膨胀机与喷射器跨临界二氧化碳循环比较研究

　　0 引言

　　天然制冷剂二氧化碳以其不燃、无毒、零臭氧破坏指数(ODP)和微弱的温室效应指数(GWP)，在氟利昂制冷剂的替代方面显示出巨大的潜力，特别是在热泵热水器领域，CO₂显示出独特的优势，近年来成为研究的热点之一。相比于传统制冷剂，跨临界CO₂系统运行压力高，节流前后压差高达约7MPa，节流损失大，减少节流损失是提高CO₂系统的关键[1~2]。目前提出的解决方案主要有膨胀机[3~4]和喷射器[5~8]两种。国内外学者对带喷射器和膨胀机的CO₂跨临界循环进行了热力学分析、系统模拟与实验等方面研究。日本Denso公司成功实现了带喷射器的CO₂热泵热水器的商业化。已有的膨胀机循环与喷射器循环研究主要在集中在空调工况，对于喷射器循环与膨胀机循环在热水器工况下的对比分析鲜有报道。

　　1 循环流程描述

　　基本CO₂跨临界节流阀循环流程如图1实线所示，从压缩机出来的高压气流先后经过气体冷却器内与热水的换热过程1-2，等焓节流过程2-3，蒸发器内与空气的换热过程3-4，压缩过程4-1完成整个循环。图2实线1-2-3-4-1 循环过程表示了基本跨临界节流阀循环热力过程，各状态点与图1的各状态点相对应。膨胀机代替节流阀可以回收节流膨胀功，从而减少压缩机的输入功，提高系统性能系数。CO₂跨临界膨胀机循环流程如图1虚线部分所示。图2的虚线1-2-3t-4-1循环过程表示了膨胀机跨临界循环热力过程，各状态点与图1的各状态点相对应。

　　喷射器将工作流的膨胀能转化为动能，再将动能转为为制冷剂的压力势能。喷射器回收了一部分膨胀过程动能，提高了压缩机入口压力，节省了压缩机输入功，提高了系统性能。CO₂跨临界喷射器循环流程如图3所示。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，从而吸收蒸发器中的低压冷媒蒸汽流入引射喷嘴。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。图4的1-2-5-6-3-4-1循环过程表示了工作流热力循环过程，10-7-6-3-8-9-10循环过程表示了引射流热力循环过程，各状态点与图3的各状态点相对应。

　　2 热力学模型

　　为简化计算模型，对三种跨临界CO₂循环作以下假设：

　　1)忽略气体冷却器、蒸发器及连接管路中的压降;

　　2)忽略喷射器进、出口动能;

　　3)压缩机等熵效率c、膨胀机等熵效率t、工作流喷嘴效率mb，引射流的喷嘴效率sb、扩压段效率d为定值。

　　三种循环的系统性能指数COP可由下式计算