涡流管中混合制冷剂的能量分离特性及其在自复叠制冷循环中的集成：数值与热力学分析

《Energy》：Energy separation characteristics of mixed refrigerant in a vortex tube and its integration into an auto-cascade refrigeration cycle: numerical and thermodynamic analysis

　　

# 涡流管中使用混合制冷剂的能量分离特性

## 摘要

涡流管是一种具有能量分离特性且无运动部件的装置。它可用作节流、冷却/加热或分离装置，以提高系统能效。然而，涡流管使用混合制冷剂作为工作流体时的能量分离特性尚不清楚。本研究通过数值方法考察了R170/R600a质量分数比对能量分离特性的影响。结果表明，增加R170的质量分数能够增强涡流管的切向速度和能量分离效果。绝热指数、摩尔质量和运动粘度被确定为影响能量分离的关键热物性。当R170/R600a质量分数比为7:3时，在冷流质量分数为0.3和0.8的条件下，分别实现了12.85 K和8.62 K的最大制冷和加热效果。此外，将涡流管整合到自级联制冷循环中，讨论了系统运行条件下的能量分离特性和循环的热力学性能。结果表明，压力比对涡流管中能量分离的影响比进口压力更为显著。在独立参数研究中，当R600a质量分数为0.4、压力比为2.8、冷流质量分数为0.7时，增强循环的制冷量和性能系数均达到最优值。本研究有助于涡流管在制冷系统中的有效应用，并为混合制冷剂的选择提供了指导。

## 引言

涡流管是一种机械结构简单、无运动部件的装置，其特征是自发地将压缩气体分离为冷流和热流。它已被应用于多种领域，包括制造业的局部冷却、海水淡化、天然气液化和采矿[1-4]。在典型运行条件下，涡流管冷、热出口之间的温差范围为20至80°C[5]。已提出多种理论来解释涡流管内部的能量分离现象[6,7]。经典理论引用了压力梯度、粘性剪切和二次流效应[8-10]。超越单一机制的解释，Li等人[11]提出分离效应源于切向动量传递、轴向动量传递和热传导的共同影响。基于进动涡核动力学，Zhang和Guo等人[12]将能量分离机制归因于涡流崩溃过程中涡核围绕中心轴的周期进动。然而，这些理论均无法完全解释涡流管的分离特性[13]，有待进一步研究。

目前关于涡流管的研究主要集中在其机理、特性、设计优化和应用方面[14-17]，大多数研究成果基于以空气为工作流体的研究。几何优化已被广泛用于提高涡流管的性能。以往的研究表明，控制阀几何形状、喷嘴构型和冷出口结构可以显著改变内部旋流，从而影响温度分离、功率分离和COP[18,19]。近期研究还表明，热阀曲率的优化可以改变驻点和内部速度分布，进一步证明了结构设计在能量分离中的重要作用[20]。除了结构优化外，工作流体的热物性也显著影响涡流管的性能。Han等人[21]实验研究了六种氢氟烃在涡流管中的能量分离，报告R728达到了最优的9.72°C温差分离，而R22、R161和R134a产生了负加热效应。他们确定绝热指数、导热系数和运动粘度是影响温度分离的关键物性。Li等人[22]研究了R744、R32、R227ea和R134a的分离特性，发现绝热指数强烈影响喷嘴内的膨胀过程，较高的绝热指数增强了制冷效果。较大的压缩因子引起管内更剧烈的膨胀和流动，从而改善了温度分离，而加热效应随运动粘度的增加而增强。值得注意的是，R744达到了36°C的温差分离。He等人[23]报告工作流体的能量分离效果按R41、R32、R23、R290、R134a和R1234yf的顺序递减，且较小的摩尔质量有利于更好的分离效果。R290相对于R32和R23较差的能量分离主要归因于其较低的导热系数，这削弱了流体层间的能量交换。Mohammadi等人[24]研究了LPG-N?混合物在涡流管中的分离性能，报告在优化条件下热端LPG回收率达到了87%，并指出质量分离由离心力主导。Yun等人[25]利用涡流管将二氧化碳从空气中分离，在3 bar和冷流质量分数为0.6的条件下，CO?分离效率达到7.4%。Liang等人[26]数值考察了CH?-CO?组成变化对涡流管性能的影响，发现温度分离效果随CH?摩尔分数的增加而增强，而性能系数则下降。阐明工作流体性质对分离特性的影响对于理解涡流管的分离机理和实现其更广泛的应用至关重要。

尽管涡流管本身具有制冷和加热能力，但单独运行的涡流管效率相对较低。将涡流管整合到制冷系统中作为节流、冷却和分离装置已被证明可以提高整体系统的能量性能[27]。在此配置中，节流功能替代了传统膨胀阀，而温度分离效应提供了额外的过冷或过热，从而改善了亚临界制冷循环的性能[28,29]。在超临界循环中，涡流管可回收膨胀阀处通常产生的约40%不可逆等焓膨胀损失。二氧化碳具有高工作压力和临界温度，通常被用作工作流体[30,31]。热力学分析表明，整合涡流管的亚临界制冷循环的COP可提高5-27.33%[32,33]，超临界循环的COP可提高1.97-37%[34,35]。随着对涡流管理解的深入，研究已从组件水平逐步扩展到系统水平整合。在封闭式制冷系统中整合涡流管允许使用多种工作流体，特别是各种制冷剂。热物性与空气显著不同的制冷剂以及系统运行条件可以显著影响涡流管的能量分离特性。在将涡流管部署于制冷系统时，应考虑并研究这些因素。

自级联制冷系统采用单压缩机和渐变态制冷剂混合物，是实现-40°C以下温度的关键技术[36,37]。要达到如此低的温度，级联换热器（CHX）消耗了系统总制冷量的60%以上，从而减少了蒸发器可用的制冷量，导致COP较低[38]。自级联循环本身在有利于涡流管整合的高压下运行。因此，整合涡流管提供了一种缓解CHX冷负荷的可行方法。此外，涡流管内发生的近等熵膨胀过程可以部分替代传统节流，减轻节流损失，从而提高制冷量和COP。在此整合过程中，一个关键的考虑因素是混合制冷剂在涡流管内的能量分离行为。迄今为止，关于混合工作流体涡流管能量分离的研究仍然有限，现有研究仅涉及涡流管的组件级特性。因此，本研究建立了实验验证平台，数值分析了涡流管中混合制冷剂的能量分离特性。然后将涡流管整合到自级联制冷循环（ARC）中，研究其在系统运行条件下的能量分离特性以及系统热力学性能的变化。

## 数值模型与实验验证

基于针对蒸发温度为-60°C的自级联制冷系统的热力学分析，R170/R600a混合物相比其他研究的混合物表现出更高的COP和更低的压缩压力比[39,40]。因此，选择R170/R600a进行后续分析。鉴于这些烃类具有易燃易爆特性，采用数值模拟方法来研究R170/R600a的能量分离特性。

## 循环描述与能量模型

整合了涡流管的增强自级联制冷循环（EARC）及其P-h图如图6所示。在此配置中，涡流管安装在分离器的气相出口处，以引起气态制冷剂的能量分离。部分能量从冷流转移到热流，随后热流在去热器中向环境排热，然后与冷流重新混合。因此，混合...

## 内部场分布特征

在进口压力0.5 MPa、进口温度298.15 K、R170/R600a质量分数比0.5/0.5和冷流质量分数0.5的条件下，考察了沿无量纲轴向（x/L?）和径向（r/R?）坐标的速度、温度和压力场分布。利用几何对称性，这些内部场的径向分布如图7和图8所示。

涡流管中的能量分离由内部压力梯度驱动，表现为...

## 结论

为了推进涡流管的系统级应用，本研究数值研究了使用R170/R600a作为工作流体的涡流管的能量分离特性，并考察了系统运行条件下关键涡流管参数的影响。还进行了热力学计算以评估整合涡流管的自级联制冷循环的性能。结论总结如下：

(1) 内部场分布分析...

## CRediT作者贡献声明

**董亮静**：论文撰写——原稿、方法、调查研究、正式分析。
**尹龙李**：方法、调查研究、数据整理。
**国强刘**：项目管理、方法、正式分析。
**刚严**：项目管理、资金获取、概念化。
**亚芬田**：软件、方法、调查研究。

## 提交声明

作者声明本稿件为原创，此前未曾发表，除非根据Elsevier出版政策允许。本稿件未在其他地方考虑发表。所有作者均已阅读并批准本稿件，并同意将其提交至Energy期刊。本稿件的发表也已获得工作所在机构相关当局的批准。如被接受，本文不会在其他地方发表。

## 伦理声明

不适用。本研究不涉及人类参与者或动物。

## 利益冲突声明

不存在实际或潜在的冲突利益，包括在提交工作开始前三（3）年内与他人或其他组织的任何财务、个人或关系关系，这些关系可能会不当影响（偏向）其工作。

## 致谢

本工作由国家自然科学基金（NSFC）资助，项目编号52576018，以及上海多相流与传热工程技术重点实验室开放项目资助（编号SKLMFHTPE003）。作者感谢NSFC的资助。

**作者单位：** 西安交通大学能源与动力工程学院制冷与低温工程系，西安，710049，中国