混合室直徑對帶噴射器的跨臨界CO2熱泵性能影響

魏　晉，唐黎明，亓海明，陳　琪，陳光明

（浙江大學制冷與低溫研究所，浙江 杭州 310027）

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混合室直徑對帶噴射器的跨臨界CO2熱泵性能影響

魏晉，唐黎明，亓海明，陳琪，陳光明

（浙江大學制冷與低溫研究所，浙江 杭州 310027）

通過在跨臨界CO2系統(tǒng)中引入噴射器是回收系統(tǒng)節(jié)流損失的有效手段。實驗研究了混合室直徑分別為1.2、1.4、1.6 mm時，對帶噴射器的跨臨界CO2熱泵整體性能以及噴射器自身性能的影響。整個實驗中熱水進口溫度、蒸發(fā)溫度不變，熱水出口溫度作為比較基準，在實驗中為變量。結(jié)果表明，混合室直徑對壓縮機排氣溫度影響較小，而其對壓縮機排氣壓力影響較大，當混合室直徑為1.6 mm時，壓縮機排氣壓力最??；當混合室直徑為1.6 mm時，系統(tǒng)制熱系數(shù)最高。

二氧化碳；熱泵；回收；跨臨界；噴射器；混合室直徑；系統(tǒng)性能

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151268

Gay［3］于1931年在專利中首次提出了將噴射器應用于壓縮式制冷系統(tǒng)。1990年，Kornhauser［4］再次提出采用噴射器作為主要膨脹部件回收膨脹功，對多種工質(zhì)進行了理論計算，結(jié)論指出對于不同工質(zhì)COP的提升效果不盡相同。近年國內(nèi)外學者對帶噴射器的跨臨界CO2制冷/熱泵系統(tǒng)的研究［5-18］表明，在大多數(shù)情況下噴射器的引入可提高系統(tǒng)COP。研究主要集中在噴射器的加入對系統(tǒng)的性能的提高上，而對噴射器幾何結(jié)構(gòu)的研究較少。其中，Nakagawa等［6］實驗研究了噴射器不同混合室長度對有/無回熱器的跨臨界CO2系統(tǒng)性能的影響，實驗對比了5、15、25 mm 3種混合室長度。相較于無回熱器的傳統(tǒng)系統(tǒng)：15 mm長混合段的噴射器具有最高的噴射器效率和COP，最高可提升26%；但混合室為5 mm長的噴射器系統(tǒng)在沒有加入回熱器的情況下，最多可使COP下降10%。Banasiak等［7］研究了噴射器的幾何參數(shù)對帶噴射器的跨臨界CO2系統(tǒng)性能的影響，其理論和實驗研究結(jié)果都表明噴射器幾何尺寸的改變對系統(tǒng)性能影響顯著，最優(yōu)擴壓段張角在3°左右（實驗工況為5°），最優(yōu)混合段長度20～25 mm，最優(yōu)混合段直徑隨系統(tǒng)高壓改變而改變，壓力越高最優(yōu)直徑越大。

以上研究主要以CO2側(cè)參數(shù)（如CO2的蒸發(fā)溫度、排氣壓力、排氣溫度、氣冷器出口溫度等）為基準進行不同系統(tǒng)或者不同噴射器之間的比較。以換熱器外側(cè)參數(shù)（如空氣或水的進出口溫度、流量等）為基準，即實際變工況條件下，噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響尚未見報道。而此方面的研究，實質(zhì)是研究噴射器與系統(tǒng)整體的匹配程度，對噴射器在跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)中的設(shè)計與應用有著重要的指導意義。

對熱泵熱水器而言，熱水出口溫度是用戶的直接需求，在不同國家的規(guī)范中，對熱水出口溫度的規(guī)定也不盡相同，如我國的規(guī)范將其定為55℃［19］，美國為60℃［20］，日本為65℃［21］。因此整個實驗中在保持各組實驗熱水進口溫度、蒸發(fā)溫度不變的情況下，采用熱水出口溫度作為比較基準，充當變量，以模擬變工況條件。在實驗室可實現(xiàn)的工況下，研究了混合室直徑對帶噴射器的跨臨界CO2熱泵整體性能以及噴射器自身性能的影響。

1　實驗裝置和方法

1.1噴射器

噴射器在跨臨界CO2循環(huán)中過的工作原理可簡述為：CO2氣體經(jīng)氣冷器冷卻后作為工作流體進入噴射器，通過噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)化為動能，在噴嘴出口形成低壓，吸引由蒸發(fā)器出口流出的CO2氣體。兩股流體在圓柱形的混合室進行混合，初步升壓后進入漸擴的擴壓段，速度降低，壓力進一步升高，最終出口兩相流體壓力將高于蒸發(fā)壓力，進入氣液分離器。氣液分離器內(nèi)氣相進入壓縮機，液相經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后進入蒸發(fā)器，完成循環(huán)。本實驗中采用自行設(shè)計的固定尺寸噴射器，材料使用黃銅，結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1所示，其中，噴嘴喉部直徑為0.6 mm。其具體設(shè)計參數(shù)見表1。

圖1　噴射器結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1　Structure and physical dimension of ejector

表1　R噴射器的設(shè)計參數(shù)Table 1　Design parameter of ejector

本文中共研究了3個不同混合室直徑的噴射器，混合室直徑分別為1.6、1.4、1.2 mm。在研究混合室直徑對噴射器性能的影響時，應保證是同一個噴嘴，以減小誤差。為了便于清理噴射器內(nèi)部以及更換不同混合室尺寸的噴射器，故噴嘴和吸收室采用螺紋連接，其他部分連接均采用焊接。

評價噴射器性能的參數(shù)主要為噴射系數(shù)μ、升壓比Пeje和噴射器效率，其具體定義如下［20］

1.2實驗裝置

本實驗采用了大金公司生產(chǎn)的1YC30EXD型CO2擺動式變頻壓縮機，其額定功率為980 W，排氣量為3.7 cm3·r-1，轉(zhuǎn)速變化范圍為38～118 r·s-1。氣冷器端為水冷，采用套管式換熱器，內(nèi)管流體為冷卻水，即熱泵所制熱水，外管流體為CO2。蒸發(fā)器端采用量熱器的設(shè)計，內(nèi)充注R12，設(shè)有兩根最大功率為2.5 kW的電加熱器，蒸發(fā)器位于量熱器內(nèi)部。制冷劑管路上的閥門采用HOKE71系列球閥，節(jié)流閥采用HOKE16系列針閥。實驗裝置流程如圖2所示。

圖2　實驗裝置流程Fig.2　Schematic diagram of experimental rig 1—compressor； 2—gas cooler； 3—internal heat exchanger； 4—ejector；5—liquid-vapor separator； 6— metering valve； 7—electronic expansion valve； 8—evaporator； 9—water tank； 10—water pump； 11—ball valve；12—mass flow meter； 13—relief valve；F1， F2， F3， F4， E1， E2， E3， E4， E5，E6-ball valve

通過閥門E1、E2、E3、E4、E5、F1、F2、F3、F4的開閉，該實驗裝置可以實現(xiàn)在4種不同運行模式下的切換：常規(guī)跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)、帶回熱器的跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)、帶噴射器的跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)以及帶噴射器和回熱器的跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)。本實驗主要涉及帶噴射器的跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)。

1.3測量儀器

實驗過程中需要采集的參數(shù)有溫度、壓力、流量和功率，通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集與記錄。測量儀器采用Pt100鉑電阻測量量熱器內(nèi)部溫度，系統(tǒng)中其他的溫度均采用銅-康銅熱電偶測量；采用GE Druck PTX7517壓力傳感器測量壓力；采用上海儀川儀表廠的YC101E電磁流量計測量熱水的流量；采用青島青智儀器有限公司的ZW1403數(shù)字有功功率表測量壓縮機功率和量熱器中的加熱功率。實驗臺中測量工具的測量范圍和精度見表2。

表2　R測量設(shè)備的測量范圍和精度Table 2　Range and uncertainties of measurements

1.4實驗方法和工況

本實驗臺采用水側(cè)換熱量作為制熱量，其定義式如下

式中，cp，w為水的比定壓熱容，是溫度與壓力的函數(shù)，由于在本實驗溫度和壓力范圍內(nèi)其變化量很小，計算時采用熱水進出口平均溫度和標準大氣壓作為其溫度和壓力的參考值。

制熱系數(shù)定義如下

式中，P為輸入給壓縮機的總功率，由功率表直接測量，由于電機效率小于1，P值大于壓縮機實際軸功率。

實驗中工作流體與引射流體的質(zhì)量流量如下

實驗中通過調(diào)節(jié)熱水流量、量熱器的加熱量和節(jié)流閥開度來改變熱水出口溫度。不同的熱水溫度下，熱水進口溫度保持為25℃不變，蒸發(fā)溫度保持為-5℃不變。所研究的噴射器圓柱形混合室直徑分別為1.6、1.4、1.2 mm。

2　實驗結(jié)果與討論

2.1混合室直徑對跨臨界CO2熱泵性能影響

圖3、圖4分別為不同混合室直徑對壓縮機排氣壓力和排氣溫度的影響。隨著熱水溫度的升高，壓縮機排氣壓力升高，排氣溫度升高。這是由于熱水流量對壓縮機的排氣壓力和排氣溫度有直接影響，當熱水出口溫度升高時，熱水流量減小，則氣體冷卻器中的負荷減小，壓縮機的排氣壓力和排氣溫度均升高。

圖3　不同混合室直徑對排氣壓力的影響Fig.3　Compressor exhaust pressure at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

圖4　不同混合室直徑對排氣溫度的影響Fig.4　Compressor exhaust temperature at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

在獲得相同溫度的熱水時，3個不同混合室直徑的噴射器中，所在系統(tǒng)的壓縮機排氣溫度相差不大。而隨著混合室直徑的增大，壓縮機排氣壓力有先增大后減小的趨勢，1.6 mm混合室直徑的噴射器所在的系統(tǒng)排氣壓力最低。由此可知混合室直徑對排氣溫度的影響較小。而其對壓縮機排氣壓力的影響較大，且不是線性關(guān)系，存在一個混合室直徑使得在一定蒸發(fā)溫度和熱水出口溫度的條件下，壓縮機排氣壓力達到極大值。

圖5為不同混合室直徑對系統(tǒng)制熱系數(shù)的影響。隨著制取的熱水溫度的升高，系統(tǒng)制熱系數(shù)呈減小趨勢。從圖3、圖4中可知，當熱水溫度升高時，壓縮機的排氣壓力和排氣溫度均升高，而實驗中蒸發(fā)溫度保持不變，故隨著熱水出口溫度的升高，系統(tǒng)高低壓比（氣冷器壓力與蒸發(fā)壓力比值）升高，制熱系數(shù)減小。圖6為混合室直徑對壓縮機壓縮比的影響，由于噴射器的預壓縮作用，在系統(tǒng)高低壓比升高的情況下，壓縮機壓縮比幾乎維持不變，可見在系統(tǒng)高低壓比越大的情況下，引入噴射器對系統(tǒng)帶來的益處越明顯。

圖5　不同混合室直徑對制熱系數(shù)的影響Fig.5　Heating COP at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

圖6　不同混合室直徑對壓縮比的影響Fig.6　Compression ratio at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

當獲取相同溫度的熱水時，混合室直徑為1.6 mm的噴射器所在的系統(tǒng)制熱系數(shù)最高，對應的系統(tǒng)壓縮機的壓縮比最小。由此表明，混合室直徑對系統(tǒng)性能有較大影響。

2.2混合室直徑對噴射器性能影響

圖7、圖8分別為不同混合室直徑對噴射系數(shù)和升壓比的影響。隨著熱水溫度的升高，噴射器的噴射系數(shù)基本不變，升壓比明顯升高。這是因為，當排氣壓力升高排氣溫度不變時，相當于噴射器工作流體壓力升高，相同質(zhì)量流量的工作流體擁有更大的引射能力，故噴射系數(shù)升高，升壓比升高；而當排氣溫度升高時排氣壓力不變時，氣冷器出口CO2溫度也將升高，相當于工作流體干度增加，噴射器出口CO2的干度也增加，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時噴射器出口干度x=（1+μ）-1，因此噴射系數(shù)減小，引射流體的相對質(zhì)量減小，因此升壓比也升高。在實際運行時，壓縮機排氣壓力和溫度均隨著熱水溫度的升高而升高。由于上述原因，排氣壓力升高與排氣溫度升高對噴射系數(shù)的影響相互制約，故實驗中噴射系數(shù)基本不變。而排氣壓力升高與排氣溫度升高均可使升壓比升高，故實驗中升壓比升高。這也使得圖6中所示壓縮機壓縮比在系統(tǒng)高低壓比升高同時幾乎維持不變。

圖7　不同混合室直徑對噴射系數(shù)的影響Fig.7　Entrainment ratio at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

圖8　不同混合室直徑對升壓比的影響Fig.8　Pressure lift ratio at varying hot water outlet temperature with different mixing chamber diameter

對比3個不同混合室直徑的噴射器的性能，1.6 mm的噴射器噴射系數(shù)最高，1.4 mm的噴射器噴射系數(shù)最低；而升壓比受混合室直徑變化的影響較小，1.2 mm的噴射器升壓比最高，1.4 mm的噴射器升壓比最低。對比圖5可發(fā)現(xiàn)，在實驗中，系統(tǒng)制熱系數(shù)與噴射系數(shù)成正相關(guān)，而與升壓比相關(guān)性較小。

3　結(jié)　論

研究了在以熱水出口溫度為基準的變工況條件下，噴射器混合室直徑對帶噴射器的跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)性能和噴射器自身性能的影響，在設(shè)計用于跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的噴射器時，混合室直徑是影響噴射器與系統(tǒng)匹配程度的一個重要參數(shù)。

（1）混合室直徑對系統(tǒng)排氣溫度影響不明顯，而對系統(tǒng)排氣壓力有較大影響，當混合室直徑為1.6 mm時，壓縮機排氣壓力最小。

（2）混合室直徑對噴射系數(shù)的影響較大，對升壓比影響較小。

（3）混合室直徑對系統(tǒng)制熱系數(shù)的影響和其對排氣壓力的影響趨勢相反，當混合室直徑為1.6 mm時，制熱系數(shù)最大。

（4）在系統(tǒng)高低壓比越大的情況下，引入噴射器對系統(tǒng)帶來的益處越明顯。

符號說明

COP——性能系數(shù)，1

cp——比定壓熱容，J·kg-1·K-1

d——直徑，mm

h——比焓值，J·kg-1

m——質(zhì)量流量，kg·s-1

P——壓縮機功率，W

p——壓強，Pa

Q——換熱量，W

t——攝氏溫度，℃

μ——噴射系數(shù)

П——升壓比

下角標

eje——噴射器

ev——蒸發(fā)器

gc——氣體冷卻器

H——引射流體

h——制熱

in——進口

m ——混合室

out ——出口

P ——工作流體

w ——水

References

［1］ LORENTZEN G. The use of natural refrigerants： a complete solution to the CHC/HCFC predicament ［J］. International Journal of Refrigeration， 1995， 18（3）： 190-197.

［2］ ELBEL S. Historical and present developments of ejector refrigeration systems with emphasis on transcritical carbon dioxide air-conditioning applications ［J］. International Journal of Refrigeration， 2011， 34（7）： 1545-1561.

［3］ GAY N H. Refrigerating system： US1836318 ［P］. 1931-12-15.

［4］ KORNHAUSER A A. The use of an ejector as a refrigerant expander［C］// Proceeding of the USNC/IIR-Purdue 1990 Refrigeration Conference. Indiana， USA： Purdue University， 1990.

［5］ SARKAR J. Optimization of ejector-expansion transcritical CO2heat pump cycle ［J］. Energy， 2008， 33（9）： 1399-1406.

［6］ NAKAGAWA M， MARASIGAN A R， MATSUKAWA T， et al. Experimental investigation on the effect of mixing length on the performance of two-phase ejector for CO2refrigeration cycle with and without heat exchanger ［J］. International Journal of Refrigeration， 2011， 34（7）： 1604-1613.

［7］ BANASIAK K， HAFNER A， ANDRESEN T. Experimental and numerical investigation of the influence of the two-phase ejector geometry on the performance of the R744 heat pump ［J］. International Journal of Refrigeration， 2012， 35（6）： 1617-1625.

［8］ LEE J S， KIM M S， KIM M S. Experimental study on the improvement of CO2air conditioning system performance using an ejector ［J］. International Journal of Refrigeration， 2011， 34（7）：1614-1625.

［9］ XU X， CHEN G， TANG L， et al. Experimental evaluation of the effect of an internal heat exchanger on a transcritical CO2ejector system ［J］. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A， 2011， 12（2）：146-153.

［10］ LUCAS C， KOEHLER J. Experimental investigation of the COP improvement of a refrigeration cycle by use of an ejector ［J］. International Journal of Refrigeration， 2012， 35（6）： 1595-1603.

［11］ MINETTO S， BRIGNOLI R， BANASIAK K， et al. Performance assessment of an off-the-shelf R744 heat pump equipped with an ejector ［J］. Applied Thermal Engineering， 2013， 59（1）： 568-575.

［12］ LI D， GROLL E A. Transcritical CO2refrigeration cycle with ejector-expansion device ［J］. International Journal of Refrigeration，2005， 28（5）： 766-773.

［13］ DENG J， JIANG P， LU T， et al. Particular characteristics of transcritical CO2refrigeration cycle with an ejector ［J］. Applied Thermal Engineering， 2007， 27（2）： 381-388.

［14］ ELBEL S， HRNJAK P. Experimental validation of a prototype ejector designed to reduce throttling losses encountered in transcritical R744 system operation ［J］. International Journal of Refrigeration， 2008，31（3）： 411-422.

［15］ ZHANG Z， MA Y， Wang H， et al. Theoretical evaluation on effect of internal heat exchanger in ejector expansion transcritical CO2refrigeration cycle ［J］. Applied Thermal Engineering， 2013， 50（1）：932-938.

［16］ 徐肖肖， 陳光明， 唐黎明， 等. 帶噴射器的跨臨界CO2熱泵熱水器系統(tǒng)的實驗研究［J］. 西安交通大學學報， 2009， 43（11）：51-55. XU X X， CHEN G M， TANG L M， et al. Experiment on performance of transcritical CO2heat pump water heater system with ejector ［J］. Journal of Xi'an Jiaotong University， 2009， 43（1）： 51-55.

［17］ 唐黎明， 李濤， 呂宇捷， 等. 3種跨臨界二氧化碳熱泵熱水器系統(tǒng)的實驗研究［J］. 低溫工程， 2012， 189（5）：22-27. TANG L M， LI T， Lü Y J， et al. Experimental study on three types of transcritical carbon dioxide heat pump water heater systems ［J］. Cryogenics， 2012， 189（5）： 22-27.

［18］ 龔秀峰， 李敏霞， 馬一太， 等. 跨臨界CO2蒸氣壓縮/噴射制冷循環(huán)分析［J］. 工程熱物理學報， 2014， 35（12）：2343-2347. GONG X F， LI M X， MA Y T， et al. Thermodynamic analysis of a transcritical CO2vapor compression/ejection refrigeration cycle ［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2014， 35（12）： 2343-2347.

［19］ Heat pump water heater for household and similar applications： GB/T 23137 ［S］. 2008.

［20］ Performance rating of desuperhearter/water heaters： ANSI/AHRI 470［S］. 2006.

［21］ Residential heat pump water heaters： JIS C9220 ［S］. 2011.

Effect of mixing chamber diameter on performance of transcritical CO2heat pump system with ejector

WEI Jin， TANG Liming， QI Haiming， CHEN Qi， CHEN Guangming
（Institute of Refrigeration and Cryogenics， Zhejiang University， Hangzhou 310027， Zhejiang， China）

The use of ejectors is one of the most promising methods to recover the throttling loss of transcritical CO2heat pump systems. Experimental investigation on the effect of mixing chamber diameter on the performance of transcritical CO2heat pump system with ejector was carried out. The mixing chamber diameter was 1.2， 1.4 and 1.6 mm， respectively. The hot water inlet temperature， as well as the evaporating temperature was kept constant in all experiments. Hot water outlet temperature as a variable was chosen to be the comparison reference of the experiments. The results showed that the effect of the mixing chamber diameter on the compressor exhaust temperature was relatively small. However， the diameter has a significant effect on the compressor exhaust pressure. The system with 1.6 mm mixing chamber diameter had the lowest compressor exhaust pressure and the highest heating coefficient of performance （COP）. Moreover， for the performance of the ejector， the mixing chamber diameter had a greater effect on the entrainment ratio than the pressure lift ratio.

carbon dioxide； heat pump； recovery； transcritical； ejector； mixing chamber diameter； system performance

引　言

在面臨全球氣候變暖與臭氧層破壞等環(huán)境問題的大環(huán)境下，天然工質(zhì)CO2以其環(huán)境友好性、安全性和優(yōu)良的熱物理性質(zhì)，得到了廣泛關(guān)注，被認為是十分具有潛力的替代工質(zhì)［1］?？缗R界CO2熱泵循環(huán)的放熱過程存在較大的溫度滑移，相較亞臨界循環(huán)，其與水逆流換熱時換熱平均溫差較小，減少了由換熱溫差導致的不可逆損失，因此在制取熱水方面具有其獨特優(yōu)勢。由于傳統(tǒng)壓縮式跨臨界CO2循環(huán)中節(jié)流閥前后壓差較大，造成較大節(jié)流損失，如何減少由于節(jié)流造成的不可逆損失成為了研究的熱點。通過在跨臨界CO2系統(tǒng)中引入噴射器是回收該損失的有效手段之一［2］。

date： 2015-08-07.

CHEN Qi， zjuchenqi@zju.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China （51376156）.

TB 61

A

0438—1157（2016）05—1719—06

2015-08-07收到初稿，2016-01-06收到修改稿。

聯(lián)系人：陳琪。第一作者：魏晉（1991—），男，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（51376156）。