利用喷射提高跨临界二氧化碳系统的性能

    符号表

    s  比熵,J/(kg•K)

    p压力,Pa

    m质量流量kg/s

    v比容,m³/kg

    ρ密度,kg/m³

    w喷射系数

    ηmb工作流膨胀效率

    ηc压缩机绝热效率

    h比焓,J/kg

    u速度,m/s

    T温度,℃

    A截面面积,m²

    x干度

    εCOP性能系数

    ηsb引射流膨胀效率

    ηd扩压段效率

    下标

    is等熵过程

    gc气体冷却器

    gc,o气体冷却器出口处

    e蒸发器

    sh过热度

    eje蒸气/压缩喷射循环

    com简单蒸气压缩循环

    氟利昂工质的替代是环保中的重要问题.近年来,自然工质的使用正重新受到重视,其中对跨临界CO₂系统的研究正逐渐成为国内外研究的热点.跨临界CO₂系统的高压侧压力在10 MPa左右,低压侧压力在3~4 MPa,通过节流元件的压差约达7 MPa,节流损失极大.因此,如何减少节流损失,成为提高跨临界CO₂系统性能的关键.目前,提出的解决方案主要有膨胀机[1]和喷射器[2,3]两种.膨胀机通过与压缩机相连的轴来助推压缩机,以回收膨胀能,因此它同压缩机的体积流量很难独立控制,并且其成本较高,一般用于大型CO₂制冷系统.喷射器是一种非容积型的节流机构,它将工作流的膨胀能转换成动能,再将动能转换成制冷剂的加压能回收.与膨胀机相比,它具有结构简单、成本低、无运动部件、冷媒流量容易控制等优点.文献[2]将喷射器用于超临界CO₂循 环,并分析了喷射系数对系统性能的影响.文献[3]提出当工作流流量同扩压段出口蒸气流流量相等时,系统性能系数最大.但是,以上文献均未对系统稳定运行 时的性能进行分析.本文通过建立喷射器的数学模型,分析了系统稳定运行的条件,并讨论了蒸发温度、气体冷却器内压力及其出口温度、过热度等因素对系统性能 的影响.

    1 工作原理

    图1为蒸气压缩/喷射循环的工作原理图,图2为蒸气压缩/喷射循环的pOh图,其中状态点1~10与图1中的位置1~10相对应,超临界CO2经过气体冷 却器冷却后流入主喷嘴变为低压高速流体,从而吸引蒸发器中的低压冷媒蒸气流入引射喷嘴.然后,工作流和引射流在混合段混合,再经扩压段变为低速高压流体排 出.喷射器出口的制冷剂为气液两相混合物,通过气液分离器分为两路:一路是饱和蒸气,经一段管路过热后进入压缩机,被压缩后排入气体冷却器冷却,然后作为 工作流供给到喷射器;另一路是饱和液体,经节流后流入蒸发器,然后作为引射流进入喷射器.