兩級(jí)蒸發(fā)對(duì)跨臨界CO2引射制冷系統(tǒng)影響的實(shí)驗(yàn)研究

鄭立星鄧建強(qiáng)何陽(yáng)

（1西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院 西安 710049；2西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049）

兩級(jí)蒸發(fā)對(duì)跨臨界CO2引射制冷系統(tǒng)影響的實(shí)驗(yàn)研究

鄭立星1鄧建強(qiáng)1何陽(yáng)2

（1西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院 西安 710049；2西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049）

兩級(jí)蒸發(fā)引射制冷循環(huán)中通過(guò)二級(jí)蒸發(fā)器不僅能調(diào)節(jié)引射器出口干度還能提高系統(tǒng)效率。通過(guò)改變第二蒸發(fā)器冷凍水流量對(duì)兩級(jí)蒸發(fā)引射制冷系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并與改變引射器面積比的調(diào)控效果進(jìn)行比較。結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，氣冷器壓力、第一蒸發(fā)器壓力和壓縮機(jī)流量都隨第二蒸發(fā)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(fā)器壓力和壓縮機(jī)流量越低。同時(shí)，系統(tǒng)引射系數(shù)隨第二蒸發(fā)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(shù)下，系統(tǒng)制冷量和COP提高的更為明顯。本研究為引射循環(huán)提供了另外一種良好的調(diào)控思路。

引射制冷系統(tǒng)；兩級(jí)蒸發(fā)；系統(tǒng)性能；二氧化碳

跨臨界CO2壓縮引射制冷循環(huán)（簡(jiǎn)稱引射循環(huán)）使用引射器代替節(jié)流閥回收高壓工質(zhì)的壓力能，可有效的提高系統(tǒng)循環(huán)的效率［1－5］。Elbel S等［6］對(duì)跨臨界CO2引射制冷系統(tǒng)進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)研究，并與常規(guī)跨臨界CO2循環(huán)進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)引射系統(tǒng)制冷量和COP分別提高8%和7%。Lee J S等［7］通過(guò)改變引射器結(jié)構(gòu)（噴嘴喉部直徑，混合室直徑和噴嘴到混合室入口距離）對(duì)跨臨界CO2引射制冷系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，指出引射循環(huán)的COP相比常規(guī)系統(tǒng)可提高15%以上。

然而，引射循環(huán)較常規(guī)制冷循環(huán)有特殊的平衡關(guān)系，即引射器出口干度x和引射系數(shù)μ需滿足x＝1／（1＋μ）［8－13］。若出口干度過(guò)高或過(guò)低，不能與引射系數(shù)相匹配，會(huì)導(dǎo)致氣相或液相工質(zhì)在氣液分離器中蓄積，影響系統(tǒng)的高效運(yùn)行［14］。Liu F等［15］設(shè)計(jì)了可調(diào)結(jié)構(gòu)引射器，通過(guò)調(diào)節(jié)引射系數(shù)來(lái)拓寬系統(tǒng)運(yùn)行工況范圍并提高系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著引射器喉部面積的減小，系統(tǒng)引射系數(shù)和COP升高。Deng J Q等［10］通過(guò)理論分析獲得了不同工況下引射系數(shù)對(duì)引射循環(huán)性能的影響規(guī)律，并指出了系統(tǒng)可獲得最大COP的引射系數(shù)優(yōu)化區(qū)間。針對(duì)引射器出口干度高導(dǎo)致的氣液分離器中蒸氣過(guò)剩問(wèn)題，Li D Q等［11］提出了增加蒸氣反饋回路的措施，并通過(guò)理論建模分析了該措施的改善效果。鄧建強(qiáng)［16］提出在引射器出口設(shè)置第二蒸發(fā)器的方法來(lái)應(yīng)對(duì)出口干度低導(dǎo)致的液體過(guò)剩局面，并通過(guò)建立兩級(jí)蒸發(fā)跨臨界CO2引射循環(huán)的熱力學(xué)模型，分析氣體冷卻器壓力、蒸發(fā)器壓力和引射系數(shù)對(duì)系統(tǒng)制冷量和COP等性能的影響。研究表明兩級(jí)蒸發(fā)引射循環(huán)可以獲得比基本引射循環(huán)更高的COP和制冷量。在模擬工況范圍內(nèi)，當(dāng)引射系數(shù)為0.3時(shí)，兩級(jí)蒸發(fā)引射系統(tǒng)的COP和單位制冷量相比基本引射循環(huán)分別增加了16.5%和18.3%。鄧建強(qiáng)的后續(xù)研究［17］又運(yùn)用熱力學(xué)第二定律對(duì)蒸氣反饋和兩級(jí)蒸發(fā)兩種調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了對(duì)比分析。

以上理論研究說(shuō)明了兩級(jí)蒸發(fā)引射循環(huán)的可行性，但畢竟模型假設(shè)和計(jì)算條件與實(shí)際操作有所差別。并且系統(tǒng)熱力性能的提升以犧牲引射系數(shù)為代價(jià)，如何以小的引射系數(shù)降低來(lái)?yè)Q取大的熱力性能提升仍難以把握。本文針對(duì)兩級(jí)蒸發(fā)器跨臨界CO2引射循環(huán)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，分析第二蒸發(fā)器冷凍水流量改變對(duì)系統(tǒng)參數(shù)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(diào)節(jié)效果進(jìn)行比較。

1 兩級(jí)蒸發(fā)引射循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示為兩級(jí)蒸發(fā)跨臨界CO2引射制冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖及其對(duì)應(yīng)的壓焓圖。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)、水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成。對(duì)于制冷系統(tǒng)，超臨界CO2離開(kāi)壓縮機(jī)后，在氣體冷卻器中等壓放熱，再經(jīng)引射器主動(dòng)流入口進(jìn)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(fā)器中低壓低速的流體進(jìn)入引射器吸入室，兩股流體在混合室內(nèi)混合，再經(jīng)擴(kuò)壓段減速增壓后流出，進(jìn)入第二蒸發(fā)器。在第二蒸發(fā)器中等壓吸熱后兩相流體干度發(fā)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(jìn)入壓縮機(jī)，另外一部分飽和液體進(jìn)入節(jié)流閥，等焓節(jié)流降壓后流入第一蒸發(fā)器，兩股流體如此反復(fù)不斷循環(huán)。在引射器和氣液分離器之間設(shè)置第二蒸發(fā)器一則是希望第二蒸發(fā)器提升系統(tǒng)熱力性能，二則是避免引射器出來(lái)的兩相流體干度較低導(dǎo)致液相工質(zhì)在氣液分離器過(guò)度聚集。此外，由圖1可以看出，兩級(jí)蒸發(fā)跨臨界CO2引射制冷循環(huán)被引射器、第二蒸發(fā)器和氣液分離器分為兩個(gè)子循環(huán)，分別是高壓子循環(huán)（包括壓縮機(jī)、氣體冷卻器、引射器、第二蒸發(fā)器和氣液分離器）和低壓子循環(huán)（包括氣液分離器、節(jié)流閥、第一蒸發(fā)器、引射器和第二蒸發(fā)器），兩個(gè)子循環(huán)間既相對(duì)獨(dú)立又相互作用。

圖1 兩級(jí)蒸發(fā)跨臨界CO2引射制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)圖及其對(duì)應(yīng)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(diào)結(jié)構(gòu)的引射器

實(shí)驗(yàn)用可調(diào)結(jié)構(gòu)引射器如圖2所示。該引射器可實(shí)現(xiàn)四種結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)：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(kuò)壓段替換。通過(guò)旋轉(zhuǎn)尖端帶有錐度的調(diào)節(jié)針旋入或旋出噴嘴，調(diào)節(jié)主動(dòng)流在喉部的流通面積；通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴嘴距調(diào)節(jié)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(xù)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(zhǎng)度，噴嘴局部放大圖如圖2所示。

由于實(shí)驗(yàn)中采用調(diào)節(jié)針調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)針截面An之差（見(jiàn)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

除引射器外，其他主要設(shè)備細(xì)節(jié)特性見(jiàn)表1。系統(tǒng)制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器和氣體冷卻器出口處的溫度通過(guò)調(diào)節(jié)水系統(tǒng)的進(jìn)口溫度和流量來(lái)控制，蒸發(fā)器冷凍水和氣體冷卻器冷卻水的溫度通過(guò)溫控儀控制加熱棒進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中第一蒸發(fā)器冷凍水和氣體冷卻器冷卻水由同一水箱提供，第二蒸發(fā)器冷凍水由另一水箱供應(yīng)。

圖2 可調(diào)結(jié)構(gòu)引射器示意圖Fig.2 Experimental controller ejector device

表1 主要設(shè)備特性Tab.1 Main characters of equipments

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制冷劑側(cè)溫度和水側(cè)測(cè)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(cè)量采用橫河公司出產(chǎn)的EJA?530A系列壓力傳感器，氣冷器側(cè)的量程為0～15 MPa，蒸發(fā)器處的量程為0～6 MPa，測(cè)量精度為0.075%FS。CO2工質(zhì)流量的測(cè)量采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的FC 300與MASS 2100質(zhì)量流量計(jì)，精度為0.1%FS。蒸發(fā)器冷凍水和氣冷器冷卻水流量采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，精度為2.5%FS。壓縮機(jī)功率通過(guò)安裝的變頻器測(cè)得，該變頻器可測(cè)得電壓和電流。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用吉時(shí)利公司生產(chǎn)的2700數(shù)據(jù)采集儀和7700插卡式模塊，其通過(guò)RS?232接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)不同第二蒸發(fā)器冷凍水流量和引射器面積比情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析兩者對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和性能的影響。實(shí)驗(yàn)工況為：保持氣體冷卻器冷卻水進(jìn)口溫度24.0℃，流量1.75 L／min，第一蒸發(fā)器冷凍水進(jìn)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(fā)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 對(duì)系統(tǒng)參數(shù)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(fā)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(fā)器冷凍水流量情形下對(duì)應(yīng)的氣冷器壓力越高。這主要是因?yàn)楫?dāng)?shù)诙舭l(fā)器冷凍水流量增加時(shí)，第二蒸發(fā)器的換熱量增大，第二蒸發(fā)器壓力增大（見(jiàn)圖4），同時(shí)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(dǎo)致系統(tǒng)高壓子循環(huán)壓力上升，引起氣冷器壓力升高。可見(jiàn)，增大面積比和增加第二蒸發(fā)器冷凍水流量都可使系統(tǒng)氣冷器壓力升高。

由圖5可知，隨著第二蒸發(fā)器冷凍水流量的增加，第一蒸發(fā)器壓力逐漸增大。且引射器面積比越大，相同第二蒸發(fā)器冷凍水流量對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器壓力越低。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)诙舭l(fā)器冷凍水流量增加，氣液分離器壓力增大使得進(jìn)入蒸發(fā)器中的流體流量增加從而引起蒸發(fā)器壓力增大。隨著面積比的增大，引射器引射系數(shù)提高，被引射的流體流量增大導(dǎo)致蒸發(fā)器壓力降低。

圖3 氣冷器壓力隨第二蒸發(fā)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(fā)器壓力隨第二蒸發(fā)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(fā)器壓力隨第二蒸發(fā)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(jī)流量隨第二蒸發(fā)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(jī)流量隨第二蒸發(fā)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(jī)流量減少。這是因?yàn)殡S著引射器面積比的增大，主動(dòng)流噴嘴喉部面積減少，主動(dòng)流流量降低。壓縮機(jī)進(jìn)口壓力降低、排氣壓力增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)流量減少。

2.2 對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖7和圖8所示為系統(tǒng)制冷量和制熱量隨第二蒸發(fā)器冷凍水流量變化的曲線。需要指出的是，系統(tǒng)制冷量為第一蒸發(fā)器和第二蒸發(fā)器的制冷量之和。由圖7和圖8可以看出，當(dāng)?shù)诙舭l(fā)器冷凍水流量增加時(shí)，系統(tǒng)制冷量和制熱量都呈上升趨勢(shì)，并且隨著面積比的增大，制冷量和制熱量都增加。結(jié)合圖5可知，雖然面積比增大會(huì)導(dǎo)致第一蒸發(fā)器壓力降低，主蒸發(fā)器制冷量減少，但是第二蒸發(fā)器制冷量的增加量大于主蒸發(fā)器制冷量的減少量，所以系統(tǒng)整體的制冷量增大。此外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明，隨著冷凍水流量和面積比的增加，壓縮機(jī)功率增大，所以系統(tǒng)制熱量增大。

圖7 制冷量隨第二蒸發(fā)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(fā)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(jìn)一步考察圖7和圖8，當(dāng)?shù)诙舭l(fā)器冷凍水流量從0.5 L／min增加到3.5 L／min時(shí)，面積比為2.89對(duì)應(yīng)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(shí)對(duì)應(yīng)的制冷量和制熱量多增加36.4%和15.4%?？梢?jiàn)，第二蒸發(fā)器在提高系統(tǒng)制熱量和制冷量方面表現(xiàn)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(tǒng)COP與制熱量和制冷量有相同的變化趨勢(shì)。同樣地，當(dāng)面積比較小時(shí)，COP隨第二蒸發(fā)器冷凍水流量增大的幅度尤為明顯，當(dāng)面積比增大時(shí)，其增長(zhǎng)幅度逐漸減緩。進(jìn)一步考察圖9可知，當(dāng)引射器面積比為2.89時(shí)，冷凍水流量從0.5 L／min變?yōu)?.5 L／min，COP增大了54.0%，而當(dāng)面積比為3.17時(shí)，COP增大了13.4%。這也說(shuō)明控制第二蒸發(fā)器工況可以達(dá)到與調(diào)節(jié)面積比相同的效果。

圖9 COP隨第二蒸發(fā)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(dāng)?shù)诙舭l(fā)器冷凍水流量增加時(shí)，引射系數(shù)降低。但隨著面積比的增大，引射系數(shù)降低的幅度減小。結(jié)合前面圖9中系統(tǒng)COP曲線，當(dāng)面積比為2.89時(shí)，冷凍水流量由0.5 L／min增加到3.5 L／min，引射系數(shù)降低12.8%而系統(tǒng)COP增大了54.0%；當(dāng)面積比為3.51時(shí)，引射系數(shù)降低了4.0%而COP升高了14.0%。對(duì)比可知，小引射系數(shù)時(shí)，引射系數(shù)降低，系統(tǒng)的COP可得到更大幅度的提高。

圖10 引射系數(shù)隨第二蒸發(fā)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(jié)論

本文對(duì)兩級(jí)蒸發(fā)跨臨界CO2引射制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了第二蒸發(fā)器冷凍水流量和引射器面積比對(duì)系統(tǒng)的影響，得到如下結(jié)論：

1）在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，隨著第二蒸發(fā)器冷凍水流量的增加，氣冷器壓力、蒸發(fā)器壓力和壓縮機(jī)流量增大；區(qū)別于引射器面積比的增大，氣冷器壓力升高而蒸發(fā)器壓力和壓縮機(jī)流量降低的趨勢(shì)。

2）第二蒸發(fā)器對(duì)提升系統(tǒng)熱力性能有明顯的積極作用。系統(tǒng)制冷量、制熱量和COP都隨著第二蒸發(fā)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(tǒng)性能也表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，且面積比越大引射系數(shù)越高。但在小引射系數(shù)情形下，系統(tǒng)性能提升效果更加突出。

3）增加第二蒸發(fā)器冷凍水流量在系統(tǒng)性能改善上具有明顯的作用效果。相比可調(diào)結(jié)構(gòu)引射器的加工精度高，不易控制，第二蒸發(fā)器的調(diào)控作用能夠克服上述不足從而在引射系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景。

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鄧建強(qiáng)，男，博士，博士生導(dǎo)師，西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，（029）82663413，E?mail：dengjq＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn。研究方向：高效化工機(jī)械與設(shè)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＠m(xù)ail.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(jiǎn)介

國(guó)家自然科學(xué)基金（51076120）資助項(xiàng)目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 51076120）.）

2014年12月2日