其进行研究，使用高级㶲分析（advanced exergy analysis）对系统部件的㶲损（exergy destruction）进行分割，揭示系统各部件的相互联系和系统的改善潜力。

1 喷射式制冷系统
喷射式制冷系统是以喷射器代替压缩机，以消耗热能作为补偿来实现制冷，主要由发生器、冷凝器、蒸发器、喷射器、节流阀和循环泵等设备组成，其系统和工作过程的温熵图如图1所示。

图1 喷射式制冷系统和温熵图
为简化数学模型和理论分析，本文中对系统和部件做了一系列的简化：
（1）系统是稳态，忽略换热器和管道中的压力损失和热量损失。

制冷剂为R600，在换热器的出口都是饱和状态，系统的制冷量为10kW；
（2）在喷射器中，喷嘴、混合室和扩散室的各种损失分别以喷嘴效率（ηn）、混合效率（ηm）和扩散效率（ηd）来表示，工质泵用等熵效率（ηPU）来表示；
（3）载冷剂在发生器的出入口分别是饱和液态水和饱和蒸汽，T7=T8=100°C，在冷凝器和蒸发器中，水为载冷剂，且T9=27°C，T10=32°C，T11=10°C，T12=15°C；
（4）在㶲分析中，参考状态为T0=25°C，P0=101.41kPa[3]。

2 热力学理论分析和模拟计算
基于上述假设，对喷射式制冷系统进行建模，具体可参考[1,4]。

对于喷射器，喷射系数（μ）定义为引射流体的流量（m EV ）与工作流体的流量（m
GE ）之比，可表示为[4]：
EV GE m
m
μ=
= (1)
其中e1-e4为喷射器中的状态点，h 为比焓，单位为kJ/kg 。

在给定运行工况下，假设喷射器内部的工作过程是可逆的，此时，喷射器的理想喷射系数（μi ）
可表示为[5,6]:
EV GE i i (/)m
m μ= (2)
喷射式制冷系统的性能系数（COP ）是制冷量（Q EV ）与发生器中的热负荷（Q GE ）和泵功（W PU ）
之和的比值：
EV EV 6565
GE PU GE 1313
()COP ()Q m h h h h
Q W m h h h h μ--=
==⋅--⋅+⋅ (3)
2.1常规㶲分析
在给定环境条件下，若以能量转换程度来对能量等级进行评价，即在组件能量与环境达到平衡
时，能量所转换为有用功的那部分能量称之为㶲（exergy ）。

利用㶲分析法，可揭示能量中㶲的转换、传递、利用和损失情况，得到系统㶲效率，可以此确定系统的薄弱环节，并给出优化方向。

对于系统中第k 个部件和整个系统来说，其㶲平衡方程和㶲效率可写成：
F,P,D,k k k
E E E =+ (4) F,P,L,D,tot tot tot k
E E E E =++∑ (5) ,,/P
F k k k
E E ε= (6) 其中，E
F 是输入㶲，E P 是有效输出㶲，E D 是㶲损，E L,tot 是系统中的㶲耗。

2.2 高级㶲分析
传统的㶲分析主要强调的是找出效率低下的主要组件，但并未考虑组件间的相互作用或组件真正的节能潜力。

高级㶲分析把各部件中的㶲损E D,k 进一步分割成为不同的部分，能获得更多有关系统和部件㶲损的信息，能更准确地获得热力系统的改进方案。

各部件中㶲损E D,k 可有两种分割方式[7]：
EN EX D,D,D,k k k E E E =+ (7) UN AV D,D,D,k k k
E E E =+ (8) 其中，E D,k EN
是内源性㶲损（endogenous exergy destruction ），考虑组件内部的㶲损，即当所有其
他组件都以理想状态运行而该组件则以其实际状态运行所获得的㶲损部分。

E D,k EX
外源性㶲损（exogenous exergy destruction ），除了内源性㶲损的部分，由于在其余组件不可逆性和整个系统结
构对组件所造成的影响，由所有系统其他组件的㶲破坏作用所综合决定的。

E D,k UN
是不可避免性㶲损（unavoidable exergy destruction ）是指在材料、经济等技术发展的限制下，系统组件中的㶲损或多
或少总存在不可避免的部分，不可避免的部分也就是无法消除的部分，E D,k AV
是可避免性㶲损
（avoidable exergy destruction ），可以具有巨大节能改进潜力的那部分㶲损[8]。

2.3系统运行工况
为了计算各部件和系统的㶲损，首先确定各部件中的变量：在三个换热器中，变量为夹点温差（ΔT GE ,，ΔT CO 和ΔT EV ）、喷射器中变量为各组成的效率（ηn ，ηm 和ηd ）、工质泵为ηPU ；然后定义代表各部分㶲损的热力循环，包括实际循环、理想循环、混合循环、不可避免㶲损循环[1,6]，各循环中的参数如表1所示。

表1热力分析中各循环参数以及工况
∆T GE 5.00°C 0°C 0.50°C
冷凝器(CO) ∆T CO 3.05°C 0°C 0.50°C 蒸发器(EV) ∆T EV
2.00°C 0°C 0.50°C 喷射器(EJ) ηn
0.95 E D,EJ =0
0.98 ηm 0.90
0.95 ηd
0.90 0.98 工质泵(PU) ηPU 0.50 1 0.95 节流阀(TV)
-
等焓过程 等熵过程
等焓过程
3 结果与讨论
根据上述分析，对实际循环、理想循环以及不可避免㶲损循环做热力学计算，其结果如表2所示，所对应的状态点在图1标出。

在载冷剂（水）侧，由于换热器进出口的温度保持不变，换热器中热负荷的变化是通过改变载冷剂的流量而实现。

在制冷剂侧，由于各循环的运行工况参数不同，导致系统的性能差别较大。

在实际运行中，系统COP 只有0.391，通过对系统部件尽可能的完善，COP 可达0.802（不可避免㶲损循环），但是离理想COP （1.809）还是有很大的差距，造成这种差距主要是由于喷射器。

喷射器的喷射系数在不可避免㶲损循环为1.105，仅仅为可逆过程下喷射系数（2.478）的44.6%，表明喷射器具有非常大的不可逆损失。

表2各循环的状态参数
流体在不同循环和不同位置的热力学参数m T P h s
kg/s °C kPa kJ/kg kJ/kg·K
制冷剂：R600 实
际
循
环
1 0.059 95.00 1382.97 715.06 2.492
2 0.091 52.60 328.80 667.8
3 2.530
3 0.091 35.00 328.80 283.89 1.287
4 0.059 36.26 1382.97 287.64 1.293
5 0.032 8.00 138.67 283.89 1.299
6 0.032 8.00 138.6
7 595.90 2.409
COP=0.391, μ=0.540, m7=0.011kg/s, m9=1.678kg/s,
m11=0.477kg/s
理
想
循
环
1 0.01
2 100.00 1526.35 720.89 2.497
2 0.04
3 46.71 300.76 657.7
4 2.511
3 0.043 31.95 300.76 276.29 1.263
4 0.012 32.52 1526.3
5 278.4
6 1.263
5 0.031 10.00 148.77 274.07 1.263
6 0.031 10.00 148.7
7 598.75 2.409
COP=1.809, μ=2.478, m7=0.002kg/s, m9=0.740kg/s,
m11=0.477kg/s 不
可
避
免
㶲
损
循
环
1 0.028 99.50 1511.54 720.3
2 2.497
2 0.059 43.08 296.34 651.07 2.492
3 0.059 31.45 296.3
4 275.0
5 1.259
4 0.028 32.06 1511.54 277.31 1.259
5 0.031 9.50 146.19 275.05 1.267
6 0.031 9.50 146.19 598.04 2.409
COP=0.802, μ=1.105, m7=0.006 kg/s, m9=1.061kg/s,
m11=0.477kg/s
载冷剂：Water
7 - 100.00 101.42 419.17 1.307
8 - 100.00 101.42 2675.57 7.354
9 - 27.00 101.42 113.28 0.395
10 - 32.00 101.42 134.18 0.464
11 - 10.00 101.42 42.12 0.151
12 - 15.00 101.42 63.08 0.224
表3常规㶲分析结果
部件
E F,k E P,k E D,k E Lεk
kW kW kW kW %
发生器(GE) 5.095 4.156 0.938 - 81.58
冷凝器(CO) 1.220 0.521 0.699 - 42.69
蒸发器(EV) 0.605 0.438 0.167 - 72.42
喷射器(EJ) 3.480 1.145 2.335 - 32.89
工质泵(PU) 0.223 0.115 0.107 - 51.76
节流阀(TV) 0.744 0.632 0.112 - 84.96
系统 5.317 0.438 4.359 0.521 8.24
表3给出的是喷射式制冷系统的实际循环的常规㶲分析结果。

系统的㶲效率只有8.24%，这也在一定程度上解释喷射式制冷系统应用较少的原因。

从部件来说，最大的㶲损是来自喷射器，其次是发生器、冷凝器和蒸发器，最后是节流阀和工质泵，常规㶲分析的部件优化次序也应按照此顺序进行。

喷射器的㶲效率最低（32.89%），发生器㶲效率最高（81.58%）。

利用分析高级㶲，把各部件的㶲损在进一步进行分割，其结果如表4所示，从系统部件本身考
虑，即内源性㶲损（E D,k EN ），系统优化的次序为喷射器→冷凝器→发生器→蒸发器→节流阀→工质
泵。

但是从㶲损的可避免性（E D,k AV
）来说，系统优化的次序应为喷射器→冷凝器→工质泵→发生器
→蒸发器→节流阀。

为了更准确地确定系统优化的次序，可再次把E D,k EN 、E D,k EX 、E D,k UN 、E D,k AV
进行分割成更多的部分[6,7]。

理论上说，换热器㶲损的减小可以通过使用面积更大，传热系数更高的换热器；喷射器㶲损的减小可通过更好的喷射器实际来实现；工质泵㶲损的减小通过使用更高效的设备实现；节流阀中㶲损可以用膨胀机来回收一部分。

但是，在实际过程很难实现。

从系统的角度出发，整个系统有39.7%的㶲损是可以避免的，表明此喷射式制冷系统的性能还具有很大的提高空间。

表4高级㶲分析结果
部件
E D,k E D,k EN
E D,k EX
E D,k UN
E D,k AV
kW
kW kW kW kW 发生器(GE) 0.938 0.231 0.707 0.845 0.093 冷凝器(CO) 0.699 0.292 0.407 0.259 0.440 蒸发器(EV) 0.167 0.167 0.000 0.110 0.056 喷射器(EJ) 2.335 1.722 0.613 1.327 1.009 工质泵(PU) 0.107 0.026 0.081 0.006 0.101 节流阀(TV) 0.112 0.073 0.039 0.080 0.032 系统
4.359
2.511
(57.6%) 1.848
(42.4%) 2.627
(60.3%) 1.731
(39.7%)
图2系统部件中各部分㶲损的比例
各部分㶲损的比例表示在图2中，可得（1）发生器：E D,GE EN ≪E D,GE EX
，大部分的㶲损来自其余
部件中的不可逆损失，因此改善其余部件更加有效，而且9.9%的㶲损是可避免的；（2）冷凝器：由本身的㶲损稍大与来自其余部件中的不可逆损失而带来的㶲损，有62.9%的㶲损是可避免的；（3）蒸发器：由于要维持制冷量和输出㶲不变[6]，其所有的㶲损都是来自由本身，而33.5%的㶲损是可
避免的；（4）喷射器：E D,EJ EN ≫E D,EJ EX
，大部分的㶲损来自本身，因此改善喷射器本身对系统性能更加有效，43.2%的㶲损是可避免的；（5）工质泵：大部分的㶲损来自其余部件中的不可逆损失，94.4%的㶲损是可避免的；（6）节流阀：大部分的㶲损来于自身，28.6%的㶲损是可避免的。

4 结论
在所设定的工况下，喷射式制冷系统的COP 为0.391，系统的㶲效率只有8.24%。

㶲分析结果表明喷射器是首先要被优化的部件。

常规的㶲分析显示发生器是第二个要被优化的部件，而高级㶲分析表明冷凝器是第二个优化对象。

整个系统有39.7%的㶲损是可以避免的。

发生器、冷凝器、喷射器和工质泵的㶲损大部分都是来自于自身，膨胀阀的㶲损大部分都是来自系统其余部件，而蒸发器的㶲损都是来自于本身。

高级㶲分析更能揭示系统运行特征，可作为常规㶲分析的重要补充。

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