跨临界CO2两相流引射制冷系统性能实验研究

　　由于跨临界CO₂制冷循环的节流损失较大，造成其性能系数比常规工质低20%~30%[1]，因此许多学者提出各种方案来回收高压CO₂的膨胀功[2]，但由于膨胀机为高速运动部件，其结构复杂，不适合在两相区工作，因此要投入实际应用有一定难度。另一种提高跨临界CO₂循环性能的方法是用引射器代替节流阀，回收高压工质的压力能。近年来，国内外对两相流引射制冷循环进行了许多理论分析和实验研究。

　　G M Chen[3]等人对带引射器的CO₂热泵热水器系统的引射器的变工况性能进行了分析，讨论了主引射流压力、被引射流压力和引射器出口背压对引射比的影响。M Nakagawa[4]等对跨临界CO₂引射制冷循环进行了理论分析和实验研究，探讨了混合室长度对COP的影响。S Elbel和P Hrnjak[5]对CO₂跨临界引射循环制冷系统进行了模拟计算和实验研究，与传统跨临界CO₂循环进行了比较，结果表明，制冷量和COP分别提高了8%和7%。对跨临界CO₂两相流引射制冷系统进行了实验研究，分析了工况及引射器尺寸对系统性能的影响，并与传统制冷循环性能进行比较。

　　1 跨临界CO2两相流引射制冷系统

　　跨临界CO₂两相流引射制冷循环实验系统如图1所示。压缩机排出的高压超临界CO₂经气体冷却器冷却后作为主引射流进入引射器，在喷嘴内降压膨胀，高速流出喷嘴，引射蒸发器出口的过热CO₂蒸汽，两股流体在引射器混合室内进行能量和动量交换，经扩压器减速扩压后进入汽液分离器，分出的气相制冷剂进入压缩机，液相工质流入蒸发器。如果关闭阀门V1、V2、V6，打开阀门V4、V7，制冷剂流经节流阀，就可以实现传统跨临界CO₂循环。课题组前期的研究工作表明[6]，由于引射器的引射比和其出口工质干度存在耦合关系，要保证两相流引射制冷循环稳定运行，所以在系统中增加了辅助蒸发器，以防止汽液分离器内液态制冷剂进入压缩机。

　　系统的蒸发温度和气体冷却器出口温度通过调节水系统的进水温度和进水流量来调节，冷冻水和冷却水的温度由调节电加热器的功率来控制，高压侧排气压力由手动调节阀门来控制。压缩机采用半封闭CO₂压缩机，换热器为CO₂-水逆流式。系统中电力参数测量采用多功能综合电量变送器，同时完成功率、电压、电流、功率因数、频率等的测量，精度为±0.2%。实验测量仪器中，温度采用Pt100铂电阻测量，精度为±0.1℃;压力传感器测量精度为±0.1%FS;CO₂质量流量计精度为±0.1%;水流量采用液体涡轮流量计测量，精度为±0.5%。系统制冷量为主蒸发器和辅助蒸发器制冷量之和，由制冷剂侧蒸发器进出、口焓差和制冷剂质量流量计算而得，同时通过计算水侧的换热量而确定。跨临界CO₂两相流引射制冷循环的实验工况范围为：蒸发温度-5℃~10℃，气体冷却器出口温度36℃~42℃，气体冷却器压力8.5MPa~10.0MPa。