跨臨界CO2 噴射器系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)技術(shù)綜述

宗 碩，宋昱龍，曹 鋒

（西安交通大學(xué)，西安 710049）

0 引言

制冷技術(shù)的應(yīng)用與人們的生活密不可分，隨著國際社會(huì)對(duì)于環(huán)境問題的愈加重視，環(huán)境友好型制冷劑逐漸被各國政府以及科研機(jī)構(gòu)重視起來，而CO2作為自然工質(zhì)制冷劑是其中非常重要的一部分。CO2是惰性氣體，有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和安全性；CO2有良好的環(huán)保性能，使用其作制冷劑對(duì)于環(huán)境無任何污染；CO2不可燃，在高溫高壓的條件下也不會(huì)分解出有害氣體；CO2對(duì)于全球變暖潛力指數(shù)GWP 為1；CO2可從大氣中提取，不需工業(yè)合成［1］。

前國際制冷學(xué)會(huì)主席LORENTZEN 倡導(dǎo)推廣自然工質(zhì)制冷劑，并提出現(xiàn)代跨臨界CO2熱泵循環(huán)系統(tǒng)，使得CO2制冷裝置再次成為全球各國研究的重點(diǎn)［2］。為使跨臨界系統(tǒng)的能效得到提升，不僅需要關(guān)注氣體在冷卻器中的換熱特性，還要同時(shí)考慮氣體的節(jié)流過程。在節(jié)流過程中，氣體在節(jié)流前后壓差較大，會(huì)造成大量的膨脹功損失。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，通過對(duì)系統(tǒng)部件的優(yōu)化可以降低節(jié)流過程中的?損失，并對(duì)跨臨界系統(tǒng)的性能有較大提升［3］。

為降低循環(huán)過程中的節(jié)流損失，常用方法是回收膨脹功。在跨臨界CO2循環(huán)中主要有2 種方法回收膨脹功，一是使用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥，二是使用噴射器代替節(jié)流閥［4］。當(dāng)使用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥作為主要膨脹元件時(shí)，可以很大程度回收系統(tǒng)膨脹功，但其也有較為明顯的缺點(diǎn)，由于CO2在膨脹時(shí)會(huì)發(fā)生相變，這對(duì)于膨脹機(jī)的工藝要求比較高，同時(shí)提高了膨脹機(jī)的制造成本，因此膨脹機(jī)代替節(jié)流閥的方法經(jīng)濟(jì)性較差［5］。噴射器的結(jié)構(gòu)比較簡單，制造成本較低，且無復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)部件，因此能夠在小型CO2系統(tǒng)中得到良好的應(yīng)用。使用噴射器代替節(jié)流閥不僅可以減少系統(tǒng)中的不可逆損失，而且能提升壓縮機(jī)的吸氣壓力，從而降低壓縮機(jī)功耗［6］。CO2制冷系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)中噴射器的應(yīng)用已被全面地研究，通過對(duì)加入噴射器的制冷、熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)和理論研究來進(jìn)行噴射器優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而研究系統(tǒng)的應(yīng)用前景與節(jié)能效果，這對(duì)于噴射器在制冷系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用推廣具有重要意義［7］。

本文主要介紹了跨臨界CO2噴射器系統(tǒng)的運(yùn)行特性，針對(duì)噴射器變工況性能較差的問題，根據(jù)多年來學(xué)者們的研究成果，介紹了其中常用的幾種噴射器變工況優(yōu)化調(diào)節(jié)方法，最后對(duì)比總結(jié)了3 種不同的調(diào)節(jié)方式。

1 跨臨界CO2 噴射器系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)的亞臨界循環(huán)過程可簡要描述如下：高壓制冷劑經(jīng)過放熱冷卻之后進(jìn)入節(jié)流閥，在節(jié)流閥中完成等焓節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中由亞臨界狀態(tài)吸熱蒸發(fā)，并相變成為氣體，而后進(jìn)入壓縮機(jī)并被壓縮至高溫高壓。跨臨界CO2壓縮式制冷循環(huán)［8］與上述亞臨界循環(huán)近似，但也有一些不同之處，經(jīng)過壓縮過程的高溫高壓CO2的壓力大于CO2的臨界壓力，之后在超臨界狀態(tài)進(jìn)行降溫冷卻，在降溫過程中CO2不再會(huì)相變冷凝［9］。在跨臨界CO2壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)中加入噴射器［10］以后，系統(tǒng)的循環(huán)原理如圖1 所示。

圖1 帶噴射器的跨臨界CO2 熱泵系統(tǒng)的循環(huán)原理Fig.1 Circulation principle diagram of transcritical CO2 heat pump system with ejector

如圖2 所示，噴射器的結(jié)構(gòu)［11］主要包含4 部分，即接受室、混合室、工作噴嘴和擴(kuò)壓室。當(dāng)噴射器在跨臨界CO2制冷、熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，其工作原理可介紹如下：高壓的CO2從氣體冷卻器的出口流出并進(jìn)入噴射器，先是經(jīng)過漸縮-漸擴(kuò)噴嘴，在此過程中，CO2的壓力能逐漸轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，流體速度也提高到超音速，噴嘴內(nèi)流體的壓力也快速降低，導(dǎo)致接受室產(chǎn)生局部低壓，進(jìn)而引射蒸發(fā)器的CO2流入噴射器。上述兩部分CO2在接受室逐漸進(jìn)行混合，流入混合室之后流體的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，流速變慢壓力升高，最后得到的混合流體的壓力大于引射流體，小于工作流體［12］。

圖2 噴射器原理Fig.2 Schematic diagram of ejector

在CO2制冷/熱泵系統(tǒng)中，節(jié)流閥的膨脹作用被噴射器中的工作噴嘴所取代，流體在節(jié)流閥中等焓節(jié)流會(huì)造成較大的不可逆損失，而在噴射器中不可逆損失減少，并將部分不可逆損失通過噴射器的引射作用轉(zhuǎn)化為流體的壓力能，從而提升了膨脹功的回收效果。

1.2 系統(tǒng)熱力學(xué)分析

為了更清晰地表現(xiàn)出傳統(tǒng)熱泵循環(huán)系統(tǒng)和加入了噴射器的循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)，圖3 示出了2 套系統(tǒng)對(duì)比壓焓。不帶噴射器的循環(huán)為A-B-C-D-E-A，數(shù)字標(biāo)注點(diǎn)（1-2-3-4-5-6-1，1-2-3-4-5-6-7-8-9-4''-5-6-1）為加入噴射器后的熱泵系統(tǒng)［13］。

圖3 噴射器系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)壓焓對(duì)比Fig.3 Comparison of pressure enthalpy diagram between ejector system and traditional heat pump system

對(duì)于噴射器的3 個(gè)主要組成部分：接受室、混合室和擴(kuò)壓室，在系統(tǒng)中的熱力學(xué)計(jì)算方法如下［14］。

（1）接受室

噴射器入口的工作流體等熵變化流過噴嘴降壓，同時(shí)速度大幅度增加。4 點(diǎn)的狀態(tài)如下：

（2）混合室

混合室內(nèi)的CO2流體由于前后有進(jìn)有出在一定的空間流動(dòng)，因此符合以下方程，可以得到5點(diǎn)的參數(shù)：

動(dòng)量守恒：

（3）擴(kuò)壓室CO2流體最后進(jìn)入擴(kuò)壓室，其過程近似看成等熵過程。

單獨(dú)看噴射器，對(duì)其應(yīng)用能量守恒方程，6 點(diǎn)的如下：

1.3 噴射器變工況調(diào)節(jié)必要性

跨臨界CO2壓縮式制冷循環(huán)中，噴射器的參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)性能的改善效果會(huì)產(chǎn)生較大的影響，使用不合適的噴射器反而降低系統(tǒng)性能。調(diào)整噴嘴的喉部面積會(huì)對(duì)噴射器的性能產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響系統(tǒng)的性能，除此之外，噴射器的其他幾何參數(shù)也會(huì)影響系統(tǒng)的工作效率。單一且無法調(diào)節(jié)的噴射器很難在變工況條件下達(dá)到較高的效率，因此，系統(tǒng)通常需要對(duì)噴射器的幾何結(jié)構(gòu)、噴嘴喉部面積和噴射器的組合使用做出調(diào)整。

2 噴射器調(diào)節(jié)方法

優(yōu)化噴射器運(yùn)行性能主要有以下幾種方法，通過改變噴嘴幾何結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)、通過調(diào)節(jié)喉部面積調(diào)節(jié)、通過多噴射器組合使用調(diào)節(jié)。

2.1 改變噴嘴幾何結(jié)構(gòu)

YANG 等［15］采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，研究了不同噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)蒸汽噴射器性能的影響。比較了錐形、橢圓形、方形、矩形和十字形5 種不同噴嘴結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射器在相同條件下的性能。特征噴嘴尺寸如圖4 所示。

圖4 特征噴嘴尺寸Fig.4 Characteristic nozzle size

幾種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴幾何參數(shù)見表1。

表1 噴嘴幾何參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of nozzle geometry parameters

結(jié)果表明，矩形噴嘴的引射比和臨界背壓分別降低了7.1%和21.3%，橢圓噴嘴的引射比和臨界背壓分別降低了7.9%和21.3%，方形噴嘴的引射比提高了2.0%和21.3%降低CBP 2.1%，十字型噴嘴引射器的ER（Entrainment Ratio，引射率）和CBP（Critical Back Pressure，臨界背壓）分別提高9.1%和6.4%。通過對(duì)混合室中的流向渦和展向渦分布以及沿流向距離的內(nèi)能變化的模擬，闡明了混合過程的特點(diǎn)和影響噴射器性能變化的主要因素。由于流向渦和展向渦之間的相互作用，可以通過有效混合實(shí)現(xiàn)ER 的增加。流向渦有助于變形和破壞強(qiáng)度更大的展向渦。渦流對(duì)混合室壁的早期碰撞會(huì)增加機(jī)械能損失，減小二次流通過的“有效面積”，導(dǎo)致內(nèi)燃和CBP的大幅度降低。在噴嘴的設(shè)計(jì)中應(yīng)避免這種情況。

2.2 可調(diào)喉部面積噴射器

HE 等［16］對(duì)提高跨臨界CO2噴射器制冷系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過使用可調(diào)噴嘴喉面積噴射器如圖5 所示，使用控制器實(shí)時(shí)跟蹤最佳氣體冷卻器壓力，并使用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型對(duì)系統(tǒng)性能和噴射器效率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，然后分別通過計(jì)算確定跟蹤器和預(yù)測器的參數(shù)。此外，該控制器在可變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下也具有良好的適用性，即使在變工況條件下，控制器也會(huì)將系統(tǒng)性能提高至最大值。

圖5 可調(diào)喉部面積噴射器原理Fig.5 Schematic diagram of adjustable throat area ejector

LIU 等［17］研究了在變工況和變頻率下，采用可控噴射器的跨臨界CO2空調(diào)器的性能改進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，用噴射膨脹裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膨脹閥如圖6 所示，可以提高CO2空調(diào)系統(tǒng)的COP。動(dòng)力噴嘴喉部直徑減小可以使COP 增加60%。此外，當(dāng)動(dòng)力噴嘴出口到混合段入口的距離是混合段直徑的3 倍時(shí)，COP 達(dá)到最大值。

圖6 可控噴射膨脹裝置示意Fig.6 Schematic diagram of controllable injection expansion device

CHEN 等［18］從熱力學(xué)過程和氣體動(dòng)力學(xué)方程出發(fā)，通過與混合壓力的耦合，建立了噴射器模型，同時(shí)預(yù)測了最佳COP 和卷吸比以及相應(yīng)的噴射面積比。選取文獻(xiàn)中的2 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。卷吸比隨發(fā)生器溫度和蒸發(fā)器溫度的升高而增大，冷凝器溫度的升高導(dǎo)致卷吸比逐漸減小而不是急劇下降。噴射式制冷系統(tǒng)在不同的工作條件下，需要調(diào)整噴射器面積比以保持最佳性能［19］。卷吸比、面積比和混合壓力對(duì)冷凝器條件的變化最為敏感。噴射效率是本模型中的關(guān)鍵參數(shù)，它可以導(dǎo)致引射比的顯著變化。噴嘴和混合效率對(duì)面積比的影響大于擴(kuò)散器效率。然而，對(duì)于混合壓力，它對(duì)擴(kuò)散器效率的變化最為敏感。研究這些效率是最重要的。變幾何噴射器在獲得最佳性能和拓寬工作條件方面發(fā)揮著重要作用。

ELBEL 等［20］通過試驗(yàn)證明，與傳統(tǒng)的帶膨脹閥的跨臨界R744 系統(tǒng)一樣，噴射器中集成的高壓側(cè)壓力控制可以最大限度地提高系統(tǒng)性能。數(shù)值模擬結(jié)果也與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。針對(duì)噴射器喉部壓力測量的困難，提出了一種更為實(shí)用的性能指標(biāo)來量化噴射器的整體效率。根據(jù)這個(gè)定義，原型噴射器能夠恢復(fù)高達(dá)14.5%的節(jié)流損失。通過使用閥針減小噴射器中的動(dòng)噴嘴喉部面積，如圖7 所示。COP 隨著高壓側(cè)壓力的增加而增加。此外，該原型的集成高壓側(cè)壓力控制被成功地用于最大化跨臨界R744 噴射系統(tǒng)的COP，非常類似于帶膨脹閥的常規(guī)系統(tǒng)。

圖7 帶閥針的模塊化噴射器剖視圖Fig.7 Sectional view of modular injector with valve needle

研究結(jié)果還表明，最佳工作點(diǎn)的選擇并不意味著噴射器的最大效率和最大制冷量。將最優(yōu)控制器應(yīng)用于試驗(yàn)系統(tǒng)中，實(shí)際取得了系統(tǒng)性能的改善。然而，在不同的工作條件下，如不同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)的性能有很大的差異。

2.3 多噴射器組合的方法

BANASIAK 等［21］對(duì)使用3 個(gè)并聯(lián)噴射器和1 個(gè)并聯(lián)膨脹閥用于高壓端壓力控制的CO2系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究。多噴射器組合如圖8 所示，旨在替代標(biāo)準(zhǔn)高壓電子膨脹閥（HPV），經(jīng)過設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和制造，確定4 個(gè)不同的噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)控并行壓縮R744 系統(tǒng)的特性。在提供的可操作范圍內(nèi)，噴射器效率超過0.3［22］。

圖8 多噴射器組合原理Fig.8 Schematic diagram of multi-injector combination

HAFNER 等［22］利用基于Modelica/Dymola的仿真工具TIL-Suite，分別建立了2 個(gè)超市制冷系統(tǒng)（有噴射器和無噴射器）忽略低溫柜的仿真模型如圖9，10 所示?？紤]了一個(gè)帶有閃蒸氣體旁路和熱回收的參考增壓系統(tǒng)和一個(gè)具有多噴射器概念的類似系統(tǒng)，并基于環(huán)境溫度和冷負(fù)荷的變化設(shè)計(jì)了多噴射仿真系統(tǒng)。對(duì)于幾乎所有研究的邊界條件，與參考系統(tǒng)相比，多噴射系統(tǒng)在冷卻和加熱模式下的COP 均顯著增加。COP 的提高在很大程度上取決于系統(tǒng)的控制策略。在夏季，雅典、法蘭克福和特隆赫姆的典型COP 增加量分別為17%，16%和5%。

圖9 用于超市R744 制冷機(jī)組膨脹功回收的新型多噴射器組件的示意Fig.9 Schematic diagram of a new type of multi-ejector assembly used for expansion work recovery of R744 refrigeration units in supermarkets

圖10 超級(jí)市場多噴射R-744 制冷供暖系統(tǒng)電路Fig.10 Circuit diagram of multi-injection R-744 cooling and heating system in supermarket

圖11 可調(diào)喉部面積噴射器與多噴射器組合方法調(diào)控對(duì)比Fig.11 The control comparison between the adjustable throat area ejector and the multi-injector combination method

SMOLKA 等［23］對(duì)多噴射器組合和可調(diào)喉部面積噴射器兩種控制質(zhì)量流量方式的CO2噴射制冷系統(tǒng)進(jìn)行了理論對(duì)比分析。在相同的典型跨臨界參數(shù)下，采用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)證的均勻平衡模型（HEM）對(duì)器件的性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)于固定幾何噴射器，模擬了不同尺寸器件的性能，并與相應(yīng)的可控幾何噴射器在不同針孔位置的性能進(jìn)行了比較。對(duì)于這兩種噴射器，給出并討論了質(zhì)量流量函數(shù)的整體效率，結(jié)果表明，在整個(gè)工作條件范圍內(nèi)，每種固定幾何形狀的噴射器結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出較高的效率。在可控幾何噴射器的情況下，當(dāng)動(dòng)力噴嘴喉部面積減少約35%時(shí)，效率更高，之后效率逐漸降低。

GULLO 等［24］調(diào)研發(fā)現(xiàn)，多噴射器概念的發(fā)展有助于鞏固商用跨臨界CO2制冷系統(tǒng)在任何氣候條件下作為HFCs 市場準(zhǔn)備替代品的地位。此外，它們的可靠性和可行性已經(jīng)通過相關(guān)的安裝數(shù)量得到了廣泛的證明，且對(duì)實(shí)際能耗進(jìn)行了監(jiān)測和報(bào)告。然而，由于以下原因，許多零售商仍然不愿意將R744 作為超市的唯一制冷劑：存在著非技術(shù)壁壘，比如決策層對(duì)目前可用技術(shù)認(rèn)識(shí)不完全；可用的現(xiàn)場測量和經(jīng)濟(jì)評(píng)估數(shù)量有限，特別是關(guān)于最新提議的解決方案。此外，多噴射器概念是高能耗建筑中推廣跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵。然而，多噴射器并聯(lián)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)在這一領(lǐng)域尚處于早期發(fā)展階段。

3 對(duì)比與分析

在更換噴嘴結(jié)構(gòu)方法中，YANG 等［15］得出如下結(jié)論：噴射器性能的提高可能是由于混合程度高，而混合程度高可以通過增加出口周長和特殊幾何形狀來實(shí)現(xiàn)。較長的邊緣可以增加兩個(gè)流動(dòng)之間的接觸面積和混合剪切層，從而產(chǎn)生更大的展向渦；特殊的幾何形狀如十字形噴嘴的卷曲后緣，可以認(rèn)為是產(chǎn)生與展向渦相互作用的強(qiáng)流向渦以增強(qiáng)共流流之間的混合的一種特殊方法?！坝行娣e”的減小會(huì)降低二次流，導(dǎo)致ER 值降低。由于噴嘴摩擦、粘性耗散和流向渦的產(chǎn)生，內(nèi)燃率越大，一次流減小，機(jī)械能損失越大，CBP 越低。在一次流體與混合室壁的碰撞、摩擦和混合室壁的擾動(dòng)、橢圓和矩形噴嘴的噴射器的混合中也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械能損失［25］。噴射器噴嘴的設(shè)計(jì)應(yīng)避免這種情況。高水平的混合通常會(huì)導(dǎo)致較高的機(jī)械能損失和CBP 降低，從而增加ER。因此，在ER和CBP 之間需要一種折衷方案，通過新的結(jié)構(gòu)來突破折衷方案是非常有意義的。

在多噴射器組合調(diào)節(jié)方法中，每一個(gè)單獨(dú)的噴射器都有確定的幾何參數(shù)，在各自的適用工況范圍內(nèi)有著很高的效率，并能持續(xù)在系統(tǒng)中穩(wěn)定工作，這說明根據(jù)變工況條件設(shè)計(jì)良好的多噴射器組合系統(tǒng)也能達(dá)到較高的效率［26］。丹佛斯設(shè)計(jì)的電控跨臨界多聯(lián)噴射器能夠應(yīng)用于熱帶、溫帶氣候的商超領(lǐng)域，可以為氣候較為溫暖的區(qū)域的超市提供20%以上的能源節(jié)約，且尤其適用于高溫環(huán)境。

在可調(diào)喉部面積噴射器中，采用錐形針頭調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)噴管的喉部面積，考慮了兩種可控幾何噴射器［27］的設(shè)計(jì)，即具有縮放噴管和漸縮噴管的單元。在縮放噴管和喉部面積降低的情況下，該噴管與固定幾何形狀噴管具有相同的效率水平。此外，在大多數(shù)情況下，當(dāng)動(dòng)力噴管喉部降低約35%時(shí)，效率比固定幾何形狀噴管高25%。然而，很難明確地確定所有操作條件下閥針位置。此外，進(jìn)一步減小喉部面積導(dǎo)致效率迅速下降，最終導(dǎo)致零吸入流量。雖然采用漸縮噴嘴的設(shè)計(jì)在喉部面積較大時(shí)效率略有提高，但喉部面積的進(jìn)一步縮減導(dǎo)致效率降低很快［28］。在分析的操作條件下，很難預(yù)測能產(chǎn)生合理噴射效率的針頭位置。

表2 兩主要調(diào)節(jié)方式對(duì)比Tab.2 Comparison of two main adjustment methods

4 結(jié)語

不同噴嘴結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射器在相同條件下的性能差異比較大。而對(duì)于不同的調(diào)節(jié)方法，可調(diào)喉部面積噴射器可以在不同的工況條件下通過指針對(duì)噴射器進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，進(jìn)而改善系統(tǒng)的性能，但由于指針占有體積，會(huì)在一定程度上降低噴射器的效率，該調(diào)節(jié)方法對(duì)于控制系統(tǒng)也有較高的要求，需要進(jìn)一步研究。多噴射器組合的方法能保證每一個(gè)噴射器都有很高的工作效率，進(jìn)而提升整個(gè)系統(tǒng)的性能，且該方法依靠簡易的控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于大范圍工況的調(diào)節(jié)，目前已有實(shí)際產(chǎn)品和應(yīng)用［29］。