采用两段式引射器的跨临界CO2两相流制冷系统性能的数值模拟

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)

随着国内经济持续快速发展，尤其是进入21世纪后，能源需求快速增长，能源短缺问题已经成为限制我国经济、社会可持续发展的重要因素。在制冷行业中进行节能减排具有十分重要的意义，而国内外学者研究结果得出，在R134a制冷系统中，当节流损失被有效的减小之后，系统的COP可提高24%左右，在跨临界CO2制冷系统中，运行压力较高，节流损失就更大，对膨胀功回收的研究就具有更加重大的意义［1］。目前研究中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，对环境要求相对严格，而且工作在两相区可能对设备安全构成威胁，若要在CO2制冷系统中应用还有许多技术难题需要解决，另外，膨胀机的造价和维护费用较高，因此在小型制冷系统中使用膨胀机，从经济角度考虑也不够合理［1］;而在制冷系统中采用引射器代替膨胀阀具有两大优点:回收膨胀功(增大系统COP)和闪蒸分流(减小了蒸发器体积)［2］，并且，引射器的结构简单、没有运动部件、造价低、基本不需要维护、工质的流量控制更简单，和采用膨胀机的制冷系统相比具有独特优势，更容易达到实用化，预期能够使制冷系统的性能得到大幅度提高，取得传统制冷循环无法达到的节能效果［3］。

2 CO2两相流制冷系统

图1 跨临界CO2两相流引射制冷系统示意图Fig.1 Diagram of transcritical CO2 two phase flow ejector refrigeration system

本文所用系统见图1，系统中主要包含CO2压缩机、油分离器、气冷器、引射器、节流阀、气液分离器、集液器、回热器、主蒸发器、辅助蒸发器等部件。气液分离器和集液器分别是为引射制冷循环和传统制冷循环而设置，辅助蒸发器的设置是为了保证进入压缩机的工质为气态，防止因为液体进入压缩机而造成的系统不稳定，并且扩大了系统运行范围。本文应用ANSYSCFX软件对两相流引射器内部工质的流动过程和热力学过程进行了模拟分析。分析对比了不同几何尺寸引射器在相同工况下以及相同几何尺寸引射器在不同工况下引射器内部工质的速度场、压力场以及温度场，经过对比研究总结出影响引射器性能的几何参数和最优工况，表1为引射器两段式喷嘴尺寸表。

表1 两段式喷嘴结构尺寸Table 1 Geometrical parameters of dual-throat nozzle

3 模拟结果分析

3.1 喷嘴第一喉部流通面积对两段式喷嘴引射器性能的影响

引射器主喷嘴选用第二喉部流通面积为1.54 mm2，第一喉部最大流通面积为3.46 mm2的可调式喷嘴，模拟工况为气冷器出口温度43℃，进口压力9.00 MPa，出口压力4.09 MPa，吸气压力4.07 MPa，吸气温度18℃。图2为引射比随喷嘴第一喉部流通面积的变化情况，图3～6分别为引射器的物理模型及引射器内压力云图的模拟结果。

图2 引射比随喷嘴第一喉部流通面积的变化Fig.2 Variation of entrainment ratio with cross-section area of the first nozzle throat

从图2可以看到当第一喉部流通面积从1.13～1.54 mm2变化过程中引射器的引射比增大，且变化幅度较大，而当第一喉部流通面积继续增大，引射器的引射比降低，但是变化相对较平缓，引射器的引射比在第一喉部流通面积为1.54 mm2时取得了最大值。这是因为随着引射器喷嘴第一喉部流通面积的变化喷嘴内激波产生位置发生了变化造成了引射比的变化，因此采用合适的喉部流通面积能够提高引射器的性能。

图3 两段式喷嘴引射器物理模型Fig.3 Physical model of the dual-throat nozzle ejector

图4 使用两段式喷嘴的引射器内部工质速度分布图Fig.4 Diagram of veloctor in ejector with the dual-throat nozzle

图5 使用两段式喷嘴的引射器内部流线图Fig.5 Velocity streamline diagram in ejector with the dual-throat nozzle

图6 使用两段式喷嘴的引射器内部工质压力分布图Fig.6 Diagram of pressure contour in ejector with the dual-throat nozzle

3.2 气冷器出口温度对引射器性能的影响

CO2在超临界状态下温度和压力是相互独立的两个状态量，因此本节研究了在固定主喷嘴进口压力的条件下，气冷器出口温度对引射器性能的影响。两段式喷嘴引射器选择第一喉部和第二喉部均为1.54 mm2的主喷嘴，混合室直径为 13.0 mm，模拟工况为主喷嘴进口压力9.00 MPa，蒸发温度为6℃，被引射流温度18℃。

图7为气冷器出口温度对两段式喷嘴引射器沿轴向方向压力分布的影响图示。从图中可以看到，在模拟工况下工质均在喷嘴扩张段最终完成膨胀过程，但由于背压较大，在喷嘴扩张段产生了压力激增，即出现了激波，激波的产生和位置均对引射器性能和系统性能造成了很大影响。图8为喷嘴引射器的引射比随着气冷器出口温度变化的曲线。由图中可以看到引射比随着主喷嘴进口温度的变化趋势不同。模拟过程中假设模型壁面是绝热的，随着喷嘴进口温度的升高主引射流的比焓增加，因此经过喷嘴后工质在喷嘴出口处的速度增大，被引射流是靠主引射流的高速流动形成的卷吸作用而被引射的，理论上当主喷嘴出口速度升高或降低则引射比也会相应升高或降低，但是根据模拟结果发现引射比和喷嘴出口速度随着主引射流温度的升高呈现不同的趋势，却和激波产生的位置具有相似的趋势，这是由于激波对引射器引射比的影响要远大于喷嘴出口工质流速对引射器引射比的影响。对选定工况模拟的结果分析，拉法尔喷嘴引射器的引射比在气冷器出口温度为41℃时取得最大值，两段式喷嘴引射器的引射比在气冷器出口温度为43℃时取得最大值，分别为1.36和 2.23。

图7 气冷器出口温度对两段式喷嘴引射器轴向压力分布的影响Fig.7 Influence of gas cooler outlet temperature on axial pressure distribution of dual-throat nozzle ejector

图8 气冷器出口温度对引射器引射比的影响Fig.8 Influence of gas cooler outlet temperature on entrainment ratio of ejector

3.3 蒸发温度对两段式喷嘴引射器性能的影响

图9为在气冷器口温度为43℃，主喷嘴进口压力分别为8.50 MPa和9.00 MPa工况下两段式喷嘴引射器引射比随蒸发温度的变化曲线。从图中可以看出随着蒸发温度的升高，引射器的引射比在降低，并且主喷嘴进口压力为8.50 MPa时引射比开始降低的速度很快，然后变化趋于平缓，而在9.00 MPa工况下，引射比变化相对较小。

图9 蒸发温度对两段式喷嘴引射器性能影响Fig.9 Influence of evaporating temperature on performance of dual-throat nozzle ejector

4 结论

本文介绍了使用ANSYS CFX软件分别对拉法尔喷嘴引射器和两段式喷嘴引射器的数值计算结果，并分析了对引射器性能产生影响的几个因素。

1.通过在定工况下对两段式喷嘴引射器不同第一喉部流通面积的引射器内部工质流动的数值计算，得出了喷嘴的最佳第一喉部流通面积为1.54 mm2，第一喉部流通面积对喷嘴内激波产生位置也具有一定的影响。

2.对于定几何尺寸的引射器，分别分析了主喷嘴进口压力、温度和蒸发温度对引射器性能的影响。通过对比发现在模拟工况范围内两段式喷嘴引射器的性能总是高于拉法尔喷嘴引射器的性能;拉法尔喷嘴引射器和两段式喷嘴引射器随不同工况参数变化的趋势总是一致的。

［1］王亚静，郭宪民，刘川.两相流引射循环制冷系统性能的研究进展［C］∥第四届中国冷冻冷藏新技术、新设备研讨会.北京:中国制冷空调工业协会，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.