喷射式制冷系统在发动机余热利用中的应用

摘 要：提出了一种利用发动机排气余热作为热源驱动的喷射式制冷系统，选取R134a作为制冷工质，建立系统的热力模型。计算结果表明，在热源发生温度为tg=80 oC，冷凝温度为tc=40 oC，蒸发温度为te=5 oC下，喷射系数为u=0.15～0.5之间时，制冷量Q0达到5 kw，性能系数COP可达到0.5，完全能满足作为车辆空调的使用。利用喷射器取代了传统制冷系统的压缩机，节省了压缩机所消耗的能量，提高了发动机的功率。并对排气余热加以利用，有效地提高了发动机的热效率。

关键词：发动机；喷射式制冷；余热利用；性能系数

中图分类号：TK115文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.01.009

Application of Jet Refrigeration System to Engine Waste Heat Recovery

Ma Junda1，Li Guangxia1，Lu Xiaorui2，Gao Haiyang1

（1. China Automotive Technology & Research Center，Tianjin 300162，China；

2. College of Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract： An engine exhaust energy refrigeration system was proposed. R134a was chosen as a working medium for the refrigeration system. The thermal model is established and the results show that the generating temperature tg= 80 oC, condensing temperature tc= 40 oC, evaporating temperature te= 5 oC, injection coefficients u=0.15～0.5, the refrigerating capacity Q0 < 5 kw and performance coefficient COP < 0.5. The system can be used as automotive air conditioning. By using an ejector to replace the compressors in traditional refrigeration systems, the energy used by the compressors is saved and the power and thermal efficiency of the engine are improved.

Keywords：engine；ejector refrigeration cycle；waste heat recovery；performance coefficient

近年来，世界著名的汽车公司和科研部门都在寻找合理利用低温热源的方法（如Ford、Cummins、GM），纷纷开展了多种针对发动机排放余热利用技术方面的研究工作。韩国忠北大学提出的高低温双热电发生装置的余热回收系统，可提高燃油经济性10%以上。试验证明在室温30 oC的环境下，4 cm×4 cm Bi2Te3热电模块高温端在100 oC～200 oC时，能产生6.7 V/3.39 A；1.44～5.68 w的电能[1-2]。这项技术在改善燃油经济性和混合动力汽车的研究方面发挥了巨大的潜力。Ford汽车公司利用发动机废气余热发电技术设计了暖通空调系统（HVAC）来改善轻型车的舒适性，提高了能源的利用效率。该系统的能源利用系数设定在制冷系统COP＞1.3,热泵系统COP＞2.3并且优化了热电转换材料的转换优值ZT，提高了热电转换效率。随着汽车电气化和舒适度要求的不断提高，为这种节能模式（HVAC）系统可行性的研究提供了一些具有理论参考价值的结论[3]。国内外诸多汽车公司以及科研院所提出了一些热源温度在100 oC～600 oC之间的动力及制冷循环，开辟了能源再利用的新局面。

本文主要根据发动机排气能量设计了喷射式制冷系统，以R134a作为制冷工质建立仿真模型。对系统运行时不同的发生温度tg，冷凝温度tc，蒸发温度te和喷射器的引射系数u对制冷系统的性能系数COP的影响做了分析。分析表明该系统结构简单，运行可靠，利用喷射器取代原始制冷系统的压缩机，降低了发动机所消耗的能量，提高了发动机的功率并对排气余热加以利用，有效提高了发动机的热效率，改善了燃油经济性。

1 发动机排气能量

对柴油机排气能量的估算包括对排气成分的百分比以及对各成分的焓值的计算。柴油的化学分子式C12H23，理论空燃比a0约为14.7，假设完全燃烧，其生成物仅为CO2和H2O，则柴油的燃烧化学反应方程式为

．（1）

对于理想气体排气的比焓：

，                                     （2）

式中：h为温度T下的比焓，h0为温度T0下的比焓，kJ/kg，可查表得到各组分在定温下的焓值；CP为定压比热容，kJ/(kg•K)。

排气能量的比焓可由下面公式计算：

      （3）

式中：、、、分别为排气中氮气、氧气、二氧化碳和水的比焓，单位kJ/kg；，，，分别为排气中氮气、氧气、二氧化碳和水的质量百分比。

排气能量可由下式求得。

Eexh=mexh•hexh                                               （4）

排气的热量（火用）：

温度为T0的环境条件下，系统（T＞T0）所能提供的热量中可转化为有用功的最大值是热量（火用），发动机排气能量即热能转换为其它形式的能时，不可能全部转换，转换能力受到热力学第二定律的制约。所以排气余热的能量属于低品位能量。

排气余热中的热量（火用）Ex，h ：

Ex,h=h-h0-T0ΔS，                                    （5）

ΔS可由下式得到。

， （6）

式中：h、s分别为废气的比焓和比熵；h0、s0分别为环境温度下废气的比焓和比熵；T0为环境温度。P为排气压力；P0为环境压力；R为气体常数，kJ/(kg•K)[4]。

用上述的计算方法对某乘用车排气进行了分析，该发动机的排气压力为120 kPa，环境温度和环境压力分别为25 ℃和10 kPa。各工况下的输出功率、废气能量以及废气可用能见表1，其中废气能量由式（4）计算得到，废气可用能由式（5）计算得到。由表1可见排气温度越高，废气能量中可用能的部分就越大，即排气能量品质越高[5]。

2 发动机余热制冷循环

2.1 余热制冷循环

余热制冷循环是利用发动机排气余热来驱动的制冷循环系统。图1是余热制冷循环系统的简图，余热制冷系统的工作过程如下。

制冷循环选择以R134a作为制冷工质，当发动机排气流经发生器时，热量加热制冷工质使其成为高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽在喷射器的喷嘴处把热能转换成动能以很高的速度喷出并绝热膨胀到很低的压力，因而在混合室内的压力较低，于是将作为制冷工质的蒸汽吸入，两路蒸汽混合后进入扩压管，利用蒸汽在经过喷嘴时得到的动能将混合气体压缩，使压力增加到其饱和温度比冷凝水的温度稍高的值。此后，蒸汽进入冷凝器，冷凝成液态工质。由冷凝器出来的凝结液一部分由循环泵升压送入发生器完成工作蒸汽循环，如图1中1-7-3-4-5。其余的流经节流阀降温降压后进入蒸发器，吸热汽化，完成逆向循环4-6-2-7-3。循环中流经循环泵的流量（工作蒸汽流量mp）和节流阀的流量（引射流体流量mk）按照喷射系数u来确定，由节流阀来执行对制冷剂流量的控制。必须保证蒸发器的出口全为气态制冷剂，流量过大会影响喷射器的喷射效果，同时引射流体流量太小造成制冷不足，流量过小工质蒸汽易达到临界温度。图2中主要描述了工质在整个循环中各状态点的参数变化以及循环中的能量流向[6]。

2.2 余热制冷循环热力学模型

循环由发生器、冷凝器、蒸发器、喷射器和循环泵组成。在循环中确定各个状态点，计算各工况点热负荷。联立能量和质量守恒方程，分析各工况点参数的变化对制冷循环性能的影响。假设循环处于稳定状态，建立各个组件的能量方程：

Qe=me（h2”- h6），                                （7）

Qc=mc（h3”- h4），                                （8）

Qg=mg（h1”- h5），                               （9）

式中：Qe、Qc、Qg分别为蒸发器、冷凝器、发生器的热流率；式中：me、mc、mg分别为蒸发器、冷凝器、发生器的质量流量。

2.2.1 喷射器

喷射器是循环中最关键的部分，它起到对制冷工质压缩的作用。其结构如图3所示，主要分为4部分：吸入室、喷嘴、混合室和扩压室。高温高压的工作蒸汽从喷嘴进入将热能转换成为动能，降温降压后吸入室产生负压将引射蒸汽吸入，两股流体进入混合室混合后速度逐渐均匀的过程伴随着压力的升高，随后进入扩压器中动能转换为势能或者热能，压力进一步升高后流出喷射器。

喷射器中引射流体的质量流量与工作流体的质量流量之比，定义为喷射系数u，即u=mh/mp。mh为被抽吸的工质质量流量，mp为发生器产生的工作蒸汽的质量流量。喷射系数是衡量喷射器性能的关键系数，直接影响到制冷循环的性能。喷射系数主要与喷射压缩器前工作流体参数（Pp，Tp或Pp，hp）和引射流体的参数（Ph，Th或Ph，hh）给定以及压缩压力Pc给定的情况下确定喷射压缩器的可达到的喷射系数u。在工质和各状态参数确定的情况下，可建立动量守恒方程和动能守恒方程 [7]。

质量守恒方程为

mp+mh=mc．                                             （10）

能量守恒方程为

mphp+mhhh=mch．                                    （11）

为了简化推导，假设工作流体和引射流体进入混合室之前，在和工作喷嘴出口界面相重合的1-1平面与混合室入口截面之间那一段上不相混合[8]。

动量守恒方程为

φ2（GpWp2+GhWh2）-（Gp+Gh）W3=（P3-Pp2）fp2+

（P3-Ph2）fh2 ，                                         （12）

式中：Gp、Gh分别为工作流体和引射流体的质量流量，kg/s；Wp2、Wh2分别为混合室入口界面上的工作流体和引射流体的速度，m/s；Pp2、Ph2、P3分别为混合室入口截面上工作流体、引射流体和混合流体的静压力，N/m2；fp2、fh2分别为工作流体和引射流体在入口界面上所占的面积，m2；φ2为混合室的速度系数。

系统的性能系数为

COP=Qe/Qg=u（h2-h6）/（h1-h5）． （13）

可见制冷系统的性能系数主要受到喷射系数u、蒸发温度te、冷凝温度tc、发生温度tg，4个参数的影响。

3 余热制冷循环性能分析

3.1 余热制冷与压缩蒸汽制冷的对比

在余热制冷热力学模型的基础上，选择R134a作为循环的制冷工质。其主要物性参数见表2，运用matlab进行模拟仿真运算。

选取循环的3个工作状态为发生温度80 oC，压力1.5 MPa，冷凝温度40 oC，压力1.0 MPa，蒸发温度5 oC，压力0.35 MPa。总流量G=0.0857 kg/s，喷射系数为0.45，发生器的工作效率为80%。为了分析余热制冷循环对发动机的节能效果，循环中各状态点的选择与实际制冷循环各工况点进行了吻合，并将余热制冷循环的计算结果与实际制冷循环参数进行对比，各状态点参数见表3。实际制冷循环制冷量10.9 kw、性能系数为1.98，而余热制冷循环制冷量为3.84 kw、性能系数仅为0.3，而实际制冷循环中压缩机耗功为5.58 kw，余热制冷循环利用余热13 kw[9]。从结果上看两者的差距非常大，原因在于循环中工质流量的差别，实际制冷循环工质流量为0.085 7 kg/s，而余热制冷循环中制冷部分流量0.026 64 kg/s，见表4。流量的差别主要在喷射系数的选取，而喷射系数主要在于压缩比和膨胀比的选定同时受发生温度的影响很大。从节能效果上来看两个循环若产生相同的制冷量，那么余热制冷循环的流量必然要增大，计算中选取0.276 kg/s，利用余热为33.2 kw。余热制冷系统所消耗的能量完全由发动机排气余热转化而得故作为回收能量，而喷射器取代压缩机所节省的耗功为5.58 kw。系统的结构制冷段与实际汽车制冷循环相比变化不大，仅用喷射器取代了压缩机构成了动力段，对于实际制冷循环结构变化不大，而且喷射器体积小、质量轻、运行可靠，布置方便、在利用余热方面效率高，取消压缩机后发动机的功率能够得到一定的提高。

3.2 计算结果的分析

3.2.1 发生温度对性能系数的影响

图4所示为性能系数随发生温度的变化曲线，因为工质R134a的临界温度为101.1 oC，所以发生温度计算值最高选择在90 oC。在标准工况不变的情况下，随着发生温度的升高，性能系数不断降低。因为发生温度的升高意味着工质吸收排气的热能更多，为达到相应的温度和压力状态所付出的能量代价会更高，而制冷量不变，所以性能系数会不断下降。喷射系数的不同导致循环中动力段和制冷段工质流量比例发生变化。当喷射系数增加时，制冷段工质质量流量相对增加，制冷量增加，而动力段工质质量流量相对减少导致功耗降低，性能系数不断增大。系统运行时，喷射系数随着发生温度的升高而不断增加。如图5所示，喷射系数随着发生温度变化时，发生温度的升高会引起性能系数的增加。这是因为发生温度升高后喷射系数的增加使工质流量发生变化对性能系数的影响占主导作用，在耗功增加的同时制冷量的增加量更大，所以性能系数会不断增加。

3.2.2 冷凝温度对性能系数的影响

图6所示为冷凝温度对性能系数的影响。在标准状况其它参数不变的情况下，性能系数随冷凝温度的变化明显。随着冷凝温度的升高性能系数不断降低，因为冷凝温度直接影响了制冷量的大小，当制冷工质的质量流量不变，余热制冷循环系统中相当于总流量和喷射系数不变时，冷凝温度的升高，使工质制冷的起点本身能量较高，导致在冷库中制冷能力下降，单位时间内吸收的热量减少。耗功不变的情况下，性能系数会不断下降。但是冷凝温度不能选择太低，否则会造成冷凝器热负荷过大，增加冷凝器的换热面积使冷凝器体积变大，冷却风扇耗功增加，使系统的布置比较困难，系统的耗功增加。

3.2.3 蒸发温度对性能系数的影响

蒸发温度为冷库所保持的温度，作为制冷段工质吸热后的循环终点温度。当制冷段工质的流量和冷凝温度一定时，发生温度直接影响制冷量的大小。如图 7所示，随着蒸发温度的增加，制冷量增大，耗功不变，性能系数逐渐上升，但上升趋势不太明显，因为作为车用空调制冷的蒸发温度一般都在0 oC以上15 oC以内，变化范围不大对制冷量的影响不起主导作用。图中描述了在不同冷凝温度下性能系数随蒸发温度的变化趋势，可以看出在蒸发温度一定的情况下，不同的冷凝温度之间性能系数大约相差0.01，与蒸发温度相比性能系数受到冷凝温度的影响要大，冷凝温度占主导作用。

4 结论

本文利用热力学第二定律的方法评估了发动机排气的有用能并提出了一种利用发动机余热作为驱动能源的制冷系统，同时系统用喷射器取代了传统制冷系统的压缩机。系统利用排气余热能够提高发动机的热效率，取消压缩机后在某种程度上会提高发动机功率。计算结果表明，在发生温度为80 oC，冷凝温度为40 oC，蒸发温度为5 oC下，喷射系数在0.15～0.5之间时，制冷量能达到5 kw,性能系数可达到0.5，完全能满足作为车辆空调的使用要求。计算可知余热制冷循环的性能系数受各状态点参数变化的影响情况，结论如下。

（1）在喷射系数u不变的情况下，随发生温度tg的增高，性能系数COP有不明显的降低趋势，但在实际中发生温度tg增高的同时，喷射系数u增大幅度较为明显，致使制冷段的流量有大幅度的增加，所以性能系数COP升高明显。

（2）冷凝温度tc的升高，直接导致制冷量降低，所以在标准工况不变的情况下，性能系数COP呈明显的下降趋势。

（3）发生温度te不断升高，性能系数COP有下降的趋势，但冷凝温度tc占主导作用，相对来说性能系数COP受冷凝温度tc的影响要大于发生温度te。

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