喷液在制冷系统中的应用

    1 前言

    在制冷系统中,当负荷增大时,必须提高压缩机转速来增加制冷剂流量,以满足要求。但是随着压缩机转速的提高,排气温度相应升高,使制冷剂和润滑油性能下降,压缩机效率降低,系统可靠性、稳定性下降。为了保证压缩机和制冷系统的正常运行,可以将冷凝器出口的制冷剂直接喷入压缩机吸气管或压缩腔,以降低排气温度,称为喷液。因此,在压比较高的情况下,除了采用两级压缩外,喷液无疑是一种比较好的选择。

    通过喷液可以不间断地调节压缩机的能力,避免电机间歇运行,从而节约能量;增加压缩机标准容量,在吸气腔尾部喷液,可以使更多的制冷剂进入压缩机;由于从冷凝器流经的制冷剂多于流经蒸发器中的,制热量与制冷量之比大约为1.2~1.5,尤其适用于热量需求大于冷量的地区[1]。但喷液也需要附加设备,增加成本。

    当然,喷液使得压缩机更容易发生液击。在往复式压缩机、旋转式压缩机和涡旋式压缩机中,往复式压缩机体积压缩最快,涡旋式最慢;因此,涡旋式压缩机最适合采用喷液[1]。本文即对在涡旋式压缩机中采用喷液展开讨论。

    国外对喷液制冷系统的理论和实验研究较多,Eric L Winandy等[1,2]对喷液压缩机建立了动态数学模型,对喷液制冷系统进行了理论模拟和实验测试,但仅对喷射液态制冷剂进行了相关分析。Honghyun等[3,4]对喷液的多种影响因素进行了实验和理论研究。Dutta Ak等[5,6]侧重于喷液制冷系统的换热特性的研究。作者在参考文献[1~4]给出的喷液压缩机理论数数学模型和传热模型基础上,对已有的研究成果进行了详细的总结与分析。

    2 喷液压缩机理论模型

    喷液压缩机理论模型如图1所示,图中圆柱型虚线内为控制容积。进入控制容积的制冷剂包括吸气和喷液两部分,离开控制容积的是高压排气。在此控制容积内还进行制冷剂与壁面之间的换热。另外,由于喷液,使控制容积内存在气、液两相,因而在控制容积内有相变发生。

    在控制容积内,气态制冷剂质量为mg,液态制冷剂质量为ml;气态制冷剂传递给液态制冷剂的热量为Q,控制容积的壁面与液态、气态制冷剂之间的换热量分别为Qwl,Qwg;单位时间内,液态制冷剂的蒸发量为Ge。因此,在控制容积内,气相的能量守恒与质量守恒方程为[2]:

    其中,G,h和v分别表示制冷剂的质量流量(kg/s)、焓(kJ/kg)和比容(m³/kg);下标gi、ginj和go分别表示吸气、喷液中的气态制冷剂、排气中的气态制冷剂。由于式(1)是焓的函数,所以能量方程可表示为: