两级蒸发对跨临界CO2引射制冷系统影响的实验研究

郑立星邓建强何阳

（1西安交通大学化学工程与技术学院 西安 710049；2西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 西安 710049）

两级蒸发对跨临界CO2引射制冷系统影响的实验研究

郑立星1邓建强1何阳2

（1西安交通大学化学工程与技术学院 西安 710049；2西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 西安 710049）

两级蒸发引射制冷循环中通过二级蒸发器不仅能调节引射器出口干度还能提高系统效率。通过改变第二蒸发器冷冻水流量对两级蒸发引射制冷系统进行实验研究，并与改变引射器面积比的调控效果进行比较。结果表明：在实验工况范围内，气冷器压力、第一蒸发器压力和压缩机流量都随第二蒸发器冷冻水流量的增加而增大；而且引射器面积比越大，气冷器压力越高而蒸发器压力和压缩机流量越低。同时，系统引射系数随第二蒸发器冷冻水流量的增加而降低，而制冷量和COP则升高，尤其是在小引射系数下，系统制冷量和COP提高的更为明显。本研究为引射循环提供了另外一种良好的调控思路。

引射制冷系统；两级蒸发；系统性能；二氧化碳

跨临界CO2压缩引射制冷循环（简称引射循环）使用引射器代替节流阀回收高压工质的压力能，可有效的提高系统循环的效率［1－5］。Elbel S等［6］对跨临界CO2引射制冷系统进行模拟和实验研究，并与常规跨临界CO2循环进行比较，结果发现引射系统制冷量和COP分别提高8%和7%。Lee J S等［7］通过改变引射器结构（喷嘴喉部直径，混合室直径和喷嘴到混合室入口距离）对跨临界CO2引射制冷系统性能进行实验研究，指出引射循环的COP相比常规系统可提高15%以上。

然而，引射循环较常规制冷循环有特殊的平衡关系，即引射器出口干度x和引射系数μ需满足x＝1／（1＋μ）［8－13］。若出口干度过高或过低，不能与引射系数相匹配，会导致气相或液相工质在气液分离器中蓄积，影响系统的高效运行［14］。Liu F等［15］设计了可调结构引射器，通过调节引射系数来拓宽系统运行工况范围并提高系统性能。实验发现随着引射器喉部面积的减小，系统引射系数和COP升高。Deng J Q等［10］通过理论分析获得了不同工况下引射系数对引射循环性能的影响规律，并指出了系统可获得最大COP的引射系数优化区间。针对引射器出口干度高导致的气液分离器中蒸气过剩问题，Li D Q等［11］提出了增加蒸气反馈回路的措施，并通过理论建模分析了该措施的改善效果。邓建强［16］提出在引射器出口设置第二蒸发器的方法来应对出口干度低导致的液体过剩局面，并通过建立两级蒸发跨临界CO2引射循环的热力学模型，分析气体冷却器压力、蒸发器压力和引射系数对系统制冷量和COP等性能的影响。研究表明两级蒸发引射循环可以获得比基本引射循环更高的COP和制冷量。在模拟工况范围内，当引射系数为0.3时，两级蒸发引射系统的COP和单位制冷量相比基本引射循环分别增加了16.5%和18.3%。邓建强的后续研究［17］又运用热力学第二定律对蒸气反馈和两级蒸发两种调节方法进行了对比分析。

以上理论研究说明了两级蒸发引射循环的可行性，但毕竟模型假设和计算条件与实际操作有所差别。并且系统热力性能的提升以牺牲引射系数为代价，如何以小的引射系数降低来换取大的热力性能提升仍难以把握。本文针对两级蒸发器跨临界CO2引射循环开展实验研究，分析第二蒸发器冷冻水流量改变对系统参数和性能的影响，并与引射器面积比（混合室截面与喷嘴喉部流通截面之比）调节效果进行比较。

1 两级蒸发引射循环实验系统

1.1 实验系统

图1所示为两级蒸发跨临界CO2引射制冷实验系统简图及其对应的压焓图。该实验系统由制冷系统、水系统和数据采集系统3部分组成。对于制冷系统，超临界CO2离开压缩机后，在气体冷却器中等压放热，再经引射器主动流入口进入引射器。在喷嘴中等熵膨胀减压增速后射出。由于高速射流气体的裹胁作用，引射第一蒸发器中低压低速的流体进入引射器吸入室，两股流体在混合室内混合，再经扩压段减速增压后流出，进入第二蒸发器。在第二蒸发器中等压吸热后两相流体干度发生改变，之后流入气液分离器。在气液分离器中一部分饱和蒸气进入压缩机，另外一部分饱和液体进入节流阀，等焓节流降压后流入第一蒸发器，两股流体如此反复不断循环。在引射器和气液分离器之间设置第二蒸发器一则是希望第二蒸发器提升系统热力性能，二则是避免引射器出来的两相流体干度较低导致液相工质在气液分离器过度聚集。此外，由图1可以看出，两级蒸发跨临界CO2引射制冷循环被引射器、第二蒸发器和气液分离器分为两个子循环，分别是高压子循环（包括压缩机、气体冷却器、引射器、第二蒸发器和气液分离器）和低压子循环（包括气液分离器、节流阀、第一蒸发器、引射器和第二蒸发器），两个子循环间既相对独立又相互作用。

图1 两级蒸发跨临界CO2引射制冷系统简图及其对应p⁃h图Fig.1 Schematic diagram and corresponding p⁃h diagram of transcritical CO2ejector expansion refrigeration cycle with two stage evaporation

1.2 可调结构的引射器

实验用可调结构引射器如图2所示。该引射器可实现四种结构的调节：1）喷嘴喉部面积；2）喷嘴距（喷嘴出口与混合室入口之间距离）；3）喷嘴替换；4）混合扩压段替换。通过旋转尖端带有锥度的调节针旋入或旋出喷嘴，调节主动流在喉部的流通面积；通过旋转喷嘴距调节段，控制喷嘴出口与混合室入口之间的距离。此次研究选择带等径段的收缩形喷嘴，即喷嘴截面逐渐收缩到喉部，然后保持截面尺寸不变继续延伸一定距离，从喉部到喷嘴出口间的距离定义为喷嘴等径段长度，喷嘴局部放大图如图2所示。

由于实验中采用调节针调节喷嘴喉部流通截面，所以喷嘴喉部的流通截面Acs为喷嘴喉部截面At与调节针截面An之差（见图2喷嘴局部放大图），即Acs＝At－An。因此，本文的引射器面积比Ar为混合室截面Amix与喷嘴喉部流通截面Acs的比值，如式（1）所示。在喷嘴等径段长度为6.0 mm，混合室直径为2.5 mm，喷嘴出口与混合室入口距离为6.0 mm的结构下进行实验。

除引射器外，其他主要设备细节特性见表1。系统制冷工质在蒸发器和气体冷却器出口处的温度通过调节水系统的进口温度和流量来控制，蒸发器冷冻水和气体冷却器冷却水的温度通过温控仪控制加热棒进行调节。实验中第一蒸发器冷冻水和气体冷却器冷却水由同一水箱提供，第二蒸发器冷冻水由另一水箱供应。

图2 可调结构引射器示意图Fig.2 Experimental controller ejector device

表1 主要设备特性Tab.1 Main characters of equipments

实验系统制冷剂侧温度和水侧测量分别采用铠装T型热电偶和Pt100热电阻，精度分别为±0.5℃和±0.15℃。压力测量采用横河公司出产的EJA⁃530A系列压力传感器，气冷器侧的量程为0～15 MPa，蒸发器处的量程为0～6 MPa，测量精度为0.075%FS。CO2工质流量的测量采用西门子公司生产的FC 300与MASS 2100质量流量计，精度为0.1%FS。蒸发器冷冻水和气冷器冷却水流量采用玻璃转子流量计测量，精度为2.5%FS。压缩机功率通过安装的变频器测得，该变频器可测得电压和电流。数据采集系统采用吉时利公司生产的2700数据采集仪和7700插卡式模块，其通过RS⁃232接口与计算机进行通讯。

2 实验结果与分析

对不同第二蒸发器冷冻水流量和引射器面积比情况下进行实验，分析两者对系统参数和性能的影响。实验工况为：保持气体冷却器冷却水进口温度24.0℃，流量1.75 L／min，第一蒸发器冷冻水进口温度24.0℃，流量4.0 L／min不变，在引射器面积比分别为2.89、3.03、3.17、3.51四种情形下，改变第二蒸发器冷冻水流量分别为0.5 L／min、1.5 L／min、2.5 L／min、3.5 L／min进行实验研究。

2.1 对系统参数的影响

由图3可以看出，在引射器面积比一定的情况下，随着第二蒸发器冷冻水流量的增加，气冷器压力逐渐增大。并且面积比越大，相同第二蒸发器冷冻水流量情形下对应的气冷器压力越高。这主要是因为当第二蒸发器冷冻水流量增加时，第二蒸发器的换热量增大，第二蒸发器压力增大（见图4），同时与其压力近似的气液分离器压力也增大。随着引射器面积比的增大，喷嘴喉部流通面积减小，使得气冷器中积聚的流体增多，再加上气液分离器压力的升高导致系统高压子循环压力上升，引起气冷器压力升高。可见，增大面积比和增加第二蒸发器冷冻水流量都可使系统气冷器压力升高。

由图5可知，随着第二蒸发器冷冻水流量的增加，第一蒸发器压力逐渐增大。且引射器面积比越大，相同第二蒸发器冷冻水流量对应的蒸发器压力越低。这是因为当第二蒸发器冷冻水流量增加，气液分离器压力增大使得进入蒸发器中的流体流量增加从而引起蒸发器压力增大。随着面积比的增大，引射器引射系数提高，被引射的流体流量增大导致蒸发器压力降低。

图3 气冷器压力随第二蒸发器冷冻水流量的变化Fig.3 Gas cooler pressure for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

图4 第二蒸发器压力随第二蒸发器冷冻水流量的变化Fig.4 Pressure of the second evaporator for its various chilled water flow rate

图5 第一蒸发器压力随第二蒸发器冷冻水流量的变化Fig.5 Pressure of the first evaporator for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

图6 压缩机流量随第二蒸发器冷冻水流量的变化Fig.6 Com pressor mass flow rate for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

图6所示为压缩机流量随第二蒸发器冷冻水流量及引射器面积比变化的曲线。由图6可知，随着引射器面积比的增大，压缩机流量减少。这是因为随着引射器面积比的增大，主动流喷嘴喉部面积减少，主动流流量降低。压缩机进口压力降低、排气压力增加，导致压缩机流量减少。

2.2 对系统性能的影响

图7和图8所示为系统制冷量和制热量随第二蒸发器冷冻水流量变化的曲线。需要指出的是，系统制冷量为第一蒸发器和第二蒸发器的制冷量之和。由图7和图8可以看出，当第二蒸发器冷冻水流量增加时，系统制冷量和制热量都呈上升趋势，并且随着面积比的增大，制冷量和制热量都增加。结合图5可知，虽然面积比增大会导致第一蒸发器压力降低，主蒸发器制冷量减少，但是第二蒸发器制冷量的增加量大于主蒸发器制冷量的减少量，所以系统整体的制冷量增大。此外，实验数据还表明，随着冷冻水流量和面积比的增加，压缩机功率增大，所以系统制热量增大。

图7 制冷量随第二蒸发器冷冻水流量的变化Fig.7 Capacity of cooling for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

图8 制热量随第二蒸发器冷冻水流量的变化Fig.8 Capacity of heating for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

进一步考察图7和图8，当第二蒸发器冷冻水流量从0.5 L／min增加到3.5 L／min时，面积比为2.89对应的制冷量和制热量分别增加了 62.7%和35.8%，比面积比为3.51时对应的制冷量和制热量多增加36.4%和15.4%。可见，第二蒸发器在提高系统制热量和制冷量方面表现出突出的作用，并且面积比越小，制冷量和制热量的提升效果越明显。

由图9可以看出，系统COP与制热量和制冷量有相同的变化趋势。同样地，当面积比较小时，COP随第二蒸发器冷冻水流量增大的幅度尤为明显，当面积比增大时，其增长幅度逐渐减缓。进一步考察图9可知，当引射器面积比为2.89时，冷冻水流量从0.5 L／min变为3.5 L／min，COP增大了54.0%，而当面积比为3.17时，COP增大了13.4%。这也说明控制第二蒸发器工况可以达到与调节面积比相同的效果。

图9 COP随第二蒸发器冷冻水流量的变化Fig.9 COP for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

由图10可以看出，当第二蒸发器冷冻水流量增加时，引射系数降低。但随着面积比的增大，引射系数降低的幅度减小。结合前面图9中系统COP曲线，当面积比为2.89时，冷冻水流量由0.5 L／min增加到3.5 L／min，引射系数降低12.8%而系统COP增大了54.0%；当面积比为3.51时，引射系数降低了4.0%而COP升高了14.0%。对比可知，小引射系数时，引射系数降低，系统的COP可得到更大幅度的提高。

图10 引射系数随第二蒸发器冷冻水流量的变化Fig.10 Entrainment ratio for various chilled water flow rate of the second stage evaporator

3 结论

本文对两级蒸发跨临界CO2引射制冷系统进行了实验研究，分析了第二蒸发器冷冻水流量和引射器面积比对系统的影响，得到如下结论：

1）在实验工况范围内，随着第二蒸发器冷冻水流量的增加，气冷器压力、蒸发器压力和压缩机流量增大；区别于引射器面积比的增大，气冷器压力升高而蒸发器压力和压缩机流量降低的趋势。

2）第二蒸发器对提升系统热力性能有明显的积极作用。系统制冷量、制热量和COP都随着第二蒸发器冷冻水流量的增加而增大。同样地，改变引射器面积比，系统性能也表现出相同的变化趋势，且面积比越大引射系数越高。但在小引射系数情形下，系统性能提升效果更加突出。

3）增加第二蒸发器冷冻水流量在系统性能改善上具有明显的作用效果。相比可调结构引射器的加工精度高，不易控制，第二蒸发器的调控作用能够克服上述不足从而在引射系统中具有较好的应用前景。

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邓建强，男，博士，博士生导师，西安交通大学化学工程与技术学院，（029）82663413，E⁃mail：dengjq＠mail.xjtu.edu.cn。研究方向：高效化工机械与设备。

About the corresponding author

Deng Jianqiang，male，Ph.D.，doctoral tutor，School of Chemi⁃cal Engineering and Technology，Xi’an Jiaotong University，＋86 29⁃82663413，E⁃mail：dengjq＠mail.xjtu.edu.cn.Research fields：efficient chemical machineries and equipment.

Experimental Investigation on the Effect of the Second Stage Evaporation on the Transcritical CO2Ejector Expansion Refrigeration System

Zheng Lixing1Deng Jianqiang1He Yang2

（1.School of Chemical Engineering and Technology，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，710049，China；2.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，710049，China）

Water An ejector expansion refrigeration cycle with two stage evaporation can not only regulate the exit quality of ejector but also im⁃prove the coefficient of performance of system.This experimental study presents the effect of the second stage evaporator on the transcriti⁃cal CO2ejector expansion refrigeration system with two stage evaporation.The system performances were investigated with the variation of chilled water flow rate of the second stage evaporator，and the effects were compared with that by the regulation of ejector area ratio，which is the mixing section area to nozzle throat area.The experiment results indicate that the pressure of gas cooler and the first evaporator as well as the compressor mass flow rate increase with the rise of the chilled water flow rate of the second stage evaporator.The larger the e⁃jector area ratio，the higher the gas cooler pressure and the lower the first evaporator pressure and compressor mass flow rate.Further⁃more，the entrainment ratio decreases with the increase of chilled water flow rate of the second stage evaporator，while the COP and cool⁃ing capacity of the system increase.Especially，the COP and cooling capacity increase largely at lower entrainment ratio.This study pro⁃vides another excellent regulation approach for ejector expansion cycle.

ejector expansion refrigeration system；two⁃stage evaporation；performance of system；carbon dioxide

TB66

A

0253－4339（2015）04－0066－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.066

简介

国家自然科学基金（51076120）资助项目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 51076120）.）

2014年12月2日