一种以水为工质的两级喷射制冷系统回收汽车废热研究

摘要： 以氟利昂类物质为工质、回收汽车废热的喷射制冷技术得到了较广泛的关注和研究。但是氟利昂类工质在发生器高温受热时存在比较高的热解风险，氟利昂往往也具有温室效应。水作为自然工质，热稳定性好，具有氟利昂工质无法比拟的环保优势。为此，根据水喷射制冷系统的实际应用经验以及车载空调系统的特性，提出一种以水为工质、使用U型管作为节流装置的风冷两级喷射制冷系统。通过建立系统的数学物理模型和数值模拟分析，比较了系统在不同工况下的性能。结果表明，新系统既可以有效地利用汽车发动机的废热，作为汽车空调系统也具有可行性。

Abstract： Jet refrigeration technology with chlorofluorocarbon as working medium for recycling automotive waste heat is widely used. But there is pyrolysis risk when the temperature of generator is high. Chlorofluorocarbon has a greenhouse effect. Water as a natural refrigerant has heat stability and is better than chlorofluorocarbon. So according to the practical application experience of water jet refrigeration system and feature of vehicle air conditioning system， the paper puts an air cooled two-stage ejector refrigeration system making water as working medium and making a u-tube as throttling device. Through establishing systematic mathematical-physical model and taking numerical simulation analysis， it compares the system"s function at different condition. The result shows that the new system can effectively recycle the waste heat of automobile engine， and is feasible as automotive air conditioning system.

关键词： 汽车发动机废热；汽车空调；两级喷射制冷；自然工质；水

Key words： waste heat of automobile engine；auto air conditioning；two-stage ejector refrigeration；natural refrigerants；water

中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）08-0018-03

0 引言

蒸汽喷射制冷系统于20世纪初研制成功，并于30年代广泛应用于大型建筑的空调系统。传统的喷射式制冷系统由加热器、喷射器、冷凝器、蒸发器、节流装置以及循环泵组成，其工作原理如图1（a）所示。喷射式制冷系统除了循环泵外没有其它运动部件，结构比较简单、维护方便、工作稳定。但喷射制冷系统COP较低、设备体积较大，在氟利昂发明以后，逐步被结构更加紧凑的氟利昂压缩式制冷系统所取代[1]。随着世界能源与环境问题日益突出，废热、余热等低品位热能的利用成为研究热点。喷射制冷技术作为一种利用低品位热能制冷主要技术之一，重新受到研究人员的广泛关注。

目前，汽车空调系统一般采用氟利昂压缩式制冷技术，其消耗的能量约占汽车能源消耗的8%～12%[2]。汽车发动机产生的废热包括两部分：一是发动机缸套循环冷却水的废热，二是燃料燃烧后的尾气废热。其中，发动机冷却水所带走的热量约占发动机燃料发热量的30%，进、出口水温分别为70～75℃和80～90℃；发动机尾气热量约占燃料发热量的20%以上，排气温度在450℃左右[2][3]。因此，汽车有充足的发动机余热可以利用。若汽车空调系统采用发动机余热驱动，则将有效地减少其油耗。

已有多国研究人员对利用发动机废热的汽车空调制冷技术进行了研究。以色列的莫斯·罗恩[3]利用排气废热驱动，以金属氧化物作为工质，利用金属氢化物在不同温度下释放或吸收氢气的特性来实现制冷，取得了较大的进展。这种制冷系统结构简单、造价低，但COP不高，需要较长预备时间，系统笨重，废热利用率不高[2]。Munther Salim[4]认为在吸收式系统中采用发动机缸套循环冷却水余热比尾气余热驱动更加具有优势。但其需要额外的冷却水系统，这对于汽车空调系统而言基本不可行[5]。肖尤明[6]等人提出将溴化锂溶液直接充注在汽车发动机冷却空腔内，这可以高效利用发动机气缸余热，但这需要改造发动机的气缸体和气缸盖。到目前为止，利用发动机废热的汽车空调制冷技术仍然没有完善，需要探索新的技术、方法。

喷射制冷技术由于其结构比较简单、便于维护，在利用发动机废热的汽车空调制冷技术中具有独特的优势，是一种潜在的选择之一，得到了广泛的关注。为提高喷射制冷系统效率，以氟利昂为工质的喷射制冷技术得到了广泛关注[7]。如郑爱平[8][9]以R123为工质对利用发动机冷却废热来驱动的汽车空调器进行了一系列的研究工作，在制冷效率和体积方面取得一定的进展。应该指出的是，新型氟利昂制冷剂（如R123、R134a等）尽管对臭氧层的破坏很小甚或不破坏，但却会造成温室效应。并且R123，R134a等氟利昂类物质的分解温度不高，在受到高温加热时存在分解的风险。而水作为天然工质，热稳定性好，来源广泛，价格便宜，其环保优势是氟利昂无法比拟的。

本文以环保和节能为首要考虑目标，提出一种以水为工质的空冷双级喷射制冷系统，建立了系统的数学物理模型，并基于EES软件对其进行数值模拟分析，获得了新系统在不同工况下的特性，可以对当前废热驱动的汽车空调器研究提供一种新的参考。

1 汽车废热驱动喷射制冷系统介绍

参照汽车用空调器的名义制冷试验工况条件[10]，蒸发器侧入口空气干球温度表为27℃、湿球温度为19.5，冷凝器侧入口空气干球温度为35℃。经计算发现，冷凝器与蒸发器之间的压比为17.2。在发生温度为180℃时，喷射器出口与驱动流体入口的最大压比仅为11.82。故而，在发生温度为180℃时，风冷单级喷射器制冷系统难以工作。通过提高发生温度，可以解决这一问题。但也会带来另外的一系列问题，发生压力急剧增加，发生器的耐压要求提高，发生爆炸等影响空调系统安全性的因素增多，发动机可以利用的废热量也会显著减少。因此，为了保持喷射制冷系统结构简单的优点以及充分利用发动机排气的废热，本文提出了一个采用水为工质的风冷两级喷射制冷新系统，该系统能有效地利用发动机排气温度到约180℃。

这种新型的风冷两级蒸汽喷射制冷系统包括：发生器、一级喷射器、二级喷射器、冷凝器、节流装置、蒸发器、循环泵等，如图1（b）所示。由于冷凝压力和蒸发压力压差比较小，可以用U型管作为膨胀节流装置。系统具体的工作流程如下：①发生过程：发生器中的水吸收发动机排气的热量变为高温高压的发生蒸汽，其中，一部分发生蒸汽进入一级喷射器，而另一部分进入二级喷射器。②一级喷射过程：发生蒸汽进入一级喷射器的工作喷嘴，把热能转换成动能，以很高的速度喷出并绝热膨胀到较低的压力。因而，产生引射作用，使来自蒸发器的低温低压制冷剂水闪蒸，使之被引射到一级喷射器中与喷嘴出口出来的发生蒸汽混合。之后在扩散器中降低速度提升压力，由一级喷射器出口排出。③二级喷射过程：进入二级喷射器的发生蒸汽将一级喷射器出口排出的混合蒸汽引射到二级喷射器，经第二次混合、扩散后，压力得到第二次提升，达到冷凝压力。④冷凝、节流、蒸发过程：来自二级喷射器的高压蒸汽进入风冷冷凝器，经冷凝放热，变为液态水。其中一部分进入U型管，经节流后进入蒸发器，与空气换热，实现人工制冷。而另一部分液态水经循环泵加压回到发生器。系统循环运行实现汽车空调的持续供冷。

2 系统主要部件数学物理模型

系统涉及的主要工作参数，包括蒸汽在发生器、冷凝器、蒸发器的吸热量（单位：W）和质量流量（单位：g/s）等，它们分别为Qg、mg、Qc、mc、Qe、me，循环泵功耗（单位：W）为Wp。根据能量守恒定律，则有：

Qg=mg（h2-h7） （1）

Qc=mc（h4-h1） （2）

Qe=me（h6-h5） （3）

Wp=mg（h7-h1） （4）

根据质量守恒定律，则有mc=mg+me （5）

将双级喷射器中被引射流体与工作流体的质量比定义为双级喷射器的总引射比u。则有：

u=me/mg （6）

me=u mg （7）

mc=（1+u）mg （8）

根据热力学第一定律，则有：

Qc=Qe+Qg+Wp （9）

喷射制冷系统的性能系数为

COP=■=■=u■ （10）

由此可见，喷射制冷系统的性能系数主要受到引射比u、蒸发温度、冷凝温度、发生温度等参数影响。

3 数值模拟及分析

喷射器计算采用一维迭代模型[9]。基本控制方程基于质量守恒、动量守恒和能量守恒，通用积分表达式如以下：

■■ρd？坌+■ρ■d■=0 （11）

■■■ρd？坌+■■ρ■d■=■■+■■ （12）

■■u+■+gzρd？坌+■h+■+gzρ■d■=Q-W■（13）

一维喷射器计算模型中基本方程的控制体和控制面如图2所示。为简化计算分析，作如下假设：①假设喷射器运行时处于稳态；②假设进出喷射器的流体为不可压缩流体；③忽略热传导和粘度；④喷射器内流体为一维均匀流体；⑤喷射器视为绝热；⑥忽略重力势能；⑦忽略流体进出喷射器的流速；⑧假设工作流体和引射流体在进入混合段入口之前达到相同压力，此时的压力值低于蒸发压力。

对于本系统的另一个主要部件风冷式冷凝器，模型采用分布参数法，将制冷剂沿管路划分成有限个单元格，如图3所示。其中，风机吹出的冷却风和冷凝器管道内制冷剂流向相互垂直，不考虑冷凝器中制冷剂压降，冷凝器中每根管路制冷剂流量相等，忽略管壁热阻。

然后，利用EES物性函数来获得制冷剂的物性参数，采用二分法和牛顿迭代法，自行编制了系统的数值模拟程序，对本文研究的汽车废热驱动风冷两级喷射制冷系统进行了数值计算。

图4至图8为单独改变冷凝风温时，系统参数及性能的变化。可以看出，随着冷凝风温的下降，冷凝温度也随之下降。此时发生温度和蒸发温度固定不变，即冷凝压力下降，发生压力和蒸发压力不变，两个引射器各自的引射比以及总引射比都随着冷凝风温的下降而升高。冷凝风温下降时，系统的制冷量增加，但发生器所需加热量也增加，其增加幅度小于制冷量的增加幅度，COP增加。

图9至图11为单独改变发生温度时，系统参数及性能的变化。随着发生温度的增加，冷凝温度、引射比和循环COP都增加，但与相对于发生器温度的变化幅度，这些参量的变化幅度要小得多。由此可见，发生器温度对系统的影响程度相对较小。

图12至图14为单独改变蒸发温度时，系统参数及性能的变化。随着蒸发温度的下降，冷凝温度基本不变，而引射比和循环COP都增加。与发生温度对系统的影响相比较，变化蒸发温度对系统运行能力的影响要更加明显。

4 讨论与结论

蒸汽喷射制冷系统尽管COP较低，但汽车发动机具有较为充足的可利用余热，因而也能满足汽车所需制冷需求。蒸汽喷射制冷系统的体积相对氟利昂喷射系统较大，但对于大中型客车应有足够的空间。目前，对喷射式制冷系统应用于汽车空调研究的还比较少。已有的研究则主要关注于采用氟利昂工质的喷射制冷技术。自然工质水的环保优势是氟利昂类工质无法比拟的。因此，采用水为工质的蒸汽喷射制冷技术在汽车空调中会具有其独特的优势。

本文提出的双级蒸汽喷射制冷系统以自然工质水为制冷剂，采用两级喷射器，使用U型管作为节流装置，在实现废热利用的同时兼顾了环保需求。通过建立的数学物理模型，采用二分法和牛顿迭代法进行了数值模拟计算，结果表明：①冷凝风温下降时，系统的制冷量增加，但发生器所需加热量也增加，其增加幅度小于制冷量的增加幅度，COP增加；②发生温度的增加时，冷凝温度、引射比和循环COP都增加，但发生器温度对系统的影响程度相对较小；③蒸发温度的下降时，冷凝温度基本不变，而引射比和循环COP都增加。与发生温度对系统的影响相比较，变化蒸发温度对系统运行能力的影响要更加明显。总体而言，新系统表现出了比较好的变工况特性，用于车载空调系统具有较好的可行性。这是发动机废热驱动汽车空调制冷方面的新尝试。

参考文献：

[1]董景明，马鸿斌等.蒸汽喷射式制冷的理论分析与实验研究.2011中国工程热物理学会（传热传质学）会议论文集.2011年.

[2]朱智福.汽车废热利用的有效途径.黑龙江工程学院学报，2005，19（2）：51-53.

[3]杨培毅.汽车余热空调的研究现状[J].流体工程，1993，21（6）：53-59.

[4]Munther Salim.Technical Potential for Thermally Driven Mobile A/C System[J].SAE Technical Paper Series.2001-01-0297.

[5]刘甄.节油机动车溴化锂制冷供热机组[P].中国：CN991157

08.7.1999.

[6]肖尤明，徐烈，张洁等.汽车空调余热溴化锂吸收式制冷装置传热分析[J].汽车工程，2004，26（4）：492-495.

[7]张博.喷射式制冷系统研究最新进展[J].制冷，2005，24（2）：25-32.

[8]郑爱平，赵乱成.利用汽车冷却废热驱动的喷射式制冷系统.流体机械，1994，22（1）：58-61.

[9]郑爱平.利用低品位热能驱动的喷射式制冷工质.化工学报，2008，59（S2）.

[10]GB/T 21361-2008|汽车用空调器.中国标准出版社，2008年8月，第1版.

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