采用膨胀机和喷射器的跨临界二氧化碳热泵热水器热力循环比较研究

　　引　言

　　自从Lorentzen提出利用自然工质替代CFCs和HCFCs解决温室效应和臭氧层的破坏CO₂以其独特的热物理性质和环境友好性成为在热泵热水器中工质替代的热门话题[1]。国内外学者的研究表明[2-3]，在跨临界CO₂热泵系统中加入喷射器，一方面可以利用来自气体冷却器的需要降压的高压CO₂流体来引射升压来自蒸发器的低压CO₂流体，减少膨胀过程的节流损失，另一方面可以降低进入蒸发器前两相的CO₂流体的干度。喷射器是跨临界CO₂热泵系统的关键部件之一，其结构设计的好坏和性能的优劣将直接影响到整个热泵系统运行的稳定和性能系数的提高[4]。本文在自行研制的跨临界CO₂热泵热水器实验台上，通过调节系统中阀门开度控制喷射器的进出口压力和温度，研究喷射器的流量、喷射系数、压缩比和效率的变化规律。

　　1　喷射器

　　喷射器利用射流的紊动扩散作用，使不同压力的两股流体相互混合，并发生能量交换，在其出口形成一股居中压力的混合流体。喷射器的设计方法有两 种，经典热力学法和气体动力学方法[5]。传统的经典热力学法根据热力学第一、第二定律，采用经典热力学对喷射器的绝热膨胀过程和压缩过程的终态参数进行 计算，其物理模型采用经典热力学所述的热力过程，喷嘴长度、扩压器长度和出口直径等几何尺寸多采用经验方法来确定。气体动力学方法是建立在气体动力学理论 基础之上，依据能量守恒、质量守恒等基本定律，并引入等熵速度、折算速度等动力学函数，设计过程中考虑了喷嘴和扩散器的效率，使用工作流体和引射流体的速 度系数对内部流动过程做了合理的修正。与经典热力学方法相比，其设计合理性上有较大的提高。

　　气体动力学方法是目前公认的比较精确的喷射器设计方法。前苏联的 《喷射器》[6]一书是应用气体动力学法进行喷射器设计和性能研究的经典著作，在喷射器的设计过程中，本文将参考此文献建立喷射器的一维设计模型，喷射器结构示意图和设计参数分别见图1和表1。

　　喷射系数和压缩比是评价喷射器工作性能优劣的重要参数，效率是评价喷射器工作完善性的重要参数，效率的公式参考文献 [6]中定义，效率越高，喷射器的 损失越小，具体表达式如下

　　2　实　验

　　2.1　实验装置

　　实验装置流程示意图及主要的温度、压力、流量和功率测点如图2所示。实验系统主要由压缩机、气体冷却器、喷射器、蒸发器、气液分离器、节流阀和安全阀等部件组成。压缩机为意大利Dorin公司生产的型号为TCS340/4-D的CO₂压缩机，理论排气量为3.5m3·h-1。气体冷却器采用缠绕螺旋槽管式换热器，蒸发器采用套管逆流式换热器，内管流动介质为CO₂， 外管流动介质为水。冷却水和冷冻水系统的水流量通过改变管路阀门的开度进行调节，水温通过温控仪控制加热棒功率进行调节。实验系统采用铜-康铜热电偶测 温，温度测量的不确定度为±0.5 ℃;压力测量采用GEDruck　PTX7517高精度压力传感器，量程为0～16MPa，测量精度为0.2% S;CO₂质量流量测量采用Emerson　Micro　Motion高精准F系列质量流量计，量程为0～0.2kg·s-1，测 量精度为读数的0.1%;水流量采用玻璃转子流量计，测量精度为2% FS;压缩机的功率采用青岛青智仪器有限公司生产的ZW5435系列三相数字式功率表进行测量，测量精度为0.5% FS。