工况和喷嘴喉部直径对引射器及制冷系统性能的影响

孟丽丽，郭宪民，任立乾

（天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室，天津300134）

1 引言

CO2制冷系统主要用膨胀机和引射器作为膨胀装置的替代装置来回收高压工质的膨胀功。膨胀机具有较高的效率，但是其结构比较复杂，运动部件多，因此在制冷系统中常采用引射器代替膨胀阀，其具有两大优点：回收膨胀功 （增大系统COP）和闪蒸分流（减小了蒸发器体积），并且引射器的结构简单、没有运动部件、造价低，取得传统制冷循环无法达到的节能效果。

国内外学者对以CO2为工质的引射制冷系统做了大量理论研究和实验分析。M.Nakagawa［1］等人研究了引射器混合段长度对带回热器和不带回热器的CO2两相流引射制冷系统性能的影响，最优混合段长度使COP增加26%，而不合理的长度至少使得COP减少10%。Krzysztof Bannasiak［2］等人通过数值模拟和实验研究发现引射器性能主要依赖于混合段长度和直径，以及扩压室扩张角，实验得出的最优扩张角为5°，最优混合段长度和直径分别为30mm和3mm，另外，扩压室出口直径越大引射器性能越好，而数值计算结果，当扩压室角度大约为3°，混合段长度在20～25mm范围内取得最优性能。Fang Liu［3］等人通过实验研究了引射器几何尺寸和运行工况对系统性能的影响，引射比和COP随着喉部直径的减小而增加，当主喷嘴出口到恒截面混合段距离为混合段直径的3倍时制冷量和COP取得最大值。

本文在不同工况及不同引射器几何尺寸条件下对两段式跨临界CO2两相流引射制冷循环进行实验研究，分析了引射器几何参数对系统性能的影响，及气冷器出口温度、气冷器压力和蒸发温度对系性能的影响，并与拉法尔喷嘴的引射系统进行比较。

2 实验设备

CO2两相流引射循环制冷系统实验装置如图1所示，来自压缩机的高温高压超临界CO2在气冷器内冷却后经过回热器与来自蒸发器的低温低压CO2蒸汽换热，作为引射器的工作流体，在喷嘴内降压、膨胀，高速流出喷嘴，并引射主蒸发器出口的过热低压CO2蒸汽，两股流体在引射器混合室内进行动量和能量交换，经扩压室减速扩压后进入气液分离器，分离出的气相制冷剂经辅助蒸发器进入压缩机，而液相制冷剂流入主蒸发器，在主蒸发器内蒸发后作为二次流回到引射器。另外，调节喷针进入喷嘴深度来调节喷嘴喉部直径。

图1 跨临界CO2两相流引射制冷系统示意

本实验台通过远程控制进行实验的工况调节及数据采集，可以记录整个实验过程中的水温、水流量，CO2的压力、温度及流量等数值，同时可以记录实验过程的电力参数。由这些数值可以算出蒸发器水侧的温差、质量流量及系统的耗功等。通过计算水侧的换热量得出蒸发器的换热量，通过制冷剂的焓差和其质量流量算得制冷量，再根据压缩机的耗功，算出系统的COP，再通过被引射流质量流量与主引射流质量流量之比算出引射比。

图2 两段式喷嘴引射器简化结构结构

3 实验结果与讨论

3.1 两段式喷嘴引射器第一喉部流通面积的影响

本实验研究和分析了固定工况下两段式喷嘴第一喉部流通面积对引射器和系统性能的影响。实验工况为主喷嘴进口压力9.00MPa，气冷器出口温度43℃，蒸发温度6℃，实验中第一喉部流通面积分别取1.13 mm2、1.33mm2、1.54mm2、1.77mm2、2.01mm2和2.27mm2，第二喉部面积为1.54mm2，混合室直径为13.0mm。图3和图4分别为第一喉部流通面积对引射器引射比和系统COP的影响曲线。

图3 引射比随第一喉部流通面积的变化

图4 系统COP随第一喉部流通面积的变化

从图3、4中看到引射器的引射比随着第一喉部流通面积的增加先增大再减小，当第一喉部流通面积为1.54mm2时取得最大值为0.189，而系统COP随着第一喉部流通面积的增加在降低。这是因为随着第一喉部流通面积的增加，主引射流和被引射流的质量流量均增大，在第一喉部流通面积小于1.54mm2时被引射流质量流量增加的速率较主引射流的高，则引射比增大；而当第一喉部流通面积大于1.54mm2时，被引射流质量流量增速变小，因此引射比降低。在流通面积增加过程中系统中工质的质量流量在增加，因为实验过程中工况保持稳定，压缩机的压比保持定值，随着工质质量流量的增加压缩机耗功增加，因此系统的COP随着第一喉部流通面积的增加在降低。

3.2 气冷器出口压力的影响

分别选择拉法尔喷嘴引射器和实验中两段式喷嘴的两喉部流通面积均为1.54mm2，气冷器出口温度选定43℃，蒸发温度为6℃。引射器的引射比和系统性能随着气冷器出口压力的变化如图5、6所示。

图5 引射器引射比随着气冷器出口压力的变化

图6 系统COP随着气冷器出口压力的变化

图5为引射器引射比随着气冷器出口压力的变化曲线，拉法尔喷嘴引射器和两段式喷嘴引射器的引射比变化趋势一致，均随着气冷器出口压力的增加先增大后减小，拉法尔和两段式喷嘴引射器的引射比分别在8.50MPa和8.70MPa时取得最大值。从图5中可以看出两段式喷嘴引射器的引射比在实验工况范围内始终大于拉法尔喷嘴引射器，并且两段式喷嘴引射器取得的最大引射比相对于拉法尔喷嘴引射器的引射比增加了105.38%，因此采用两段式喷嘴极大地提高了引射器的性能。图6为使用两段式喷嘴引射器的制冷系统COP随着气冷器出口压力变化的曲线，随着气冷器出口压力的升高，主引射流的质量流量不断增大，并且本实验中保持蒸发温度不变，压缩机吸气压力也就一定，压缩机压比增大，因此压缩机耗功不断增加，虽然系统制冷量在增加，但其增速小于耗功的增速，则系统COP随着气冷器出口压力的升高在降低。

3.3 气冷器出口温度的影响

CO2的临界压力为73.77bar，临界温度为30.98℃，实验中所选择的气冷器出口工况点均位于跨临界区，因此气冷器出口处的温度和压力为互相独立的变量。本拉法尔喷嘴喉部流通面积为1.54mm2和两段式喷嘴，实验分析了拉法尔喷嘴引射器和两段式喷嘴引射器的性能和系统性能随着气冷器出口温度的变化，实验工况为气冷器出口压力9.00MPa，蒸发温度6℃，气冷器出口温度依次选择40℃、41℃、43℃、45℃。

图7 引射器引射比随着气冷器出口温度的变化

图7为引射器引射比随着气冷器出口温度变化的曲线，从图中看出拉法尔喷嘴引射器和两段式喷嘴引射器的引射比均随着气冷器出口温度的升高而增大，在实验工况范围内，两段式喷嘴引射器的最大值比拉法尔喷嘴引射器引射比的最大值增加了88.88%。实验结果表明随着气冷器出口温度的增加，主引射流的质量流量减小，被引射流的质量流量几乎不变，因此引射器的引射比增加。

3.4 蒸发温度的影响

为了研究蒸发温度对两段式喷嘴引射器性能和系统性能的影响，实验中选择使用两段式喷嘴两喉部均为1.54mm2的引射器，气冷器出口温度为43℃，出口压力为8.50MPa，蒸发温度依次选择3℃、4℃、6℃、8℃。

图8 引射器引射比随着蒸发温度的变化

从图8、9中可以看到引射器的引射比随着蒸发温度的升高先增加后减小，并在蒸发温度为4℃时取得最大值，为0.185，系统COP随着蒸发温度的升高而增大。随着蒸发温度的升高，系统制冷量增加，而压缩机耗功变化并不大，因此系统COP随着蒸发温度升高而增大。

图9 系统COP随着蒸发温度的变化

4 结语

本文对两段式喷嘴引射器和拉法尔喷嘴引射器的实验结果进行了分析研究，通过对比两段式喷嘴引射制冷系统性能和传统系统性能、两段式喷嘴引射器实验结果和模拟结果来探讨两段式喷嘴引射制冷系统的优劣以及引射器的性能，并得出如下结论。

（1）在固定工况条件下，两段式喷嘴引射器的引射比随着第一喉部流通面积的增加先增大再减小，而系统COP随着第一喉部流通面积的增加在降低。

（2）在引射器的几何尺寸确定的条件下，存在气冷器出口温度、压力和蒸发温度的最佳组合使得引射器的引射比达到最大值，并且实验结果表明两段式喷嘴引射器的引射比在变工况条件下比拉法尔喷嘴引射器的引射比大；两段式喷嘴引射器制冷系统的COP随着气冷器出口温度和压力的升高降低，随着蒸发温度的升高而升高。

（3）通过两段式喷嘴引射制冷系统和传统制冷系统性能的比较发现，两段式喷嘴引射制冷系统的性能在变工况条件下高于传统制冷系统性能。

（4）两段式喷嘴引射器的模拟结果和实验结果在变化趋势上基本保持一致，但存在一些相反趋势，并且模拟结果远大于实验结果，这是因为在模 拟中进行的假定与实际并不完全相符，以及实验过程中系统的波动等多因素造成的。

［1］M Nakagawa，A R Marasigan，T Matsukawa，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.

［2］Krzysztof Banasiak，Armin Hafner，Trond Andresen.Experimental and numerical investigation of the influence of the two－phase ejector geometry on the performance of the R744heat pump［J］.International Journal of Refrigeration，2012，35（6）：1617～1625.

［3］Fang Liu，Yong Li，Eckhard A.Groll.Performance enhancement of CO2air conditioner with a controllable ejector［J］.International Journal of Refrigeration，2012，35（6）：1604～1616.