跨临界CO2蒸气压缩/喷射制冷循环理论分析

    跨临界CO₂制冷循环,膨胀阀节流前后两端分别处于超临界和亚临界状态,压差较大。在节流过程中,由于工质因摩擦损失吸收了因压降转化的动能,并闪蒸出气体,使系统效率降低。

    减少节流损失是提高跨临界CO₂制冷系统效率的有效途径。采用喷射器装置可以取代膨胀阀的作用,不但减少节流损失,还具有成本低、结构简单、无活动部件和不易损坏的优点。

    此前国内外对蒸气压缩/喷射制冷循环进行了一些研究,Kornhauser[1]、Domanski[2]、刘军朴[3]理论分析了该循环的性能,理论上系统性能系数(COP)比简单循环提高了20%以上。Harrell[4]、Menegay[5]、Disawas[6]的实验没有实现理论分析所得到的理想结果,性能提高最大不超过8%。

    现有对蒸气压缩/喷射制冷循环的理论研究,在建立喷射器模型时一般只考虑喷射器内流动的能量守恒和动量守恒。

    在系统稳定运行状态下,对应喷射器出口工质干度,工质分离为饱和蒸气和饱和液体后,分别离开气液分离器,这二股流体的质量流量比等于喷射器的喷射系数。本文考虑到系统稳态下喷射器出口干压缩/喷射循环进行了理论分析,并研究了系统COP随不同参数变化的关系,指出了提高系统效率的途径。

    1　计算模型

    图1所示为跨临界CO₂蒸气压缩/喷射制冷系统简图,图2所示为该制冷循环对应的p-h图。

    处于热力状态(1)的压力为ps的CO₂蒸气,进入压缩机等熵压缩至高压侧压力pd,对应状态(1s),实际过程为压缩至超临界状态(2),用等熵效率ηc修正。工质随后在气体冷却器中被冷却至状态(3),对应气体冷却器出口温度t3。处于状态(3)的工质进入喷射器喷嘴等熵膨胀至状态(3s),实际膨胀至状态(3′),对应喷嘴效率为ηn=0.7。对应状态(7)的蒸发压力为pe的饱和蒸气也进入喷射器。喷射器内的两股流体最终等压混合为状态(4),混合后的流体经过喷射器扩压段升高压力至ps,对应状态(5x),(4s)为等熵扩压后的状态点,扩压效率为ηd=0.8。在气液分离器中工质分离为状态(5)的饱和气体和状态(5L)的饱和液体,饱和液体进入膨胀阀膨胀至状态(6),对应蒸发压力pe,气液分离器中状态(5)的饱和蒸气进入压缩机。

    喷射器喷嘴效率和扩压效率取值参考文[7]。Alexis[7]假设进入喷射器内的两股流体混合后的状态(4),其压力不等于蒸发压力pe,本文假设喷射器内混合压力即为系统蒸发压力,因为对于跨临界CO₂循环的高压力,混合压力和蒸发压力之间的差异可以忽略。

    对系统作分析时有如下一些假设:

    1)忽略喷射器进、出口动能;

    2)忽略工质在管路及换热器内的流动损失;