跨临界CO2 喷射器系统优化调节技术综述

宗 硕，宋昱龙，曹 锋

（西安交通大学，西安 710049）

0 引言

制冷技术的应用与人们的生活密不可分，随着国际社会对于环境问题的愈加重视，环境友好型制冷剂逐渐被各国政府以及科研机构重视起来，而CO2作为自然工质制冷剂是其中非常重要的一部分。CO2是惰性气体，有优良的化学稳定性和安全性；CO2有良好的环保性能，使用其作制冷剂对于环境无任何污染；CO2不可燃，在高温高压的条件下也不会分解出有害气体；CO2对于全球变暖潜力指数GWP 为1；CO2可从大气中提取，不需工业合成［1］。

前国际制冷学会主席LORENTZEN 倡导推广自然工质制冷剂，并提出现代跨临界CO2热泵循环系统，使得CO2制冷装置再次成为全球各国研究的重点［2］。为使跨临界系统的能效得到提升，不仅需要关注气体在冷却器中的换热特性，还要同时考虑气体的节流过程。在节流过程中，气体在节流前后压差较大，会造成大量的膨胀功损失。根据热力学第二定律，通过对系统部件的优化可以降低节流过程中的㶲损失，并对跨临界系统的性能有较大提升［3］。

为降低循环过程中的节流损失，常用方法是回收膨胀功。在跨临界CO2循环中主要有2 种方法回收膨胀功，一是使用膨胀机代替节流阀，二是使用喷射器代替节流阀［4］。当使用膨胀机代替节流阀作为主要膨胀元件时，可以很大程度回收系统膨胀功，但其也有较为明显的缺点，由于CO2在膨胀时会发生相变，这对于膨胀机的工艺要求比较高，同时提高了膨胀机的制造成本，因此膨胀机代替节流阀的方法经济性较差［5］。喷射器的结构比较简单，制造成本较低，且无复杂的运动部件，因此能够在小型CO2系统中得到良好的应用。使用喷射器代替节流阀不仅可以减少系统中的不可逆损失，而且能提升压缩机的吸气压力，从而降低压缩机功耗［6］。CO2制冷系统和热泵系统中喷射器的应用已被全面地研究，通过对加入喷射器的制冷、热泵系统试验和理论研究来进行喷射器优化设计，进而研究系统的应用前景与节能效果，这对于喷射器在制冷系统和热泵系统中的应用推广具有重要意义［7］。

本文主要介绍了跨临界CO2喷射器系统的运行特性，针对喷射器变工况性能较差的问题，根据多年来学者们的研究成果，介绍了其中常用的几种喷射器变工况优化调节方法，最后对比总结了3 种不同的调节方式。

1 跨临界CO2 喷射器系统

1.1 系统介绍

传统的亚临界循环过程可简要描述如下：高压制冷剂经过放热冷却之后进入节流阀，在节流阀中完成等焓节流后进入蒸发器，在蒸发器中由亚临界状态吸热蒸发，并相变成为气体，而后进入压缩机并被压缩至高温高压。跨临界CO2压缩式制冷循环［8］与上述亚临界循环近似，但也有一些不同之处，经过压缩过程的高温高压CO2的压力大于CO2的临界压力，之后在超临界状态进行降温冷却，在降温过程中CO2不再会相变冷凝［9］。在跨临界CO2压缩式制冷循环系统中加入喷射器［10］以后，系统的循环原理如图1 所示。

图1 带喷射器的跨临界CO2 热泵系统的循环原理Fig.1 Circulation principle diagram of transcritical CO2 heat pump system with ejector

如图2 所示，喷射器的结构［11］主要包含4 部分，即接受室、混合室、工作喷嘴和扩压室。当喷射器在跨临界CO2制冷、热泵系统中应用时，其工作原理可介绍如下：高压的CO2从气体冷却器的出口流出并进入喷射器，先是经过渐缩-渐扩喷嘴，在此过程中，CO2的压力能逐渐转变成动能，流体速度也提高到超音速，喷嘴内流体的压力也快速降低，导致接受室产生局部低压，进而引射蒸发器的CO2流入喷射器。上述两部分CO2在接受室逐渐进行混合，流入混合室之后流体的动能逐渐转变为压力能，流速变慢压力升高，最后得到的混合流体的压力大于引射流体，小于工作流体［12］。

图2 喷射器原理Fig.2 Schematic diagram of ejector

在CO2制冷/热泵系统中，节流阀的膨胀作用被喷射器中的工作喷嘴所取代，流体在节流阀中等焓节流会造成较大的不可逆损失，而在喷射器中不可逆损失减少，并将部分不可逆损失通过喷射器的引射作用转化为流体的压力能，从而提升了膨胀功的回收效果。

1.2 系统热力学分析

为了更清晰地表现出传统热泵循环系统和加入了喷射器的循环系统的热力学状态，图3 示出了2 套系统对比压焓。不带喷射器的循环为A-B-C-D-E-A，数字标注点（1-2-3-4-5-6-1，1-2-3-4-5-6-7-8-9-4''-5-6-1）为加入喷射器后的热泵系统［13］。

图3 喷射器系统与传统热泵系统压焓对比Fig.3 Comparison of pressure enthalpy diagram between ejector system and traditional heat pump system

对于喷射器的3 个主要组成部分：接受室、混合室和扩压室，在系统中的热力学计算方法如下［14］。

（1）接受室

喷射器入口的工作流体等熵变化流过喷嘴降压，同时速度大幅度增加。4 点的状态如下：

（2）混合室

混合室内的CO2流体由于前后有进有出在一定的空间流动，因此符合以下方程，可以得到5点的参数：

动量守恒：

（3）扩压室CO2流体最后进入扩压室，其过程近似看成等熵过程。

单独看喷射器，对其应用能量守恒方程，6 点的如下：

1.3 喷射器变工况调节必要性

跨临界CO2压缩式制冷循环中，喷射器的参数对于系统性能的改善效果会产生较大的影响，使用不合适的喷射器反而降低系统性能。调整喷嘴的喉部面积会对喷射器的性能产生影响，进而影响系统的性能，除此之外，喷射器的其他几何参数也会影响系统的工作效率。单一且无法调节的喷射器很难在变工况条件下达到较高的效率，因此，系统通常需要对喷射器的几何结构、喷嘴喉部面积和喷射器的组合使用做出调整。

2 喷射器调节方法

优化喷射器运行性能主要有以下几种方法，通过改变喷嘴几何结构调节、通过调节喉部面积调节、通过多喷射器组合使用调节。

2.1 改变喷嘴几何结构

YANG 等［15］采用计算流体力学（CFD）技术，研究了不同喷嘴结构对蒸汽喷射器性能的影响。比较了锥形、椭圆形、方形、矩形和十字形5 种不同喷嘴结构的蒸汽喷射器在相同条件下的性能。特征喷嘴尺寸如图4 所示。

图4 特征喷嘴尺寸Fig.4 Characteristic nozzle size

几种不同结构的喷嘴几何参数见表1。

表1 喷嘴几何参数对比Tab.1 Comparison of nozzle geometry parameters

结果表明，矩形喷嘴的引射比和临界背压分别降低了7.1%和21.3%，椭圆喷嘴的引射比和临界背压分别降低了7.9%和21.3%，方形喷嘴的引射比提高了2.0%和21.3%降低CBP 2.1%，十字型喷嘴引射器的ER（Entrainment Ratio，引射率）和CBP（Critical Back Pressure，临界背压）分别提高9.1%和6.4%。通过对混合室中的流向涡和展向涡分布以及沿流向距离的内能变化的模拟，阐明了混合过程的特点和影响喷射器性能变化的主要因素。由于流向涡和展向涡之间的相互作用，可以通过有效混合实现ER 的增加。流向涡有助于变形和破坏强度更大的展向涡。涡流对混合室壁的早期碰撞会增加机械能损失，减小二次流通过的“有效面积”，导致内燃和CBP的大幅度降低。在喷嘴的设计中应避免这种情况。

2.2 可调喉部面积喷射器

HE 等［16］对提高跨临界CO2喷射器制冷系统的运行性能进行了试验研究，通过使用可调喷嘴喉面积喷射器如图5 所示，使用控制器实时跟踪最佳气体冷却器压力，并使用系统动态模型对系统性能和喷射器效率的动态响应进行分析，然后分别通过计算确定跟踪器和预测器的参数。此外，该控制器在可变压缩机转速下也具有良好的适用性，即使在变工况条件下，控制器也会将系统性能提高至最大值。

图5 可调喉部面积喷射器原理Fig.5 Schematic diagram of adjustable throat area ejector

LIU 等［17］研究了在变工况和变频率下，采用可控喷射器的跨临界CO2空调器的性能改进。试验结果表明，用喷射膨胀装置代替传统的膨胀阀如图6 所示，可以提高CO2空调系统的COP。动力喷嘴喉部直径减小可以使COP 增加60%。此外，当动力喷嘴出口到混合段入口的距离是混合段直径的3 倍时，COP 达到最大值。

图6 可控喷射膨胀装置示意Fig.6 Schematic diagram of controllable injection expansion device

CHEN 等［18］从热力学过程和气体动力学方程出发，通过与混合压力的耦合，建立了喷射器模型，同时预测了最佳COP 和卷吸比以及相应的喷射面积比。选取文献中的2 组试验数据对模型进行验证。卷吸比随发生器温度和蒸发器温度的升高而增大，冷凝器温度的升高导致卷吸比逐渐减小而不是急剧下降。喷射式制冷系统在不同的工作条件下，需要调整喷射器面积比以保持最佳性能［19］。卷吸比、面积比和混合压力对冷凝器条件的变化最为敏感。喷射效率是本模型中的关键参数，它可以导致引射比的显著变化。喷嘴和混合效率对面积比的影响大于扩散器效率。然而，对于混合压力，它对扩散器效率的变化最为敏感。研究这些效率是最重要的。变几何喷射器在获得最佳性能和拓宽工作条件方面发挥着重要作用。

ELBEL 等［20］通过试验证明，与传统的带膨胀阀的跨临界R744 系统一样，喷射器中集成的高压侧压力控制可以最大限度地提高系统性能。数值模拟结果也与试验结果相吻合。针对喷射器喉部压力测量的困难，提出了一种更为实用的性能指标来量化喷射器的整体效率。根据这个定义，原型喷射器能够恢复高达14.5%的节流损失。通过使用阀针减小喷射器中的动喷嘴喉部面积，如图7 所示。COP 随着高压侧压力的增加而增加。此外，该原型的集成高压侧压力控制被成功地用于最大化跨临界R744 喷射系统的COP，非常类似于带膨胀阀的常规系统。

图7 带阀针的模块化喷射器剖视图Fig.7 Sectional view of modular injector with valve needle

研究结果还表明，最佳工作点的选择并不意味着喷射器的最大效率和最大制冷量。将最优控制器应用于试验系统中，实际取得了系统性能的改善。然而，在不同的工作条件下，如不同的压缩机转速，系统的性能有很大的差异。

2.3 多喷射器组合的方法

BANASIAK 等［21］对使用3 个并联喷射器和1 个并联膨胀阀用于高压端压力控制的CO2系统进行了详细的试验研究。多喷射器组合如图8 所示，旨在替代标准高压电子膨胀阀（HPV），经过设计、试验和制造，确定4 个不同的喷射器结构参数，以实现灵活调控并行压缩R744 系统的特性。在提供的可操作范围内，喷射器效率超过0.3［22］。

图8 多喷射器组合原理Fig.8 Schematic diagram of multi-injector combination

HAFNER 等［22］利用基于Modelica/Dymola的仿真工具TIL-Suite，分别建立了2 个超市制冷系统（有喷射器和无喷射器）忽略低温柜的仿真模型如图9，10 所示。考虑了一个带有闪蒸气体旁路和热回收的参考增压系统和一个具有多喷射器概念的类似系统，并基于环境温度和冷负荷的变化设计了多喷射仿真系统。对于几乎所有研究的边界条件，与参考系统相比，多喷射系统在冷却和加热模式下的COP 均显著增加。COP 的提高在很大程度上取决于系统的控制策略。在夏季，雅典、法兰克福和特隆赫姆的典型COP 增加量分别为17%，16%和5%。

图9 用于超市R744 制冷机组膨胀功回收的新型多喷射器组件的示意Fig.9 Schematic diagram of a new type of multi-ejector assembly used for expansion work recovery of R744 refrigeration units in supermarkets

图10 超级市场多喷射R-744 制冷供暖系统电路Fig.10 Circuit diagram of multi-injection R-744 cooling and heating system in supermarket

图11 可调喉部面积喷射器与多喷射器组合方法调控对比Fig.11 The control comparison between the adjustable throat area ejector and the multi-injector combination method

SMOLKA 等［23］对多喷射器组合和可调喉部面积喷射器两种控制质量流量方式的CO2喷射制冷系统进行了理论对比分析。在相同的典型跨临界参数下，采用一个经验证的均匀平衡模型（HEM）对器件的性能进行了数值模拟。对于固定几何喷射器，模拟了不同尺寸器件的性能，并与相应的可控几何喷射器在不同针孔位置的性能进行了比较。对于这两种喷射器，给出并讨论了质量流量函数的整体效率，结果表明，在整个工作条件范围内，每种固定几何形状的喷射器结构都表现出较高的效率。在可控几何喷射器的情况下，当动力喷嘴喉部面积减少约35%时，效率更高，之后效率逐渐降低。

GULLO 等［24］调研发现，多喷射器概念的发展有助于巩固商用跨临界CO2制冷系统在任何气候条件下作为HFCs 市场准备替代品的地位。此外，它们的可靠性和可行性已经通过相关的安装数量得到了广泛的证明，且对实际能耗进行了监测和报告。然而，由于以下原因，许多零售商仍然不愿意将R744 作为超市的唯一制冷剂：存在着非技术壁垒，比如决策层对目前可用技术认识不完全；可用的现场测量和经济评估数量有限，特别是关于最新提议的解决方案。此外，多喷射器概念是高能耗建筑中推广跨临界CO2制冷系统的关键。然而，多喷射器并联运行的实现在这一领域尚处于早期发展阶段。

3 对比与分析

在更换喷嘴结构方法中，YANG 等［15］得出如下结论：喷射器性能的提高可能是由于混合程度高，而混合程度高可以通过增加出口周长和特殊几何形状来实现。较长的边缘可以增加两个流动之间的接触面积和混合剪切层，从而产生更大的展向涡；特殊的几何形状如十字形喷嘴的卷曲后缘，可以认为是产生与展向涡相互作用的强流向涡以增强共流流之间的混合的一种特殊方法。“有效面积”的减小会降低二次流，导致ER 值降低。由于喷嘴摩擦、粘性耗散和流向涡的产生，内燃率越大，一次流减小，机械能损失越大，CBP 越低。在一次流体与混合室壁的碰撞、摩擦和混合室壁的扰动、椭圆和矩形喷嘴的喷射器的混合中也会产生机械能损失［25］。喷射器喷嘴的设计应避免这种情况。高水平的混合通常会导致较高的机械能损失和CBP 降低，从而增加ER。因此，在ER和CBP 之间需要一种折衷方案，通过新的结构来突破折衷方案是非常有意义的。

在多喷射器组合调节方法中，每一个单独的喷射器都有确定的几何参数，在各自的适用工况范围内有着很高的效率，并能持续在系统中稳定工作，这说明根据变工况条件设计良好的多喷射器组合系统也能达到较高的效率［26］。丹佛斯设计的电控跨临界多联喷射器能够应用于热带、温带气候的商超领域，可以为气候较为温暖的区域的超市提供20%以上的能源节约，且尤其适用于高温环境。

在可调喉部面积喷射器中，采用锥形针头调节运动喷管的喉部面积，考虑了两种可控几何喷射器［27］的设计，即具有缩放喷管和渐缩喷管的单元。在缩放喷管和喉部面积降低的情况下，该喷管与固定几何形状喷管具有相同的效率水平。此外，在大多数情况下，当动力喷管喉部降低约35%时，效率比固定几何形状喷管高25%。然而，很难明确地确定所有操作条件下阀针位置。此外，进一步减小喉部面积导致效率迅速下降，最终导致零吸入流量。虽然采用渐缩喷嘴的设计在喉部面积较大时效率略有提高，但喉部面积的进一步缩减导致效率降低很快［28］。在分析的操作条件下，很难预测能产生合理喷射效率的针头位置。

表2 两主要调节方式对比Tab.2 Comparison of two main adjustment methods

4 结语

不同喷嘴结构的蒸汽喷射器在相同条件下的性能差异比较大。而对于不同的调节方法，可调喉部面积喷射器可以在不同的工况条件下通过指针对喷射器进行有效调节，进而改善系统的性能，但由于指针占有体积，会在一定程度上降低喷射器的效率，该调节方法对于控制系统也有较高的要求，需要进一步研究。多喷射器组合的方法能保证每一个喷射器都有很高的工作效率，进而提升整个系统的性能，且该方法依靠简易的控制系统即可实现对于大范围工况的调节，目前已有实际产品和应用［29］。