工況和噴嘴喉部直徑對引射器及制冷系統性能的影響

孟麗麗，郭憲民，任立乾

（天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室，天津300134）

1 引言

CO2制冷系統主要用膨脹機和引射器作為膨脹裝置的替代裝置來回收高壓工質的膨脹功。膨脹機具有較高的效率，但是其結構比較復雜，運動部件多，因此在制冷系統中常采用引射器代替膨脹閥，其具有兩大優點：回收膨脹功 （增大系統COP）和閃蒸分流（減小了蒸發器體積），并且引射器的結構簡單、沒有運動部件、造價低，取得傳統制冷循環無法達到的節能效果。

國內外學者對以CO2為工質的引射制冷系統做了大量理論研究和實驗分析。M.Nakagawa［1］等人研究了引射器混合段長度對帶回熱器和不帶回熱器的CO2兩相流引射制冷系統性能的影響，最優混合段長度使COP增加26%，而不合理的長度至少使得COP減少10%。Krzysztof Bannasiak［2］等人通過數值模擬和實驗研究發現引射器性能主要依賴于混合段長度和直徑，以及擴壓室擴張角，實驗得出的最優擴張角為5°，最優混合段長度和直徑分別為30mm和3mm，另外，擴壓室出口直徑越大引射器性能越好，而數值計算結果，當擴壓室角度大約為3°，混合段長度在20～25mm范圍內取得最優性能。Fang Liu［3］等人通過實驗研究了引射器幾何尺寸和運行工況對系統性能的影響，引射比和COP隨著喉部直徑的減小而增加，當主噴嘴出口到恒截面混合段距離為混合段直徑的3倍時制冷量和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進行實驗研究，分析了引射器幾何參數對系統性能的影響，及氣冷器出口溫度、氣冷器壓力和蒸發溫度對系性能的影響，并與拉法爾噴嘴的引射系統進行比較。

2 實驗設備

CO2兩相流引射循環制冷系統實驗裝置如圖1所示，來自壓縮機的高溫高壓超臨界CO2在氣冷器內冷卻后經過回熱器與來自蒸發器的低溫低壓CO2蒸汽換熱，作為引射器的工作流體，在噴嘴內降壓、膨脹，高速流出噴嘴，并引射主蒸發器出口的過熱低壓CO2蒸汽，兩股流體在引射器混合室內進行動量和能量交換，經擴壓室減速擴壓后進入氣液分離器，分離出的氣相制冷劑經輔助蒸發器進入壓縮機，而液相制冷劑流入主蒸發器，在主蒸發器內蒸發后作為二次流回到引射器。另外，調節噴針進入噴嘴深度來調節噴嘴喉部直徑。

圖1 跨臨界CO2兩相流引射制冷系統示意

本實驗臺通過遠程控制進行實驗的工況調節及數據采集，可以記錄整個實驗過程中的水溫、水流量，CO2的壓力、溫度及流量等數值，同時可以記錄實驗過程的電力參數。由這些數值可以算出蒸發器水側的溫差、質量流量及系統的耗功等。通過計算水側的換熱量得出蒸發器的換熱量，通過制冷劑的焓差和其質量流量算得制冷量，再根據壓縮機的耗功，算出系統的COP，再通過被引射流質量流量與主引射流質量流量之比算出引射比。

圖2 兩段式噴嘴引射器簡化結構結構

3 實驗結果與討論

3.1 兩段式噴嘴引射器第一喉部流通面積的影響

本實驗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性能的影響。實驗工況為主噴嘴進口壓力9.00MPa，氣冷器出口溫度43℃，蒸發溫度6℃，實驗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，當第一喉部流通面積為1.54mm2時取得最大值為0.189，而系統COP隨著第一喉部流通面積的增加在降低。這是因為隨著第一喉部流通面積的增加，主引射流和被引射流的質量流量均增大，在第一喉部流通面積小于1.54mm2時被引射流質量流量增加的速率較主引射流的高，則引射比增大；而當第一喉部流通面積大于1.54mm2時，被引射流質量流量增速變小，因此引射比降低。在流通面積增加過程中系統中工質的質量流量在增加，因為實驗過程中工況保持穩定，壓縮機的壓比保持定值，隨著工質質量流量的增加壓縮機耗功增加，因此系統的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驗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℃，蒸發溫度為6℃。引射器的引射比和系統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驗工況范圍內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，主引射流的質量流量不斷增大，并且本實驗中保持蒸發溫度不變，壓縮機吸氣壓力也就一定，壓縮機壓比增大，因此壓縮機耗功不斷增加，雖然系統制冷量在增加，但其增速小于耗功的增速，則系統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℃，實驗中所選擇的氣冷器出口工況點均位于跨臨界區，因此氣冷器出口處的溫度和壓力為互相獨立的變量。本拉法爾噴嘴喉部流通面積為1.54mm2和兩段式噴嘴，實驗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性能隨著氣冷器出口溫度的變化，實驗工況為氣冷器出口壓力9.00MPa，蒸發溫度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，在實驗工況范圍內，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%。實驗結果表明隨著氣冷器出口溫度的增加，主引射流的質量流量減小，被引射流的質量流量幾乎不變，因此引射器的引射比增加。

3.4 蒸發溫度的影響

為了研究蒸發溫度對兩段式噴嘴引射器性能和系統性能的影響，實驗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，蒸發溫度依次選擇3℃、4℃、6℃、8℃。

圖8 引射器引射比隨著蒸發溫度的變化

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

圖9 系統COP隨著蒸發溫度的變化

4 結語

本文對兩段式噴嘴引射器和拉法爾噴嘴引射器的實驗結果進行了分析研究，通過對比兩段式噴嘴引射制冷系統性能和傳統系統性能、兩段式噴嘴引射器實驗結果和模擬結果來探討兩段式噴嘴引射制冷系統的優劣以及引射器的性能，并得出如下結論。

（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、壓力和蒸發溫度的最佳組合使得引射器的引射比達到最大值，并且實驗結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的COP隨著氣冷器出口溫度和壓力的升高降低，隨著蒸發溫度的升高而升高。

（3）通過兩段式噴嘴引射制冷系統和傳統制冷系統性能的比較發現，兩段式噴嘴引射制冷系統的性能在變工況條件下高于傳統制冷系統性能。

（4）兩段式噴嘴引射器的模擬結果和實驗結果在變化趨勢上基本保持一致，但存在一些相反趨勢，并且模擬結果遠大于實驗結果，這是因為在模 擬中進行的假定與實際并不完全相符，以及實驗過程中系統的波動等多因素造成的。

［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.