工況和噴嘴喉部直徑對引射器及制冷系統(tǒng)性能的影響

孟麗麗，郭憲民，任立乾

（天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300134）

1 引言

CO2制冷系統(tǒng)主要用膨脹機(jī)和引射器作為膨脹裝置的替代裝置來回收高壓工質(zhì)的膨脹功。膨脹機(jī)具有較高的效率，但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)部件多，因此在制冷系統(tǒng)中常采用引射器代替膨脹閥，其具有兩大優(yōu)點(diǎn)：回收膨脹功 （增大系統(tǒng)COP）和閃蒸分流（減小了蒸發(fā)器體積），并且引射器的結(jié)構(gòu)簡單、沒有運(yùn)動(dòng)部件、造價(jià)低，取得傳統(tǒng)制冷循環(huán)無法達(dá)到的節(jié)能效果。

國內(nèi)外學(xué)者對以CO2為工質(zhì)的引射制冷系統(tǒng)做了大量理論研究和實(shí)驗(yàn)分析。M.Nakagawa［1］等人研究了引射器混合段長度對帶回?zé)崞骱筒粠Щ責(zé)崞鞯腃O2兩相流引射制冷系統(tǒng)性能的影響，最優(yōu)混合段長度使COP增加26%，而不合理的長度至少使得COP減少10%。Krzysztof Bannasiak［2］等人通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)引射器性能主要依賴于混合段長度和直徑，以及擴(kuò)壓室擴(kuò)張角，實(shí)驗(yàn)得出的最優(yōu)擴(kuò)張角為5°，最優(yōu)混合段長度和直徑分別為30mm和3mm，另外，擴(kuò)壓室出口直徑越大引射器性能越好，而數(shù)值計(jì)算結(jié)果，當(dāng)擴(kuò)壓室角度大約為3°，混合段長度在20～25mm范圍內(nèi)取得最優(yōu)性能。Fang Liu［3］等人通過實(shí)驗(yàn)研究了引射器幾何尺寸和運(yùn)行工況對系統(tǒng)性能的影響，引射比和COP隨著喉部直徑的減小而增加，當(dāng)主噴嘴出口到恒截面混合段距離為混合段直徑的3倍時(shí)制冷量和COP取得最大值。

本文在不同工況及不同引射器幾何尺寸條件下對兩段式跨臨界CO2兩相流引射制冷循環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了引射器幾何參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，及氣冷器出口溫度、氣冷器壓力和蒸發(fā)溫度對系性能的影響，并與拉法爾噴嘴的引射系統(tǒng)進(jìn)行比較。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

CO2兩相流引射循環(huán)制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，來自壓縮機(jī)的高溫高壓超臨界CO2在氣冷器內(nèi)冷卻后經(jīng)過回?zé)崞髋c來自蒸發(fā)器的低溫低壓CO2蒸汽換熱，作為引射器的工作流體，在噴嘴內(nèi)降壓、膨脹，高速流出噴嘴，并引射主蒸發(fā)器出口的過熱低壓CO2蒸汽，兩股流體在引射器混合室內(nèi)進(jìn)行動(dòng)量和能量交換，經(jīng)擴(kuò)壓室減速擴(kuò)壓后進(jìn)入氣液分離器，分離出的氣相制冷劑經(jīng)輔助蒸發(fā)器進(jìn)入壓縮機(jī)，而液相制冷劑流入主蒸發(fā)器，在主蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)后作為二次流回到引射器。另外，調(diào)節(jié)噴針進(jìn)入噴嘴深度來調(diào)節(jié)噴嘴喉部直徑。

圖1 跨臨界CO2兩相流引射制冷系統(tǒng)示意

本實(shí)驗(yàn)臺通過遠(yuǎn)程控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的工況調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)采集，可以記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的水溫、水流量，CO2的壓力、溫度及流量等數(shù)值，同時(shí)可以記錄實(shí)驗(yàn)過程的電力參數(shù)。由這些數(shù)值可以算出蒸發(fā)器水側(cè)的溫差、質(zhì)量流量及系統(tǒng)的耗功等。通過計(jì)算水側(cè)的換熱量得出蒸發(fā)器的換熱量，通過制冷劑的焓差和其質(zhì)量流量算得制冷量，再根據(jù)壓縮機(jī)的耗功，算出系統(tǒng)的COP，再通過被引射流質(zhì)量流量與主引射流質(zhì)量流量之比算出引射比。

圖2 兩段式噴嘴引射器簡化結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 兩段式噴嘴引射器第一喉部流通面積的影響

本實(shí)驗(yàn)研究和分析了固定工況下兩段式噴嘴第一喉部流通面積對引射器和系統(tǒng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)工況為主噴嘴進(jìn)口壓力9.00MPa，氣冷器出口溫度43℃，蒸發(fā)溫度6℃，實(shí)驗(yàn)中第一喉部流通面積分別取1.13 mm2、1.33mm2、1.54mm2、1.77mm2、2.01mm2和2.27mm2，第二喉部面積為1.54mm2，混合室直徑為13.0mm。圖3和圖4分別為第一喉部流通面積對引射器引射比和系統(tǒng)COP的影響曲線。

圖3 引射比隨第一喉部流通面積的變化

圖4 系統(tǒng)COP隨第一喉部流通面積的變化

從圖3、4中看到引射器的引射比隨著第一喉部流通面積的增加先增大再減小，當(dāng)?shù)谝缓聿苛魍娣e為1.54mm2時(shí)取得最大值為0.189，而系統(tǒng)COP隨著第一喉部流通面積的增加在降低。這是因?yàn)殡S著第一喉部流通面積的增加，主引射流和被引射流的質(zhì)量流量均增大，在第一喉部流通面積小于1.54mm2時(shí)被引射流質(zhì)量流量增加的速率較主引射流的高，則引射比增大；而當(dāng)?shù)谝缓聿苛魍娣e大于1.54mm2時(shí)，被引射流質(zhì)量流量增速變小，因此引射比降低。在流通面積增加過程中系統(tǒng)中工質(zhì)的質(zhì)量流量在增加，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中工況保持穩(wěn)定，壓縮機(jī)的壓比保持定值，隨著工質(zhì)質(zhì)量流量的增加壓縮機(jī)耗功增加，因此系統(tǒng)的COP隨著第一喉部流通面積的增加在降低。

3.2 氣冷器出口壓力的影響

分別選擇拉法爾噴嘴引射器和實(shí)驗(yàn)中兩段式噴嘴的兩喉部流通面積均為1.54mm2，氣冷器出口溫度選定43℃，蒸發(fā)溫度為6℃。引射器的引射比和系統(tǒng)性能隨著氣冷器出口壓力的變化如圖5、6所示。

圖5 引射器引射比隨著氣冷器出口壓力的變化

圖6 系統(tǒng)COP隨著氣冷器出口壓力的變化

圖5為引射器引射比隨著氣冷器出口壓力的變化曲線，拉法爾噴嘴引射器和兩段式噴嘴引射器的引射比變化趨勢一致，均隨著氣冷器出口壓力的增加先增大后減小，拉法爾和兩段式噴嘴引射器的引射比分別在8.50MPa和8.70MPa時(shí)取得最大值。從圖5中可以看出兩段式噴嘴引射器的引射比在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)始終大于拉法爾噴嘴引射器，并且兩段式噴嘴引射器取得的最大引射比相對于拉法爾噴嘴引射器的引射比增加了105.38%，因此采用兩段式噴嘴極大地提高了引射器的性能。圖6為使用兩段式噴嘴引射器的制冷系統(tǒng)COP隨著氣冷器出口壓力變化的曲線，隨著氣冷器出口壓力的升高，主引射流的質(zhì)量流量不斷增大，并且本實(shí)驗(yàn)中保持蒸發(fā)溫度不變，壓縮機(jī)吸氣壓力也就一定，壓縮機(jī)壓比增大，因此壓縮機(jī)耗功不斷增加，雖然系統(tǒng)制冷量在增加，但其增速小于耗功的增速，則系統(tǒng)COP隨著氣冷器出口壓力的升高在降低。

3.3 氣冷器出口溫度的影響

CO2的臨界壓力為73.77bar，臨界溫度為30.98℃，實(shí)驗(yàn)中所選擇的氣冷器出口工況點(diǎn)均位于跨臨界區(qū)，因此氣冷器出口處的溫度和壓力為互相獨(dú)立的變量。本拉法爾噴嘴喉部流通面積為1.54mm2和兩段式噴嘴，實(shí)驗(yàn)分析了拉法爾噴嘴引射器和兩段式噴嘴引射器的性能和系統(tǒng)性能隨著氣冷器出口溫度的變化，實(shí)驗(yàn)工況為氣冷器出口壓力9.00MPa，蒸發(fā)溫度6℃，氣冷器出口溫度依次選擇40℃、41℃、43℃、45℃。

圖7 引射器引射比隨著氣冷器出口溫度的變化

圖7為引射器引射比隨著氣冷器出口溫度變化的曲線，從圖中看出拉法爾噴嘴引射器和兩段式噴嘴引射器的引射比均隨著氣冷器出口溫度的升高而增大，在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，兩段式噴嘴引射器的最大值比拉法爾噴嘴引射器引射比的最大值增加了88.88%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著氣冷器出口溫度的增加，主引射流的質(zhì)量流量減小，被引射流的質(zhì)量流量幾乎不變，因此引射器的引射比增加。

3.4 蒸發(fā)溫度的影響

為了研究蒸發(fā)溫度對兩段式噴嘴引射器性能和系統(tǒng)性能的影響，實(shí)驗(yàn)中選擇使用兩段式噴嘴兩喉部均為1.54mm2的引射器，氣冷器出口溫度為43℃，出口壓力為8.50MPa，蒸發(fā)溫度依次選擇3℃、4℃、6℃、8℃。

圖8 引射器引射比隨著蒸發(fā)溫度的變化

從圖8、9中可以看到引射器的引射比隨著蒸發(fā)溫度的升高先增加后減小，并在蒸發(fā)溫度為4℃時(shí)取得最大值，為0.185，系統(tǒng)COP隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大。隨著蒸發(fā)溫度的升高，系統(tǒng)制冷量增加，而壓縮機(jī)耗功變化并不大，因此系統(tǒng)COP隨著蒸發(fā)溫度升高而增大。

圖9 系統(tǒng)COP隨著蒸發(fā)溫度的變化

4 結(jié)語

本文對兩段式噴嘴引射器和拉法爾噴嘴引射器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析研究，通過對比兩段式噴嘴引射制冷系統(tǒng)性能和傳統(tǒng)系統(tǒng)性能、兩段式噴嘴引射器實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果來探討兩段式噴嘴引射制冷系統(tǒng)的優(yōu)劣以及引射器的性能，并得出如下結(jié)論。

（1）在固定工況條件下，兩段式噴嘴引射器的引射比隨著第一喉部流通面積的增加先增大再減小，而系統(tǒng)COP隨著第一喉部流通面積的增加在降低。

（2）在引射器的幾何尺寸確定的條件下，存在氣冷器出口溫度、壓力和蒸發(fā)溫度的最佳組合使得引射器的引射比達(dá)到最大值，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩段式噴嘴引射器的引射比在變工況條件下比拉法爾噴嘴引射器的引射比大；兩段式噴嘴引射器制冷系統(tǒng)的COP隨著氣冷器出口溫度和壓力的升高降低，隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高。

（3）通過兩段式噴嘴引射制冷系統(tǒng)和傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)性能的比較發(fā)現(xiàn)，兩段式噴嘴引射制冷系統(tǒng)的性能在變工況條件下高于傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)性能。

（4）兩段式噴嘴引射器的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在變化趨勢上基本保持一致，但存在一些相反趨勢，并且模擬結(jié)果遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是因?yàn)樵谀?擬中進(jìn)行的假定與實(shí)際并不完全相符，以及實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)的波動(dòng)等多因素造成的。

［1］M Nakagawa，A R Marasigan，T Matsukawa，et al.Experimental investigation on the effect of mixing length on the performance of two－phase ejector for CO2refrigeration cycle with and without heat exchanger［J］.International Journal of Refrigeration，2011，34（7）：1604～1613.

［2］Krzysztof Banasiak，Armin Hafner，Trond Andresen.Experimental and numerical investigation of the influence of the two－phase ejector geometry on the performance of the R744heat pump［J］.International Journal of Refrigeration，2012，35（6）：1617～1625.

［3］Fang Liu，Yong Li，Eckhard A.Groll.Performance enhancement of CO2air conditioner with a controllable ejector［J］.International Journal of Refrigeration，2012，35（6）：1604～1616.