采用兩段式引射器的跨臨界CO2兩相流制冷系統(tǒng)性能的數(shù)值模擬

孟麗麗，郭憲民，任立乾

(天津商業(yè)大學天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津300134)

隨著國內(nèi)經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，尤其是進入21世紀后，能源需求快速增長，能源短缺問題已經(jīng)成為限制我國經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在制冷行業(yè)中進行節(jié)能減排具有十分重要的意義，而國內(nèi)外學者研究結(jié)果得出，在R134a制冷系統(tǒng)中，當節(jié)流損失被有效的減小之后，系統(tǒng)的COP可提高24%左右，在跨臨界CO2制冷系統(tǒng)中，運行壓力較高，節(jié)流損失就更大，對膨脹功回收的研究就具有更加重大的意義［1］。目前研究中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(zhì)的膨脹功。膨脹機具有較高的效率，但是其結(jié)構(gòu)比較復雜，運動部件多，對環(huán)境要求相對嚴格，而且工作在兩相區(qū)可能對設(shè)備安全構(gòu)成威脅，若要在CO2制冷系統(tǒng)中應(yīng)用還有許多技術(shù)難題需要解決，另外，膨脹機的造價和維護費用較高，因此在小型制冷系統(tǒng)中使用膨脹機，從經(jīng)濟角度考慮也不夠合理［1］;而在制冷系統(tǒng)中采用引射器代替膨脹閥具有兩大優(yōu)點:回收膨脹功(增大系統(tǒng)COP)和閃蒸分流(減小了蒸發(fā)器體積)［2］，并且，引射器的結(jié)構(gòu)簡單、沒有運動部件、造價低、基本不需要維護、工質(zhì)的流量控制更簡單，和采用膨脹機的制冷系統(tǒng)相比具有獨特優(yōu)勢，更容易達到實用化，預期能夠使制冷系統(tǒng)的性能得到大幅度提高，取得傳統(tǒng)制冷循環(huán)無法達到的節(jié)能效果［3］。

2 CO2兩相流制冷系統(tǒng)

圖1 跨臨界CO2兩相流引射制冷系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of transcritical CO2 two phase flow ejector refrigeration system

本文所用系統(tǒng)見圖1，系統(tǒng)中主要包含CO2壓縮機、油分離器、氣冷器、引射器、節(jié)流閥、氣液分離器、集液器、回熱器、主蒸發(fā)器、輔助蒸發(fā)器等部件。氣液分離器和集液器分別是為引射制冷循環(huán)和傳統(tǒng)制冷循環(huán)而設(shè)置，輔助蒸發(fā)器的設(shè)置是為了保證進入壓縮機的工質(zhì)為氣態(tài)，防止因為液體進入壓縮機而造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且擴大了系統(tǒng)運行范圍。本文應(yīng)用ANSYSCFX軟件對兩相流引射器內(nèi)部工質(zhì)的流動過程和熱力學過程進行了模擬分析。分析對比了不同幾何尺寸引射器在相同工況下以及相同幾何尺寸引射器在不同工況下引射器內(nèi)部工質(zhì)的速度場、壓力場以及溫度場，經(jīng)過對比研究總結(jié)出影響引射器性能的幾何參數(shù)和最優(yōu)工況，表1為引射器兩段式噴嘴尺寸表。

表1 兩段式噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Geometrical parameters of dual-throat nozzle

3 模擬結(jié)果分析

3.1 噴嘴第一喉部流通面積對兩段式噴嘴引射器性能的影響

引射器主噴嘴選用第二喉部流通面積為1.54 mm2，第一喉部最大流通面積為3.46 mm2的可調(diào)式噴嘴，模擬工況為氣冷器出口溫度43℃，進口壓力9.00 MPa，出口壓力4.09 MPa，吸氣壓力4.07 MPa，吸氣溫度18℃。圖2為引射比隨噴嘴第一喉部流通面積的變化情況，圖3～6分別為引射器的物理模型及引射器內(nèi)壓力云圖的模擬結(jié)果。

圖2 引射比隨噴嘴第一喉部流通面積的變化Fig.2 Variation of entrainment ratio with cross-section area of the first nozzle throat

從圖2可以看到當?shù)谝缓聿苛魍娣e從1.13～1.54 mm2變化過程中引射器的引射比增大，且變化幅度較大，而當?shù)谝缓聿苛魍娣e繼續(xù)增大，引射器的引射比降低，但是變化相對較平緩，引射器的引射比在第一喉部流通面積為1.54 mm2時取得了最大值。這是因為隨著引射器噴嘴第一喉部流通面積的變化噴嘴內(nèi)激波產(chǎn)生位置發(fā)生了變化造成了引射比的變化，因此采用合適的喉部流通面積能夠提高引射器的性能。

圖3 兩段式噴嘴引射器物理模型Fig.3 Physical model of the dual-throat nozzle ejector

圖4 使用兩段式噴嘴的引射器內(nèi)部工質(zhì)速度分布圖Fig.4 Diagram of veloctor in ejector with the dual-throat nozzle

圖5 使用兩段式噴嘴的引射器內(nèi)部流線圖Fig.5 Velocity streamline diagram in ejector with the dual-throat nozzle

圖6 使用兩段式噴嘴的引射器內(nèi)部工質(zhì)壓力分布圖Fig.6 Diagram of pressure contour in ejector with the dual-throat nozzle

3.2 氣冷器出口溫度對引射器性能的影響

CO2在超臨界狀態(tài)下溫度和壓力是相互獨立的兩個狀態(tài)量，因此本節(jié)研究了在固定主噴嘴進口壓力的條件下，氣冷器出口溫度對引射器性能的影響。兩段式噴嘴引射器選擇第一喉部和第二喉部均為1.54 mm2的主噴嘴，混合室直徑為 13.0 mm，模擬工況為主噴嘴進口壓力9.00 MPa，蒸發(fā)溫度為6℃，被引射流溫度18℃。

圖7為氣冷器出口溫度對兩段式噴嘴引射器沿軸向方向壓力分布的影響圖示。從圖中可以看到，在模擬工況下工質(zhì)均在噴嘴擴張段最終完成膨脹過程，但由于背壓較大，在噴嘴擴張段產(chǎn)生了壓力激增，即出現(xiàn)了激波，激波的產(chǎn)生和位置均對引射器性能和系統(tǒng)性能造成了很大影響。圖8為噴嘴引射器的引射比隨著氣冷器出口溫度變化的曲線。由圖中可以看到引射比隨著主噴嘴進口溫度的變化趨勢不同。模擬過程中假設(shè)模型壁面是絕熱的，隨著噴嘴進口溫度的升高主引射流的比焓增加，因此經(jīng)過噴嘴后工質(zhì)在噴嘴出口處的速度增大，被引射流是靠主引射流的高速流動形成的卷吸作用而被引射的，理論上當主噴嘴出口速度升高或降低則引射比也會相應(yīng)升高或降低，但是根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)引射比和噴嘴出口速度隨著主引射流溫度的升高呈現(xiàn)不同的趨勢，卻和激波產(chǎn)生的位置具有相似的趨勢，這是由于激波對引射器引射比的影響要遠大于噴嘴出口工質(zhì)流速對引射器引射比的影響。對選定工況模擬的結(jié)果分析，拉法爾噴嘴引射器的引射比在氣冷器出口溫度為41℃時取得最大值，兩段式噴嘴引射器的引射比在氣冷器出口溫度為43℃時取得最大值，分別為1.36和 2.23。

圖7 氣冷器出口溫度對兩段式噴嘴引射器軸向壓力分布的影響Fig.7 Influence of gas cooler outlet temperature on axial pressure distribution of dual-throat nozzle ejector

圖8 氣冷器出口溫度對引射器引射比的影響Fig.8 Influence of gas cooler outlet temperature on entrainment ratio of ejector

3.3 蒸發(fā)溫度對兩段式噴嘴引射器性能的影響

圖9為在氣冷器口溫度為43℃，主噴嘴進口壓力分別為8.50 MPa和9.00 MPa工況下兩段式噴嘴引射器引射比隨蒸發(fā)溫度的變化曲線。從圖中可以看出隨著蒸發(fā)溫度的升高，引射器的引射比在降低，并且主噴嘴進口壓力為8.50 MPa時引射比開始降低的速度很快，然后變化趨于平緩，而在9.00 MPa工況下，引射比變化相對較小。

圖9 蒸發(fā)溫度對兩段式噴嘴引射器性能影響Fig.9 Influence of evaporating temperature on performance of dual-throat nozzle ejector

4 結(jié)論

本文介紹了使用ANSYS CFX軟件分別對拉法爾噴嘴引射器和兩段式噴嘴引射器的數(shù)值計算結(jié)果，并分析了對引射器性能產(chǎn)生影響的幾個因素。

1.通過在定工況下對兩段式噴嘴引射器不同第一喉部流通面積的引射器內(nèi)部工質(zhì)流動的數(shù)值計算，得出了噴嘴的最佳第一喉部流通面積為1.54 mm2，第一喉部流通面積對噴嘴內(nèi)激波產(chǎn)生位置也具有一定的影響。

2.對于定幾何尺寸的引射器，分別分析了主噴嘴進口壓力、溫度和蒸發(fā)溫度對引射器性能的影響。通過對比發(fā)現(xiàn)在模擬工況范圍內(nèi)兩段式噴嘴引射器的性能總是高于拉法爾噴嘴引射器的性能;拉法爾噴嘴引射器和兩段式噴嘴引射器隨不同工況參數(shù)變化的趨勢總是一致的。

［1］王亞靜，郭憲民，劉川.兩相流引射循環(huán)制冷系統(tǒng)性能的研究進展［C］∥第四屆中國冷凍冷藏新技術(shù)、新設(shè)備研討會.北京:中國制冷空調(diào)工業(yè)協(xié)會，2010.

［2］SUMERU K，NASUTION H，ANI F N.A review on twophase ejector as an expansion device in vapor compression refrigeration cycle［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16(7):4927-4937.

［3］DISAWASSOMJIN，WONGWISESSOMCHAI.Experimental investigation on the performance of the refrigeration cycle using a two-phase ejector as an expansion device［J］.International Journal of Refrigeration，2004，27(6):587-594.