Thermodynamic Analysis of a Vortex Tube-Assisted Ejector Auto-Cascade Refrigeration System Using R41/R1234yf Mixture

制冷是现代世界的一项基本技术，然而制造这些机器的设备往往依赖于一种简单且略显浪费的技巧：通过一个微小的孔将高压气体强行推出以使其变冷。这种被称为“节流”的过程虽然有效，但效率低下，会将大量的潜在能量以热量的形式浪费掉。在寻求更好制冷效果的过程中，特别是在用于保存医学样本或液化气体等深冷应用领域时，工程师们长期以来一直在寻找回收这些流失能量的方法。一种极具前景的方法是使用由不同沸点气体组成的混合物，利用它们在不同温度下自然分离并协同工作的特性。然而，即使是这些先进系统仍有改进空间。挑战在于如何捕捉通常会被丢弃的制冷能力，并利用它来帮助系统在不消耗更多电力的前提下更高效地运转。

来自内蒙古科技大学和伊尔库茨克国立研究技术大学的研究小组提出了一种解决这一问题的新方法。他们设计了一个结合了两种不同装置的制冷系统：涡流管和喷射器。涡流管是一种简单的、无运动部件的实心金属装置，仅利用旋转运动的物理原理，就能将一股压缩气体流分成两股——一股极热，一股极冷。喷射器则是一种类似于喷嘴的装置，它利用高速气流来吸入并压缩第二股气流，从而在不需要电机的条件下起到泵的作用。通过将这两个装置与标准的制冷循环相连接，研究人员创建了一个比传统设计能更有效地回收其内部能量的系统。

该系统使用了一种由 R1234yf 和 R41 两种环保气体组成的特定混合物。之所以将这两种气体混合在一起，是因为它们在冷却时的表现不同：其中一种比另一种更容易冷凝成液体。在这种新设置中，混合气体经过压缩后被冷却，直到开始分离成液体和蒸气。富含低沸点气体的蒸气部分被送入涡流管。在管内，气体剧烈旋转并发生分裂。分裂出的冷端并没有被浪费；相反，它被引导回热交换器，用于冷却进入主冷却室的高压气体。这种预冷步骤使气体比以往任何时候都更冷，从而使系统能够产生更多的制冷量。与此同时，涡流管分裂出的热端被送往喷射器，在那里帮助吸入并压缩主气流，从而减轻了主压缩机的负担。

为了了解这个想法的效果如何，研究人员建立了一个详细的计算机模型。他们并没有在实验室里制造一台物理机器来进行这项研究；相反，他们根据 R1234yf 和 R41 混合物的已知特性，利用数学方程模拟了气体的流动和热量的传递。他们测试了系统在各种条件下的表现，包括改变外部空气温度、管道中的气体流量以及混合物中两种气体的比例。目标是观察这些变化如何影响系统的制冷能力以及其能源使用效率。

模拟结果显示，与仅使用喷射器而缺乏涡流管的标准制冷循环相比，新系统表现得显著更好。当研究人员在相同条件下对比两种设计时，这种带有涡流管辅助的新系统产生的制冷量提高了 58.37%。它还使性能系数（衡量效率的一个指标）提升了 49.03%。这意味着该系统可以更快地冻结物体，且消耗更少的能量。研究人员发现，最大的收益来自于对涡流管冷端的巧妙利用。通过使用这股冷流对高压气体进行预冷，系统减少了在膨胀过程中损失的能量。

研究还表明，系统的性能在很大程度上取决于对混合气体管理的方式。增加混合物中低沸点气体 R41 的含量可以提高制冷量和效率，但存在一个临界点。研究人员还发现，离开冷凝器的气体温度至关重要：较低的冷凝器温度会导致更好的性能。相反，增加离开冷凝器的气体干燥度（即更高的蒸气比例）实际上提高了系统的制冷输出。尽管较高的干燥度会略微降低分离出的蒸气中低沸点气体的浓度，但流经循环的总蒸气量却显著增加了。这种更大的蒸气流量为随后的低温过程提供了更多的制冷剂，也为涡流管提供了更多的流动量进行分离，从而在浓度降低的情况下，依然提升了制冷量、性能系数（COP）和火用效率（exergy efficiency）。

最重要的发现之一是，该系统在不同部分的循环保持平衡时工作效果最好。涡流管提供了一个在其他系统中通常被忽略的冷源，而喷射器则提供了一种无需额外电机即可回收压力的途径。当这两个要素协同工作时，它们创造了一个废热和废冷不断被重复利用的循环。研究人员指出，虽然增加 R41 气体的含量有助于提升性能，但也会提高系统内部的压力，这是工程师在制造真实机器时需要考虑的一个因素。

这项研究的结果表明，将涡流管与喷射器结合是提升自动级联制冷系统性能的一种可行方法。这类系统已经应用于气液化和低温研究等专业领域，在这些领域中，达到极低温度至关重要。通过提高这些机器的效率，这种新设计可能会带来体积更小、动力更强且耗电更少的冷却单元。研究人员强调，他们的发现是基于模拟实验的，这意味着下一步将是制造一个物理原型机，以验证这些数据在现实世界中是否成立。然而，数据的明确信息是：与其让内部能量流失，不如捕捉并重新利用制冷剂的内部能量，这为开发更高效的制冷技术提供了一条重要的路径。