二氧化碳喷射器工作特性的理论研究

二氧化碳喷射器工作特性的理论研究

在co氧化的循环中，膨胀阀的开口前后两端位于临界和近临界状态，压差较大。在节流过程中,由于工质因摩擦损失吸收了因压降转化的动能,并闪蒸出气体,使系统效率降低。减少节流损失是提高跨临界CO2制冷系统效率的有效途径。采用喷射器装置可以取代膨胀阀的作用,不但减少节流损失,还具有成本低、结构简单、无活动部件和不易损坏的优点。此前国内外对蒸气压缩/喷射制冷循环进行了一些研究,Kornhauser、Domanski、刘军朴理论分析了该循环的性能,理论上系统性能系数(COP)比简单循环提高了20%以上。Harrell、Menegay、Disawas的实验没有实现理论分析所得到的理想结果,性能提高最大不超过8%。现有对蒸气压缩/喷射制冷循环的理论研究,在建立喷射器模型时一般只考虑喷射器内流动的能量守恒和动量守恒。在系统稳定运行状态下,对应喷射器出口工质干度,工质分离为饱和蒸气和饱和液体后,分别离开气液分离器,这二股流体的质量流量比等于喷射器的喷射系数。本文考虑到系统稳态下喷射器出口干度和喷射系数的这一耦合关系,对跨临界CO2蒸气压缩/喷射循环进行了理论分析,并研究了系统COP随不同参数变化的关系,指出了提高系统效率的途径。1系统喷射器及工质的喷射特性及喷射系数图1所示为跨临界CO2蒸气压缩/喷射制冷系统简图,图2所示为该制冷循环对应的p-h图。处于热力状态(1)的压力为ps的CO2蒸气,进入压缩机等熵压缩至高压侧压力pd,对应状态(1s),实际过程为压缩至超临界状态(2),用等熵效率ηc修正。工质随后在气体冷却器中被冷却至状态(3),对应气体冷却器出口温度t3。处于状态(3)的工质进入喷射器喷嘴等熵膨胀至状态(3s),实际膨胀至状态(3′),对应喷嘴效率为ηn=0.7。对应状态(7)的蒸发压力为pe的饱和蒸气也进入喷射器。喷射器内的两股流体最终等压混合为状态(4),混合后的流体经过喷射器扩压段升高压力至ps,对应状态(5x),(4s)为等熵扩压后的状态点,扩压效率为ηd=0.8。在气液分离器中工质分离为状态(5)的饱和气体和状态(5L)的饱和液体,饱和液体进入膨胀阀膨胀至状态(6),对应蒸发压力pe,气液分离器中状态(5)的饱和蒸气进入压缩机。喷射器喷嘴效率和扩压效率取值参考文。Alexis假设进入喷射器内的两股流体混合后的状态(4),其压力不等于蒸发压力pe,本文假设喷射器内混合压力即为系统蒸发压力,因为对于跨临界CO2循环的高压力,混合压力和蒸发压力之间的差异可以忽略。对系统作分析时有如下一些假设:1)忽略喷射器进、出口动能;2)忽略工质在管路及换热器内的流动损失;3)在蒸发器出口,工质为饱和蒸气;4)冷却过程为定压冷却;5)喷射器内等压混合,混合压力为蒸发压力pe,混合过程动量守恒;6)环境温度为308.15K,低温热源温度为300.15K;7)CO2工质在进入压缩机前未被过热;8)处于稳定状态,各过程处于热力学平衡状态,其物性参数及速度在同一横截面上是不变的,即属于一维过程。以喷射器内混合过程后的单位质量工质(1kg)为例计算。定义喷射系数为μ=被吸流体质量/⌶作流体质量.μ=被吸流体质量/⌶作流体质量.工质为1kg时被吸流体质量为μ/(1+μ)kg,工作流体质量为1/(1+μ)kg。喷嘴效率为ηn=(h3-h3′)/(h3-h3s).(1)ηn=(h3−h3′)/(h3−h3s).(1)速度方程为12u23′=h3-h3′.(2)12u23′=h3−h3′.(2)动量守恒方程为u3′/(μ+1)=u4.(3)能量守恒方程为h3/(1+μ)+h7μ/(1+μ)=h5x.(4)速度方程为12u24=h5x-h4.(5)扩压效率为ηd=(h4s-h4)/(h5x-h4).(6)压缩机等熵效率为ηc=h1s-h1h2-h1.(7)压缩机等熵效率经验计算式为ηc=1.003-0.121×(pd/ps).(8)压缩机功耗为wcom=(h2-h1)/(1+μ).(9)单位混合质量制冷量为qeva=(h7-h5L)μ1+μ.(10)性能系数为CΟΡ=qeva/wcom.(11)2高压侧压力对喷射器性能的影响当蒸气压缩/喷射循环处于稳定运行状态时,进入喷射器的两股流体质量流量不发生变化,而离开喷射器的工质对应其干度,在气液分离器中分离成为饱和蒸气和饱和液体,并分别进入压缩机和蒸发器支路。喷射器的喷射系数等于这两股流体的质量流量。如果喷射器的喷射系数和喷射器出口工质的干度不能匹配,或者工质饱和液体溢满气液分离器并进入压缩机,或者过多的工质饱和蒸气将会进入蒸发器。对于某一特定工况,使系统稳定的喷射系数只有一个。本文的分析中,始终定义喷射系数是使系统处于稳定状态所需要的喷射系数,即与喷射器出口干度间是匹配的,也就是说,喷射器的喷射系数μ和喷射器出口工质干度x满足关系式:x=1μ+1.(12)对以CO2为工质的跨临界循环作了模拟,喷射器喷射系数和喷射器出口干度在不同蒸发温度下随系统高压侧压力变化的关系如图3所示。随着高压侧压力的增加,喷射系数先有一个迅速的增加,然后增幅变缓,而此时喷射器出口干度呈反比例关系变化。在不同蒸发温度下,气液分离器中工质压力和温度随喷射器喷射系数的变化关系如图4所示。气液分离器中的工质压力和温度随着喷射系数的增加缓慢减小到最低点,当喷射系数大于0.6时,不再有大的变化。结合图3和图4分析,在较高的压力下,气液分离器中能维持一个相对较低的压力和温度。Disawas的实验验证了这一点:压缩机转速超过450r/min时,气液分离器中的压力减小。可以这样解释:压缩机转速增加,导致高压侧压力增加,由图3可以看到,高排气压力会对应高喷射系数,由图4可以发现,随着喷射系数增加,气液分离器中的压力总体是降低的。这是因为此时系统有比较多的处于蒸发压力和温度下的饱和蒸气被抽吸入喷射器,参与喷射器内工质的混合和扩压过程。不同蒸发温度下系统COP随喷射系数的变化关系如图5所示。喷射系数的大小对系统性能的影响非常大,喷射系数在0.5～0.6,对应最大的系统COP,如果喷射系数过低,虽然系统运行是稳定的,但是COP会降至接近于1.0。图5说明,要获得满意的系统性能,必须很好地匹配喷射器的性能。反过来说,对于一个给定的喷射器,系统工况必须适应喷射系数,尽管这个喷射系数可能不能对应最优的COP。Disawas调整压缩机转速去适应喷射器的性能,基于以前的经验,他们将压缩机转速控制在450r/min,如果低于这个转速,工质液体会在气液分离器中积聚并进入压缩机,导致压缩机损坏。综合文,对蒸气压缩/喷射制冷循环的理论研究表明,该循环有突出的性能,但实验研究并没有获得预期的效果。很多实验研究专注于对特定的喷射器如何调整系统工况使系统稳定,而忽视了研究喷射器本身如何匹配系统,使系统发挥其突出的性能。3高压侧压力的影响跨临界CO2蒸气压缩/喷射循环理论COP在不同蒸发温度下随高压侧压力变化的关系如图6所示。蒸发温度增加,系统COP也增加。COP最大值在蒸发温度5℃时比蒸发温度0℃时约高20.6%。蒸发温度te=5℃,不同高压侧压力下系统COP和喷射系数随喷射器扩压效率变化的关系如图7所示。随着扩压效率的增加,系统COP增幅不大,而喷射系数的变化更小,高压侧压力变化对COP的影响更大一些。蒸发温度te=5℃,不同高压侧压力下系统COP和喷射系数随喷射器喷嘴效率变化的关系如图8所示。同扩压效率的影响一样,随着喷嘴效率的增加,系统COP增幅不大,而喷射系数的变化更小。4喷射系数对cop性能的影响1)蒸气压缩/喷射制冷循环,除了用