混合室直徑對(duì)帶噴射器的跨臨界CO2熱泵性能影響

魏　晉，唐黎明，亓海明，陳　琪，陳光明

（浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，浙江 杭州 310027）

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混合室直徑對(duì)帶噴射器的跨臨界CO2熱泵性能影響

魏晉，唐黎明，亓海明，陳琪，陳光明

（浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，浙江 杭州 310027）

通過在跨臨界CO2系統(tǒng)中引入噴射器是回收系統(tǒng)節(jié)流損失的有效手段。實(shí)驗(yàn)研究了混合室直徑分別為1.2、1.4、1.6 mm時(shí)，對(duì)帶噴射器的跨臨界CO2熱泵整體性能以及噴射器自身性能的影響。整個(gè)實(shí)驗(yàn)中熱水進(jìn)口溫度、蒸發(fā)溫度不變，熱水出口溫度作為比較基準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)中為變量。結(jié)果表明，混合室直徑對(duì)壓縮機(jī)排氣溫度影響較小，而其對(duì)壓縮機(jī)排氣壓力影響較大，當(dāng)混合室直徑為1.6 mm時(shí)，壓縮機(jī)排氣壓力最?。划?dāng)混合室直徑為1.6 mm時(shí)，系統(tǒng)制熱系數(shù)最高。

二氧化碳；熱泵；回收；跨臨界；噴射器；混合室直徑；系統(tǒng)性能

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151268

Gay［3］于1931年在專利中首次提出了將噴射器應(yīng)用于壓縮式制冷系統(tǒng)。1990年，Kornhauser［4］再次提出采用噴射器作為主要膨脹部件回收膨脹功，對(duì)多種工質(zhì)進(jìn)行了理論計(jì)算，結(jié)論指出對(duì)于不同工質(zhì)COP的提升效果不盡相同。近年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)帶噴射器的跨臨界CO2制冷/熱泵系統(tǒng)的研究［5-18］表明，在大多數(shù)情況下噴射器的引入可提高系統(tǒng)COP。研究主要集中在噴射器的加入對(duì)系統(tǒng)的性能的提高上，而對(duì)噴射器幾何結(jié)構(gòu)的研究較少。其中，Nakagawa等［6］實(shí)驗(yàn)研究了噴射器不同混合室長(zhǎng)度對(duì)有/無回?zé)崞鞯目缗R界CO2系統(tǒng)性能的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了5、15、25 mm 3種混合室長(zhǎng)度。相較于無回?zé)崞鞯膫鹘y(tǒng)系統(tǒng)：15 mm長(zhǎng)混合段的噴射器具有最高的噴射器效率和COP，最高可提升26%；但混合室為5 mm長(zhǎng)的噴射器系統(tǒng)在沒有加入回?zé)崞鞯那闆r下，最多可使COP下降10%。Banasiak等［7］研究了噴射器的幾何參數(shù)對(duì)帶噴射器的跨臨界CO2系統(tǒng)性能的影響，其理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果都表明噴射器幾何尺寸的改變對(duì)系統(tǒng)性能影響顯著，最優(yōu)擴(kuò)壓段張角在3°左右（實(shí)驗(yàn)工況為5°），最優(yōu)混合段長(zhǎng)度20～25 mm，最優(yōu)混合段直徑隨系統(tǒng)高壓改變而改變，壓力越高最優(yōu)直徑越大。

以上研究主要以CO2側(cè)參數(shù)（如CO2的蒸發(fā)溫度、排氣壓力、排氣溫度、氣冷器出口溫度等）為基準(zhǔn)進(jìn)行不同系統(tǒng)或者不同噴射器之間的比較。以換熱器外側(cè)參數(shù)（如空氣或水的進(jìn)出口溫度、流量等）為基準(zhǔn)，即實(shí)際變工況條件下，噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響尚未見報(bào)道。而此方面的研究，實(shí)質(zhì)是研究噴射器與系統(tǒng)整體的匹配程度，對(duì)噴射器在跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用有著重要的指導(dǎo)意義。

對(duì)熱泵熱水器而言，熱水出口溫度是用戶的直接需求，在不同國(guó)家的規(guī)范中，對(duì)熱水出口溫度的規(guī)定也不盡相同，如我國(guó)的規(guī)范將其定為55℃［19］，美國(guó)為60℃［20］，日本為65℃［21］。因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)中在保持各組實(shí)驗(yàn)熱水進(jìn)口溫度、蒸發(fā)溫度不變的情況下，采用熱水出口溫度作為比較基準(zhǔn)，充當(dāng)變量，以模擬變工況條件。在實(shí)驗(yàn)室可實(shí)現(xiàn)的工況下，研究了混合室直徑對(duì)帶噴射器的跨臨界CO2熱泵整體性能以及噴射器自身性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1噴射器

噴射器在跨臨界CO2循環(huán)中過的工作原理可簡(jiǎn)述為：CO2氣體經(jīng)氣冷器冷卻后作為工作流體進(jìn)入噴射器，通過噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在噴嘴出口形成低壓，吸引由蒸發(fā)器出口流出的CO2氣體。兩股流體在圓柱形的混合室進(jìn)行混合，初步升壓后進(jìn)入漸擴(kuò)的擴(kuò)壓段，速度降低，壓力進(jìn)一步升高，最終出口兩相流體壓力將高于蒸發(fā)壓力，進(jìn)入氣液分離器。氣液分離器內(nèi)氣相進(jìn)入壓縮機(jī)，液相經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，完成循環(huán)。本實(shí)驗(yàn)中采用自行設(shè)計(jì)的固定尺寸噴射器，材料使用黃銅，結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1所示，其中，噴嘴喉部直徑為0.6 mm。其具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1　噴射器結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1　Structure and physical dimension of ejector

表1　R噴射器的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1　Design parameter of ejector

本文中共研究了3個(gè)不同混合室直徑的噴射器，混合室直徑分別為1.6、1.4、1.2 mm。在研究混合室直徑對(duì)噴射器性能的影響時(shí)，應(yīng)保證是同一個(gè)噴嘴，以減小誤差。為了便于清理噴射器內(nèi)部以及更換不同混合室尺寸的噴射器，故噴嘴和吸收室采用螺紋連接，其他部分連接均采用焊接。

評(píng)價(jià)噴射器性能的參數(shù)主要為噴射系數(shù)μ、升壓比Пeje和噴射器效率，其具體定義如下［20］

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用了大金公司生產(chǎn)的1YC30EXD型CO2擺動(dòng)式變頻壓縮機(jī)，其額定功率為980 W，排氣量為3.7 cm3·r-1，轉(zhuǎn)速變化范圍為38～118 r·s-1。氣冷器端為水冷，采用套管式換熱器，內(nèi)管流體為冷卻水，即熱泵所制熱水，外管流體為CO2。蒸發(fā)器端采用量熱器的設(shè)計(jì)，內(nèi)充注R12，設(shè)有兩根最大功率為2.5 kW的電加熱器，蒸發(fā)器位于量熱器內(nèi)部。制冷劑管路上的閥門采用HOKE71系列球閥，節(jié)流閥采用HOKE16系列針閥。實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置流程Fig.2　Schematic diagram of experimental rig 1—compressor； 2—gas cooler； 3—internal heat exchanger； 4—ejector；5—liquid-vapor separator； 6— metering valve； 7—electronic expansion valve； 8—evaporator； 9—water tank； 10—water pump； 11—ball valve；12—mass flow meter； 13—relief valve；F1， F2， F3， F4， E1， E2， E3， E4， E5，E6-ball valve

通過閥門E1、E2、E3、E4、E5、F1、F2、F3、F4的開閉，該實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)在4種不同運(yùn)行模式下的切換：常規(guī)跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)、帶回?zé)崞鞯目缗R界CO2熱泵系統(tǒng)、帶噴射器的跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)以及帶噴射器和回?zé)崞鞯目缗R界CO2熱泵系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)主要涉及帶噴射器的跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)。

1.3測(cè)量?jī)x器

實(shí)驗(yàn)過程中需要采集的參數(shù)有溫度、壓力、流量和功率，通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集與記錄。測(cè)量?jī)x器采用Pt100鉑電阻測(cè)量量熱器內(nèi)部溫度，系統(tǒng)中其他的溫度均采用銅-康銅熱電偶測(cè)量；采用GE Druck PTX7517壓力傳感器測(cè)量壓力；采用上海儀川儀表廠的YC101E電磁流量計(jì)測(cè)量熱水的流量；采用青島青智儀器有限公司的ZW1403數(shù)字有功功率表測(cè)量壓縮機(jī)功率和量熱器中的加熱功率。實(shí)驗(yàn)臺(tái)中測(cè)量工具的測(cè)量范圍和精度見表2。

表2　R測(cè)量設(shè)備的測(cè)量范圍和精度Table 2　Range and uncertainties of measurements

1.4實(shí)驗(yàn)方法和工況

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用水側(cè)換熱量作為制熱量，其定義式如下

式中，cp，w為水的比定壓熱容，是溫度與壓力的函數(shù)，由于在本實(shí)驗(yàn)溫度和壓力范圍內(nèi)其變化量很小，計(jì)算時(shí)采用熱水進(jìn)出口平均溫度和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓作為其溫度和壓力的參考值。

制熱系數(shù)定義如下

式中，P為輸入給壓縮機(jī)的總功率，由功率表直接測(cè)量，由于電機(jī)效率小于1，P值大于壓縮機(jī)實(shí)際軸功率。

實(shí)驗(yàn)中工作流體與引射流體的質(zhì)量流量如下

實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)熱水流量、量熱器的加熱量和節(jié)流閥開度來改變熱水出口溫度。不同的熱水溫度下，熱水進(jìn)口溫度保持為25℃不變，蒸發(fā)溫度保持為-5℃不變。所研究的噴射器圓柱形混合室直徑分別為1.6、1.4、1.2 mm。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1混合室直徑對(duì)跨臨界CO2熱泵性能影響

圖3、圖4分別為不同混合室直徑對(duì)壓縮機(jī)排氣壓力和排氣溫度的影響。隨著熱水溫度的升高，壓縮機(jī)排氣壓力升高，排氣溫度升高。這是由于熱水流量對(duì)壓縮機(jī)的排氣壓力和排氣溫度有直接影響，當(dāng)熱水出口溫度升高時(shí)，熱水流量減小，則氣體冷卻器中的負(fù)荷減小，壓縮機(jī)的排氣壓力和排氣溫度均升高。

圖3　不同混合室直徑對(duì)排氣壓力的影響Fig.3　Compressor exhaust pressure at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

圖4　不同混合室直徑對(duì)排氣溫度的影響Fig.4　Compressor exhaust temperature at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

在獲得相同溫度的熱水時(shí)，3個(gè)不同混合室直徑的噴射器中，所在系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度相差不大。而隨著混合室直徑的增大，壓縮機(jī)排氣壓力有先增大后減小的趨勢(shì)，1.6 mm混合室直徑的噴射器所在的系統(tǒng)排氣壓力最低。由此可知混合室直徑對(duì)排氣溫度的影響較小。而其對(duì)壓縮機(jī)排氣壓力的影響較大，且不是線性關(guān)系，存在一個(gè)混合室直徑使得在一定蒸發(fā)溫度和熱水出口溫度的條件下，壓縮機(jī)排氣壓力達(dá)到極大值。

圖5為不同混合室直徑對(duì)系統(tǒng)制熱系數(shù)的影響。隨著制取的熱水溫度的升高，系統(tǒng)制熱系數(shù)呈減小趨勢(shì)。從圖3、圖4中可知，當(dāng)熱水溫度升高時(shí)，壓縮機(jī)的排氣壓力和排氣溫度均升高，而實(shí)驗(yàn)中蒸發(fā)溫度保持不變，故隨著熱水出口溫度的升高，系統(tǒng)高低壓比（氣冷器壓力與蒸發(fā)壓力比值）升高，制熱系數(shù)減小。圖6為混合室直徑對(duì)壓縮機(jī)壓縮比的影響，由于噴射器的預(yù)壓縮作用，在系統(tǒng)高低壓比升高的情況下，壓縮機(jī)壓縮比幾乎維持不變，可見在系統(tǒng)高低壓比越大的情況下，引入噴射器對(duì)系統(tǒng)帶來的益處越明顯。

圖5　不同混合室直徑對(duì)制熱系數(shù)的影響Fig.5　Heating COP at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

圖6　不同混合室直徑對(duì)壓縮比的影響Fig.6　Compression ratio at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

當(dāng)獲取相同溫度的熱水時(shí)，混合室直徑為1.6 mm的噴射器所在的系統(tǒng)制熱系數(shù)最高，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)壓縮機(jī)的壓縮比最小。由此表明，混合室直徑對(duì)系統(tǒng)性能有較大影響。

2.2混合室直徑對(duì)噴射器性能影響

圖7、圖8分別為不同混合室直徑對(duì)噴射系數(shù)和升壓比的影響。隨著熱水溫度的升高，噴射器的噴射系數(shù)基本不變，升壓比明顯升高。這是因?yàn)?，?dāng)排氣壓力升高排氣溫度不變時(shí)，相當(dāng)于噴射器工作流體壓力升高，相同質(zhì)量流量的工作流體擁有更大的引射能力，故噴射系數(shù)升高，升壓比升高；而當(dāng)排氣溫度升高時(shí)排氣壓力不變時(shí)，氣冷器出口CO2溫度也將升高，相當(dāng)于工作流體干度增加，噴射器出口CO2的干度也增加，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)噴射器出口干度x=（1+μ）-1，因此噴射系數(shù)減小，引射流體的相對(duì)質(zhì)量減小，因此升壓比也升高。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)排氣壓力和溫度均隨著熱水溫度的升高而升高。由于上述原因，排氣壓力升高與排氣溫度升高對(duì)噴射系數(shù)的影響相互制約，故實(shí)驗(yàn)中噴射系數(shù)基本不變。而排氣壓力升高與排氣溫度升高均可使升壓比升高，故實(shí)驗(yàn)中升壓比升高。這也使得圖6中所示壓縮機(jī)壓縮比在系統(tǒng)高低壓比升高同時(shí)幾乎維持不變。

圖7　不同混合室直徑對(duì)噴射系數(shù)的影響Fig.7　Entrainment ratio at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

圖8　不同混合室直徑對(duì)升壓比的影響Fig.8　Pressure lift ratio at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

對(duì)比3個(gè)不同混合室直徑的噴射器的性能，1.6 mm的噴射器噴射系數(shù)最高，1.4 mm的噴射器噴射系數(shù)最低；而升壓比受混合室直徑變化的影響較小，1.2 mm的噴射器升壓比最高，1.4 mm的噴射器升壓比最低。對(duì)比圖5可發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)制熱系數(shù)與噴射系數(shù)成正相關(guān)，而與升壓比相關(guān)性較小。

3　結(jié)　論

研究了在以熱水出口溫度為基準(zhǔn)的變工況條件下，噴射器混合室直徑對(duì)帶噴射器的跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)性能和噴射器自身性能的影響，在設(shè)計(jì)用于跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的噴射器時(shí)，混合室直徑是影響噴射器與系統(tǒng)匹配程度的一個(gè)重要參數(shù)。

（1）混合室直徑對(duì)系統(tǒng)排氣溫度影響不明顯，而對(duì)系統(tǒng)排氣壓力有較大影響，當(dāng)混合室直徑為1.6 mm時(shí)，壓縮機(jī)排氣壓力最小。

（2）混合室直徑對(duì)噴射系數(shù)的影響較大，對(duì)升壓比影響較小。

（3）混合室直徑對(duì)系統(tǒng)制熱系數(shù)的影響和其對(duì)排氣壓力的影響趨勢(shì)相反，當(dāng)混合室直徑為1.6 mm時(shí)，制熱系數(shù)最大。

（4）在系統(tǒng)高低壓比越大的情況下，引入噴射器對(duì)系統(tǒng)帶來的益處越明顯。

符號(hào)說明

COP——性能系數(shù)，1

cp——比定壓熱容，J·kg-1·K-1

d——直徑，mm

h——比焓值，J·kg-1

m——質(zhì)量流量，kg·s-1

P——壓縮機(jī)功率，W

p——壓強(qiáng)，Pa

Q——換熱量，W

t——攝氏溫度，℃

μ——噴射系數(shù)

П——升壓比

下角標(biāo)

eje——噴射器

ev——蒸發(fā)器

gc——?dú)怏w冷卻器

H——引射流體

h——制熱

in——進(jìn)口

m ——混合室

out ——出口

P ——工作流體

w ——水

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Effect of mixing chamber diameter on performance of transcritical CO2heat pump system with ejector

WEI Jin， TANG Liming， QI Haiming， CHEN Qi， CHEN Guangming
（Institute of Refrigeration and Cryogenics， Zhejiang University， Hangzhou 310027， Zhejiang， China）

The use of ejectors is one of the most promising methods to recover the throttling loss of transcritical CO2heat pump systems. Experimental investigation on the effect of mixing chamber diameter on the performance of transcritical CO2heat pump system with ejector was carried out. The mixing chamber diameter was 1.2， 1.4 and 1.6 mm， respectively. The hot water inlet temperature， as well as the evaporating temperature was kept constant in all experiments. Hot water outlet temperature as a variable was chosen to be the comparison reference of the experiments. The results showed that the effect of the mixing chamber diameter on the compressor exhaust temperature was relatively small. However， the diameter has a significant effect on the compressor exhaust pressure. The system with 1.6 mm mixing chamber diameter had the lowest compressor exhaust pressure and the highest heating coefficient of performance （COP）. Moreover， for the performance of the ejector， the mixing chamber diameter had a greater effect on the entrainment ratio than the pressure lift ratio.

carbon dioxide； heat pump； recovery； transcritical； ejector； mixing chamber diameter； system performance

引　言

在面臨全球氣候變暖與臭氧層破壞等環(huán)境問題的大環(huán)境下，天然工質(zhì)CO2以其環(huán)境友好性、安全性和優(yōu)良的熱物理性質(zhì)，得到了廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是十分具有潛力的替代工質(zhì)［1］?？缗R界CO2熱泵循環(huán)的放熱過程存在較大的溫度滑移，相較亞臨界循環(huán)，其與水逆流換熱時(shí)換熱平均溫差較小，減少了由換熱溫差導(dǎo)致的不可逆損失，因此在制取熱水方面具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于傳統(tǒng)壓縮式跨臨界CO2循環(huán)中節(jié)流閥前后壓差較大，造成較大節(jié)流損失，如何減少由于節(jié)流造成的不可逆損失成為了研究的熱點(diǎn)。通過在跨臨界CO2系統(tǒng)中引入噴射器是回收該損失的有效手段之一［2］。

date： 2015-08-07.

CHEN Qi， zjuchenqi@zju.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China （51376156）.

TB 61

A

0438—1157（2016）05—1719—06

2015-08-07收到初稿，2016-01-06收到修改稿。

聯(lián)系人：陳琪。第一作者：魏晉（1991—），男，碩士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51376156）。