兩級蒸發對跨臨界CO2引射制冷系統影響的實驗研究

鄭立星鄧建強何陽

（1西安交通大學化學工程與技術學院 西安 710049；2西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室 西安 710049）

兩級蒸發對跨臨界CO2引射制冷系統影響的實驗研究

鄭立星1鄧建強1何陽2

（1西安交通大學化學工程與技術學院 西安 710049；2西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室 西安 710049）

兩級蒸發引射制冷循環中通過二級蒸發器不僅能調節引射器出口干度還能提高系統效率。通過改變第二蒸發器冷凍水流量對兩級蒸發引射制冷系統進行實驗研究，并與改變引射器面積比的調控效果進行比較。結果表明：在實驗工況范圍內，氣冷器壓力、第一蒸發器壓力和壓縮機流量都隨第二蒸發器冷凍水流量的增加而增大；而且引射器面積比越大，氣冷器壓力越高而蒸發器壓力和壓縮機流量越低。同時，系統引射系數隨第二蒸發器冷凍水流量的增加而降低，而制冷量和COP則升高，尤其是在小引射系數下，系統制冷量和COP提高的更為明顯。本研究為引射循環提供了另外一種良好的調控思路。

引射制冷系統；兩級蒸發；系統性能；二氧化碳

跨臨界CO2壓縮引射制冷循環（簡稱引射循環）使用引射器代替節流閥回收高壓工質的壓力能，可有效的提高系統循環的效率［1－5］。Elbel S等［6］對跨臨界CO2引射制冷系統進行模擬和實驗研究，并與常規跨臨界CO2循環進行比較，結果發現引射系統制冷量和COP分別提高8%和7%。Lee J S等［7］通過改變引射器結構（噴嘴喉部直徑，混合室直徑和噴嘴到混合室入口距離）對跨臨界CO2引射制冷系統性能進行實驗研究，指出引射循環的COP相比常規系統可提高15%以上。

然而，引射循環較常規制冷循環有特殊的平衡關系，即引射器出口干度x和引射系數μ需滿足x＝1／（1＋μ）［8－13］。若出口干度過高或過低，不能與引射系數相匹配，會導致氣相或液相工質在氣液分離器中蓄積，影響系統的高效運行［14］。Liu F等［15］設計了可調結構引射器，通過調節引射系數來拓寬系統運行工況范圍并提高系統性能。實驗發現隨著引射器喉部面積的減小，系統引射系數和COP升高。Deng J Q等［10］通過理論分析獲得了不同工況下引射系數對引射循環性能的影響規律，并指出了系統可獲得最大COP的引射系數優化區間。針對引射器出口干度高導致的氣液分離器中蒸氣過剩問題，Li D Q等［11］提出了增加蒸氣反饋回路的措施，并通過理論建模分析了該措施的改善效果。鄧建強［16］提出在引射器出口設置第二蒸發器的方法來應對出口干度低導致的液體過剩局面，并通過建立兩級蒸發跨臨界CO2引射循環的熱力學模型，分析氣體冷卻器壓力、蒸發器壓力和引射系數對系統制冷量和COP等性能的影響。研究表明兩級蒸發引射循環可以獲得比基本引射循環更高的COP和制冷量。在模擬工況范圍內，當引射系數為0.3時，兩級蒸發引射系統的COP和單位制冷量相比基本引射循環分別增加了16.5%和18.3%。鄧建強的后續研究［17］又運用熱力學第二定律對蒸氣反饋和兩級蒸發兩種調節方法進行了對比分析。

以上理論研究說明了兩級蒸發引射循環的可行性，但畢竟模型假設和計算條件與實際操作有所差別。并且系統熱力性能的提升以犧牲引射系數為代價，如何以小的引射系數降低來換取大的熱力性能提升仍難以把握。本文針對兩級蒸發器跨臨界CO2引射循環開展實驗研究，分析第二蒸發器冷凍水流量改變對系統參數和性能的影響，并與引射器面積比（混合室截面與噴嘴喉部流通截面之比）調節效果進行比較。

1 兩級蒸發引射循環實驗系統

1.1 實驗系統

圖1所示為兩級蒸發跨臨界CO2引射制冷實驗系統簡圖及其對應的壓焓圖。該實驗系統由制冷系統、水系統和數據采集系統3部分組成。對于制冷系統，超臨界CO2離開壓縮機后，在氣體冷卻器中等壓放熱，再經引射器主動流入口進入引射器。在噴嘴中等熵膨脹減壓增速后射出。由于高速射流氣體的裹脅作用，引射第一蒸發器中低壓低速的流體進入引射器吸入室，兩股流體在混合室內混合，再經擴壓段減速增壓后流出，進入第二蒸發器。在第二蒸發器中等壓吸熱后兩相流體干度發生改變，之后流入氣液分離器。在氣液分離器中一部分飽和蒸氣進入壓縮機，另外一部分飽和液體進入節流閥，等焓節流降壓后流入第一蒸發器，兩股流體如此反復不斷循環。在引射器和氣液分離器之間設置第二蒸發器一則是希望第二蒸發器提升系統熱力性能，二則是避免引射器出來的兩相流體干度較低導致液相工質在氣液分離器過度聚集。此外，由圖1可以看出，兩級蒸發跨臨界CO2引射制冷循環被引射器、第二蒸發器和氣液分離器分為兩個子循環，分別是高壓子循環（包括壓縮機、氣體冷卻器、引射器、第二蒸發器和氣液分離器）和低壓子循環（包括氣液分離器、節流閥、第一蒸發器、引射器和第二蒸發器），兩個子循環間既相對獨立又相互作用。

圖1 兩級蒸發跨臨界CO2引射制冷系統簡圖及其對應p?h圖Fig.1 Schematic diagram and corresponding p?h diagram of transcritical CO2ejector expansion refrigeration cycle with two stage evaporation

1.2 可調結構的引射器

實驗用可調結構引射器如圖2所示。該引射器可實現四種結構的調節：1）噴嘴喉部面積；2）噴嘴距（噴嘴出口與混合室入口之間距離）；3）噴嘴替換；4）混合擴壓段替換。通過旋轉尖端帶有錐度的調節針旋入或旋出噴嘴，調節主動流在喉部的流通面積；通過旋轉噴嘴距調節段，控制噴嘴出口與混合室入口之間的距離。此次研究選擇帶等徑段的收縮形噴嘴，即噴嘴截面逐漸收縮到喉部，然后保持截面尺寸不變繼續延伸一定距離，從喉部到噴嘴出口間的距離定義為噴嘴等徑段長度，噴嘴局部放大圖如圖2所示。

由于實驗中采用調節針調節噴嘴喉部流通截面，所以噴嘴喉部的流通截面Acs為噴嘴喉部截面At與調節針截面An之差（見圖2噴嘴局部放大圖），即Acs＝At－An。因此，本文的引射器面積比Ar為混合室截面Amix與噴嘴喉部流通截面Acs的比值，如式（1）所示。在噴嘴等徑段長度為6.0 mm，混合室直徑為2.5 mm，噴嘴出口與混合室入口距離為6.0 mm的結構下進行實驗。

除引射器外，其他主要設備細節特性見表1。系統制冷工質在蒸發器和氣體冷卻器出口處的溫度通過調節水系統的進口溫度和流量來控制，蒸發器冷凍水和氣體冷卻器冷卻水的溫度通過溫控儀控制加熱棒進行調節。實驗中第一蒸發器冷凍水和氣體冷卻器冷卻水由同一水箱提供，第二蒸發器冷凍水由另一水箱供應。

圖2 可調結構引射器示意圖Fig.2 Experimental controller ejector device

表1 主要設備特性Tab.1 Main characters of equipments

實驗系統制冷劑側溫度和水側測量分別采用鎧裝T型熱電偶和Pt100熱電阻，精度分別為±0.5℃和±0.15℃。壓力測量采用橫河公司出產的EJA?530A系列壓力傳感器，氣冷器側的量程為0～15 MPa，蒸發器處的量程為0～6 MPa，測量精度為0.075%FS。CO2工質流量的測量采用西門子公司生產的FC 300與MASS 2100質量流量計，精度為0.1%FS。蒸發器冷凍水和氣冷器冷卻水流量采用玻璃轉子流量計測量，精度為2.5%FS。壓縮機功率通過安裝的變頻器測得，該變頻器可測得電壓和電流。數據采集系統采用吉時利公司生產的2700數據采集儀和7700插卡式模塊，其通過RS?232接口與計算機進行通訊。

2 實驗結果與分析

對不同第二蒸發器冷凍水流量和引射器面積比情況下進行實驗，分析兩者對系統參數和性能的影響。實驗工況為：保持氣體冷卻器冷卻水進口溫度24.0℃，流量1.75 L／min，第一蒸發器冷凍水進口溫度24.0℃，流量4.0 L／min不變，在引射器面積比分別為2.89、3.03、3.17、3.51四種情形下，改變第二蒸發器冷凍水流量分別為0.5 L／min、1.5 L／min、2.5 L／min、3.5 L／min進行實驗研究。

2.1 對系統參數的影響

由圖3可以看出，在引射器面積比一定的情況下，隨著第二蒸發器冷凍水流量的增加，氣冷器壓力逐漸增大。并且面積比越大，相同第二蒸發器冷凍水流量情形下對應的氣冷器壓力越高。這主要是因為當第二蒸發器冷凍水流量增加時，第二蒸發器的換熱量增大，第二蒸發器壓力增大（見圖4），同時與其壓力近似的氣液分離器壓力也增大。隨著引射器面積比的增大，噴嘴喉部流通面積減小，使得氣冷器中積聚的流體增多，再加上氣液分離器壓力的升高導致系統高壓子循環壓力上升，引起氣冷器壓力升高。可見，增大面積比和增加第二蒸發器冷凍水流量都可使系統氣冷器壓力升高。

由圖5可知，隨著第二蒸發器冷凍水流量的增加，第一蒸發器壓力逐漸增大。且引射器面積比越大，相同第二蒸發器冷凍水流量對應的蒸發器壓力越低。這是因為當第二蒸發器冷凍水流量增加，氣液分離器壓力增大使得進入蒸發器中的流體流量增加從而引起蒸發器壓力增大。隨著面積比的增大，引射器引射系數提高，被引射的流體流量增大導致蒸發器壓力降低。

圖3 氣冷器壓力隨第二蒸發器冷凍水流量的變化Fig.3 Gas cooler pressure for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

圖4 第二蒸發器壓力隨第二蒸發器冷凍水流量的變化Fig.4 Pressure of the second evaporator for its various chilled water flow rate

圖5 第一蒸發器壓力隨第二蒸發器冷凍水流量的變化Fig.5 Pressure of the first evaporator for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

圖6 壓縮機流量隨第二蒸發器冷凍水流量的變化Fig.6 Com pressor mass flow rate for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

圖6所示為壓縮機流量隨第二蒸發器冷凍水流量及引射器面積比變化的曲線。由圖6可知，隨著引射器面積比的增大，壓縮機流量減少。這是因為隨著引射器面積比的增大，主動流噴嘴喉部面積減少，主動流流量降低。壓縮機進口壓力降低、排氣壓力增加，導致壓縮機流量減少。

2.2 對系統性能的影響

圖7和圖8所示為系統制冷量和制熱量隨第二蒸發器冷凍水流量變化的曲線。需要指出的是，系統制冷量為第一蒸發器和第二蒸發器的制冷量之和。由圖7和圖8可以看出，當第二蒸發器冷凍水流量增加時，系統制冷量和制熱量都呈上升趨勢，并且隨著面積比的增大，制冷量和制熱量都增加。結合圖5可知，雖然面積比增大會導致第一蒸發器壓力降低，主蒸發器制冷量減少，但是第二蒸發器制冷量的增加量大于主蒸發器制冷量的減少量，所以系統整體的制冷量增大。此外，實驗數據還表明，隨著冷凍水流量和面積比的增加，壓縮機功率增大，所以系統制熱量增大。

圖7 制冷量隨第二蒸發器冷凍水流量的變化Fig.7 Capacity of cooling for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

圖8 制熱量隨第二蒸發器冷凍水流量的變化Fig.8 Capacity of heating for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

進一步考察圖7和圖8，當第二蒸發器冷凍水流量從0.5 L／min增加到3.5 L／min時，面積比為2.89對應的制冷量和制熱量分別增加了 62.7%和35.8%，比面積比為3.51時對應的制冷量和制熱量多增加36.4%和15.4%。可見，第二蒸發器在提高系統制熱量和制冷量方面表現出突出的作用，并且面積比越小，制冷量和制熱量的提升效果越明顯。

由圖9可以看出，系統COP與制熱量和制冷量有相同的變化趨勢。同樣地，當面積比較小時，COP隨第二蒸發器冷凍水流量增大的幅度尤為明顯，當面積比增大時，其增長幅度逐漸減緩。進一步考察圖9可知，當引射器面積比為2.89時，冷凍水流量從0.5 L／min變為3.5 L／min，COP增大了54.0%，而當面積比為3.17時，COP增大了13.4%。這也說明控制第二蒸發器工況可以達到與調節面積比相同的效果。

圖9 COP隨第二蒸發器冷凍水流量的變化Fig.9 COP for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

由圖10可以看出，當第二蒸發器冷凍水流量增加時，引射系數降低。但隨著面積比的增大，引射系數降低的幅度減小。結合前面圖9中系統COP曲線，當面積比為2.89時，冷凍水流量由0.5 L／min增加到3.5 L／min，引射系數降低12.8%而系統COP增大了54.0%；當面積比為3.51時，引射系數降低了4.0%而COP升高了14.0%。對比可知，小引射系數時，引射系數降低，系統的COP可得到更大幅度的提高。

圖10 引射系數隨第二蒸發器冷凍水流量的變化Fig.10 Entrainment ratio for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

3 結論

本文對兩級蒸發跨臨界CO2引射制冷系統進行了實驗研究，分析了第二蒸發器冷凍水流量和引射器面積比對系統的影響，得到如下結論：

1）在實驗工況范圍內，隨著第二蒸發器冷凍水流量的增加，氣冷器壓力、蒸發器壓力和壓縮機流量增大；區別于引射器面積比的增大，氣冷器壓力升高而蒸發器壓力和壓縮機流量降低的趨勢。

2）第二蒸發器對提升系統熱力性能有明顯的積極作用。系統制冷量、制熱量和COP都隨著第二蒸發器冷凍水流量的增加而增大。同樣地，改變引射器面積比，系統性能也表現出相同的變化趨勢，且面積比越大引射系數越高。但在小引射系數情形下，系統性能提升效果更加突出。

3）增加第二蒸發器冷凍水流量在系統性能改善上具有明顯的作用效果。相比可調結構引射器的加工精度高，不易控制，第二蒸發器的調控作用能夠克服上述不足從而在引射系統中具有較好的應用前景。

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鄧建強，男，博士，博士生導師，西安交通大學化學工程與技術學院，（029）82663413，E?mail：dengjq＠mail.xjtu.edu.cn。研究方向：高效化工機械與設備。

About the corresponding author

Deng Jianqiang，male，Ph.D.，doctoral tutor，School of Chemi?cal Engineering and Technology，Xi’an Jiaotong University，＋86 29?82663413，E?mail：dengjq＠mail.xjtu.edu.cn.Research fields：efficient chemical machineries and equipment.

Experimental Investigation on the Effect of the Second Stage Evaporation on the Transcritical CO2Ejector Expansion Refrigeration System

Zheng Lixing1Deng Jianqiang1He Yang2

（1.School of Chemical Engineering and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，710049，China；2.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，710049，China）

Water An ejector expansion refrigeration cycle with two stage evaporation can not only regulate the exit quality of ejector but also im?prove the coefficient of performance of system.This experimental study presents the effect of the second stage evaporator on the transcriti?cal CO2ejector expansion refrigeration system with two stage evaporation.The system performances were investigated with the variation of chilled water flow rate of the second stage evaporator，and the effects were compared with that by the regulation of ejector area ratio，which is the mixing section area to nozzle throat area.The experiment results indicate that the pressure of gas cooler and the first evaporator as well as the compressor mass flow rate increase with the rise of the chilled water flow rate of the second stage evaporator.The larger the e?jector area ratio，the higher the gas cooler pressure and the lower the first evaporator pressure and compressor mass flow rate.Further?more，the entrainment ratio decreases with the increase of chilled water flow rate of the second stage evaporator，while the COP and cool?ing capacity of the system increase.Especially，the COP and cooling capacity increase largely at lower entrainment ratio.This study pro?vides another excellent regulation approach for ejector expansion cycle.

ejector expansion refrigeration system；two?stage evaporation；performance of system；carbon dioxide

TB66

A

0253－4339（2015）04－0066－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.066

簡介

國家自然科學基金（51076120）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 51076120）.）

2014年12月2日