二氧化碳噴射器運行效率的實驗研究

張金銳　吳靜怡　EIKEVIK Trygve Magne

(1 上海交通大學制冷與低溫工程研究所　上海　200240；2 挪威科技大學 特隆赫姆　7491)

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二氧化碳噴射器運行效率的實驗研究

張金銳1吳靜怡1EIKEVIK Trygve Magne2

(1 上海交通大學制冷與低溫工程研究所上海200240；2 挪威科技大學 特隆赫姆7491)

本文針對一個新型二氧化碳噴射器進行相關實驗研究。通過對一個兩相二氧化碳噴射器制冷系統進行不同試驗工況的實驗：主噴嘴入口溫度從19～31 ℃，氣冷器出口壓力從6～8 MPa，從而得出噴射器效率最優時各個參數的范圍。實驗結果顯示，引射比為0.4～0.8、噴射器出口壓力和噴射器引射端壓力的比值為1.09～1.20時，噴射器的工作效率較高。而在壓比為1.132時，噴射器可以達到最高效率為0.389。文中還對針對質量流量進行了數學擬合，擬合結果與實驗結果較為吻合，實驗結果為噴射器的設計和應用提供了實驗基礎。

噴射器；超臨界狀態；試驗工況；天然制冷劑；CO2

目前溫室效應以及其他的環境問題越來越得到人們的重視，環境友好型工質在制冷系統中的應用已經成為制冷領域發展的重要任務之一。環境友好型自然工質二氧化碳因為其諸多優點，已經越來越受到國內外制冷領域的青睞[1-3]。二氧化碳由于臨界溫度低、臨界壓力高，在制冷和熱泵工況中多采用跨臨界循環。而跨臨界二氧化碳循環有著很高的節流損失，如何減少節流損失提高系統的效率成為國內外研究的熱點。噴射器是其中一種解決方案，它可以有效減少節流損失提高系統效率。噴射器主要由主噴嘴、引射噴嘴、混合擴壓腔和出口噴嘴組成，是一個靜態組件，沒有任何移動部分，不需要特別的潤滑，具有穩定、安全、可靠的優點[4-6]。Lucas C 等[7]通過比較二氧化碳噴射器系統和二氧化碳膨脹閥系統，發現帶有噴射器的二氧化碳系統的COP比傳統系統的COP提高了17%。Banasiak K等[8]和 Elbel S等[9]的研究也表明噴射器可以使二氧化碳系統的COP最高提升到15%。在Hafner A等[10]的研究中可以看出噴射器可以提高運用在超市中二氧化碳制冷系統的效率。

然而，至今針對二氧化碳噴射器系統的實驗研究還不多，大多是通過數值方法建立模型進行研究，由于噴射器內部流體流動的復雜性和噴射器幾何結構的多樣性[11]，對于二氧化碳噴射器的研究還需要大量的實驗支持。本文便是通過對一個新型噴射器進行不同工況的實驗研究，得出了噴射器效率最優時各個參數的范圍。并且對噴射器入口和引射噴嘴入口質量流量進行了數學擬合，擬合結果和實驗結果的對比表明在該實驗工況下吻合度較高。

1 實驗系統描述

圖1所示為該噴射器示意圖，主噴嘴流體和引射流體在其中相互作用，經歷了復雜的混合和壓力恢復過程[12]。噴射器主要包括四個部分：主噴嘴部分、引射部分、混合擴壓部分和出口部分。該噴射器主要技術參數包括：主噴嘴部分入口角度30°、出口角度2°，引射部分入口角度42°，混合擴壓部分長度100 mm，出口部分角度5°。兩股流體在噴射器中主要有兩個關鍵過程：主噴嘴部分的文丘里效應和混合擴壓部分混合中動量守恒。噴射器實際上是一個由主噴嘴流體驅動的流體泵，可以吸進引射流體并提高引射流壓力[13-16]。

1主噴嘴部分 2引射部分 3混合擴壓部分 4出口部分圖1 噴射器示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of ejector

圖2所示為一個二氧化碳噴射器系統。圖中標明了主要的測量點以及管路。該系統共有三個壓縮機：一個主壓縮機和兩個與之并聯的壓縮機。主壓縮機和兩個并聯壓縮機擁有不同的負荷和壓力水平。主壓縮機與一個引射流累加罐相連，兩個并聯壓縮機與儲液器相連。

T0、Tmni溫度傳感器Pgc、Psuc、Pout 壓力傳感器流量計圖2 簡化二氧化碳系統及ENEX噴射器的安裝情況Fig.2 Simplified overview of the experimental R744 system>and the installation of the ENEX ejector

該系統可以在只有主壓縮機工作的情況下運行，在這種工況下，二氧化碳從主壓縮機壓縮進入氣冷器冷凝，再進入噴射器的主噴嘴與引射流混合之后成為兩相流進入儲液器氣液分離，氣相直接回主壓縮機進行壓縮，液相進入節流閥進行節流，再進入蒸發器，最后進入引射流累加罐，再引射進入噴射器與主噴嘴流混合成為一個循環。而當并聯壓縮機同時運行時，從噴射器出來的氣相分流進入主壓縮機與并聯壓縮機。主壓縮機與并聯壓縮機之間的控制閥可以用來調節流量配比。該系統有兩個串聯的氣冷器與兩個并聯的蒸發器：兩個串聯的氣冷器分別有輔助冷卻系統，確保制冷工質冷卻到所需溫度；一般工況下只有一個蒸發器工作，當制冷負荷過大時，兩個并聯蒸發器可同時運行。而在噴射器端有兩個閥門進行控制，一個在主噴嘴入口，另一個在引射噴嘴入口。當噴射器工作時，這兩個閥門應該打開。

實驗測量中采用兩個溫度傳感器、3個壓力傳感器和兩個流量計，如圖1所示。其他部件顯示略(回油系統、其他傳感器等)。

此實驗系統還配有兩個冷卻水回路和兩個乙二醇回路，這些回路可以提供氣體冷卻器放熱和蒸發器吸熱所需的冷量和熱量。氣冷器乙二醇回路用來吸收氣體冷卻器釋放的熱量并且把熱量提供給蒸發器。蒸發器乙二醇回路用來給蒸發器提供所需熱量。其中一個冷卻水回路可以預冷乙二醇，另外一個低溫冷卻水回路在冷卻不足時可以帶走氣冷器的熱量，使氣冷器出口溫度更低。此外還有一個電加熱器安裝在乙二醇儲藏器中用來為蒸發器提供熱量。

圖3 乙二醇回路Fig.3 The glycol loops

實驗系統的主要組成部分介紹如下。壓縮機列于表1中，熱交換器列于表2中，表3中列出了溫度和壓力傳感器的量程以及精度。所有的傳感器都連接于Danfoss控制器，且每一個都可以起到控制、顯示和保護作用。

表1 壓縮機

表2 熱交換器

2 系統實驗

為了找出噴射器工作效率最優的工況范圍，實驗

表3 傳感器

本文用實驗的方法在不同實驗點上測試了ENEX噴射器在二氧化碳噴射器系統中的工作情況，得出了噴射器效率最優時各個參數的范圍。在實驗中，蒸發溫度設定為-8 ℃，噴射器主噴嘴進口溫度從21～33 ℃，每次增加1 ℃，氣冷器出口壓力為6～8 MPa。

為了描述噴射器的工作狀態，計算噴射器引射質量流量比、噴射器的壓比和噴射器效率如下。

表4 試驗工況

(1)

壓比(Π)是噴射器出口壓力(pout)與噴射器引射端壓力(psuc)之比：

(2)

(3)

3 實驗結果與分析

圖4所示為實驗中的一個工況：主噴嘴進口溫度為30 ℃，噴射器出口壓力為8 MPa，蒸發溫度為-8 ℃。在這個相對較高的主噴嘴入口溫度下，噴射器的工作狀況很好。由圖3中可知，質量流量比隨著壓比的升高而下降。因為噴射器引射端的壓力基本穩定，所以壓比升高，儲液器的壓力升高，質量流量比就會下降。由圖3還可以看出，隨著壓比的增加，效率由小變大，再由大變小，當壓比為1.16時，達到最高效率0.37。

由于許多參數與噴射器工作狀況相關，所以這里采用三維圖表來表示這些參數與噴射器效率之間的關系。運用Teroplot繪圖軟件把不同參數表示在3D圖表中，不同的坐標軸分別是氣冷器出口壓力(pgc)、主噴嘴入口溫度(Tmni)和壓比(Π)。從圖中可以看到效率較高的圓形點分布集中在所有點的中間位置。圖5和圖6所示分別為圖4中三個參數中兩個參數的關系圖。

圖4 壓比與效率及質量流量比之間的關系Fig.4 The relation between efficiency, mass flow and pressure ratio

圖5 所有實驗點的3D圖Fig.5 3D-representation of all test points

圖6 出口壓力與壓比圖(包絡線內區域效率高于0.3，噴射器入口溫度范圍20～30 ℃)Fig. 6 2D-representation of discharge pressure and the pressure ratio (within the envelope efficiency is above 0.3, and the inlet temperature is 20～30 ℃)

由圖6可知：包絡線中區域噴射器效率較高，其中一個三角形點的效率為0.297，也屬于效率較高的點。隨著噴射器出口壓力的升高，在壓比適中時可以得到較高的噴射器效率，壓比范圍大概為1.09～1.20。這就是說噴射器在合適的壓比下可以在比較廣的出口壓力下得到較高的效率。

由圖7可知，包絡線中效率較高，其中一個三角形點的效率同樣是0.297。隨著主噴嘴入口溫度的升高，在中間壓比下噴射器可以達到較高的效率。而當壓比繼續升高的情況下，噴射器的效率會降得非常低。所以在實際運行過程中應該避免壓比過高的情況。比較圖5與圖6可以發現效率最高的圓形點都集中在中間的位置，也就是包絡線內，這說明在不同的氣冷器出口壓力和主噴嘴入口溫度下，在包絡線內的區域噴射器可以得到更高的效率。

圖7 主噴嘴溫度與壓比圖(包絡線內區域效率高于0.3，氣冷器出口壓力范圍6～8.4 MPa)Fig.7 2D-representation of inlet temperature and pressure ratio (within the envelope efficiency is above 0.3, and the discharge pressure is 6～8.4 MPa)

圖8中包絡線內區域效率高于0.3，氣冷器出口壓力范圍6～8.4 MPa，在包絡線范圍中，壓比為1.09～1.21之間、質量流量比為0.4～0.8時噴射器效率更高。這就是說當質量流量比過小時，引射流量過小，噴射器無法減少能量消耗所以工作效率較低；而當質量流量比過大時，主噴嘴流量和引射流量相當，噴射器能夠減少的能量消耗有限，所以效率也較低。因此，在噴射器實際運行過程中，質量流量比需維持在比較適中的條件下。

圖8 壓比和質量流量比與效率的關系(包絡線內區域效率高于0.3，噴射器入口溫度范圍20～30 ℃，氣冷器出口壓力范圍6～8.4 MPa)Fig.8 2D-representation of pressure ratio and entrainment ratio (within the envelope efficiency is above 0.3, and the inlet temperature is 20～30 ℃, the discharge pressure is 6～8.4 MPa)

由圖9可知，隨著噴射器入口溫度變化，氣冷器出口壓力的變化為6～8 MPa。從圖中可以看出，在壓比為1.09～1.20、質量流量比為0.4～0.8時，除了19 ℃時最高噴射器效率低于0.35，其他所有試驗工況的最高效率都高于0.35，說明在壓比與質量流量比合適的情況下，該噴射器可以在較廣的噴射器入口溫度變化范圍內達到較高的效率，從而為整個系統節省可觀的能量損耗。

從實驗結果可以看出，噴射器在主噴嘴入口溫度較高時工作效率高。這是因為入口溫度越高膨脹節流的損失就越大，而噴射器能夠節約的能量就越大，所以效率更高。也就是說噴射器更適宜氣候較為溫暖或者炎熱的地區使用，這樣噴射器能幫助系統提高COP。

在得到實驗數據之后，本文還進行了一些擬合工

圖9 主噴嘴入口溫度與最高效率之間的關系(標簽分別為氣冷器出口壓力和壓比)Fig.9 The relation between inlet temperature and the highest efficiency (the marks is discharge pressure and pressure ratio)

作。主噴嘴的流量可以由實驗所測的參數使用數學公式擬合得到：

(4)

表5 待定系數以及測量值和擬合值相對誤差

從表5可以看出，擬合方程可以較好地擬合本實驗的測試點，誤差較小。所以在流量計缺失或者損壞的情況下，可以使用擬合公式得到主噴嘴的流量。

此外，引射噴嘴的工作情況也可以利用公式，由實驗所測參數擬合獲得：

(5)

由表6可知，擬合結果與實際測量值相吻合。因此在流量計缺失或者損壞的情況下，同樣可以通過其他參數運用數學公式擬合得到引射流流量。

4 總結

本文用實驗的方法在不同實驗點上測試了噴射器在二氧化碳噴射器系統中工作的情況，蒸發溫度設定為-8 ℃，改變噴射器主噴嘴進口溫度19～31 ℃以及氣冷器出口壓力6～8 MPa，得到一系列關于噴射器性能的實驗點，進行比較得出最佳工作工況。在實驗的最后進行一些擬合工作，發現與實驗結果較為吻合。

表6 各個待定系數以及測量值和擬合值的絕對誤差范圍

從實驗結果中可以得出，該噴射器在壓比為1.09～1.20、質量流量比為0.4～0.8的條件下，可以達到較高的效率。最高效率為0.389，是在噴射器出口壓力為6.5 MPa、入口溫度為23.2 ℃、質量流量比為0.56、壓比為1.132時達到的。

從實驗中還可以看出，在不同的出口壓力下，中間壓比的實驗點效率更高，而且隨著主噴嘴入口溫度的升高，效率較高的實驗點出現在更高的壓比下。從實驗結果可以看出，噴射器在主噴嘴入口溫度較高時工作效率較高。

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About the corresponding author

Wu Jingyi，female, Ph. D., professor, doctoral supervisor, Director of School Council, Institure of Refrigeration and Cryogenics, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, +86 15021080118, E-mail: jywu@sjtu.edu.cn. Research fields: aerospace thermal environment simulation systems and control, distributed energy and heat pumps, refrigeration and air conditioning energy use and environmental control.

Experimental Investigation of R744 Ejector Efficiency

Zhang Jinrui1Wu Jingyi1EIKEVIK Trygve Magne2

(1.Institure of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China; 2.Norwegian University of Science and Technology, KolbjornHejesvei 1B, Trondheim, 7491, Norway)

The performance of a new ejector is investigated experimentally in this paper. A range of different test points is tested in order to give an overall view of the ejector performance. The motive nozzle inlet temperature is from 19 ℃ to 31 ℃ and the gas cooler outlet pressure is from 6 MPa to 8 MPa. The test facility used in this experimental analysis is a two-phase ejector refrigeration system with R744 as a working fluid. The experiment results show that the ejector works more efficiently when the entrainment ratio changes from 0.4 to 0.8 and the pressure ratio is from 1.09 to 1.20 approximately. Moreover, the best efficiency, which can be achieved when the pressure ratio is 1.132 approximately, is 0.389. The fitted mass flow rate agree well with the experiment results. The experiment results provide a basis for application and design of ejector.

ejector; supercritical; test condition; natural refrigerant; CO2

0253- 4339(2016) 03- 0074- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.074

2015年10月10日

TQ051.5；TB69；TB657

A

簡介

吳靜怡，女，教授，博士生導師，上海交通大學教務處處長，上海交通大學機械與動力工程學院制冷與低溫工程研究所，15021080118，E-mail：jywu@sjtu.edu.cn。研究方向：航天熱環境模擬系統及其控制、分布式能源與熱泵、制冷空調中的能源利用與環境控制。