喷射器在跨临界CO2热泵中的优化研究

CO2跨临界循环系统的研究一直是各界学者积极关注的热点，在目前的研究中采用喷射器代替节流阀植入到系统中是个不错的选择，一方面可以大量减少节流损失，另一方面可以提升压缩机的吸气压力，减少压缩机的耗功，从而可以起到提升热泵系统性能的作用。喷射器作为整个系统的核心部件它的工作性能对系统性能起着至关重要的作用。本文运用气体动力学函数法的基本理论，对喷射器的性能指标以及结构尺寸进行了分析和设计，并采用Fluent软件对CO2工质在喷射器的内部流场和温度场变化展开了求解，将喷嘴效率、吸收室效率、与扩压室效率的计算取值与结构尺寸和工况参数进行了关联性研究，以表征各部件产生的流动不可逆损失。从而确定系统性能优化的方向。

CO2 跨临界循环中的节流膨胀被学者广泛认为是造成能量损失的主要环节，主要表现为系统的COP较低，造成这一现象的主要原因是CO2 工质节流前后高低压侧压力在数值上相差较大，通常系统中高压侧压力能达到10~12 MPa 左右，但低压侧压力只有3~5 MPa。因此在节流元件前后产生的压差会很大， 与常规的压缩式制冷循环相比较就显得存在非常大的节流损失。Robinson 和Gro [1]通过对热力学第二定理的分析与论证证明了在CO2 跨临界循环系统中存在着极大的能量不可逆损失，其中从超临界区到两相区的等焓节流过程所产生的节流损失是所占比例最大的一处。回收膨胀功是降低循环中节流损失的有效手段，有研究显示，理想膨胀机能够起到提高系统性能45%~75%的功效[2]，所以，采取一些膨胀机构来减少节流损失的方法已成为许多学者研究的热点，其中应用喷射器回收热量和能量的制冷系统受到广泛青睐[3] [4]。

国内外学者围绕带喷射器的跨临界CO2 热泵系统性能先后展开了数值模拟和试验研究，研究内容从变工况和结构参数对系统性能的作用影响，以及改进系统热力性能的提升举措，发展到对喷射器的工作特性评价和内部CO2 工质流场复杂流动机理的探究方面。现有的研究结果已经证明喷射器的工作性能对系统性能会产生重要的影响，工质在喷射器内部流动所形成的复杂流动机理会直接影响到喷射器的性能优劣，并作用到喷射器与整个系统的匹配运行。Lucas [5]等采用均质平衡模型模拟CO2 两相引射器内部流动过程，结果表明在某些工况下采用该模型能够获得较为可信的流动信息。Palacz [6]研究均匀平衡模型的适用范围时发现，该模型在临界点和饱和线附近的预测精度相对较高，而在其他区域则产生较大的偏差。Zhu [7]采用纹影技术研究了喷嘴出口流体过渡膨胀激波结构，并分析了第一激波长度对喷射器性能的影响规律。Deng [8]等采用高速摄影技术对CO2 两相喷射器开展可视化研究，对喷射器中流体混合过程和喷嘴内部的流体结构进行了分析。以往研究主要是通过分析喷射器典型流动特征深入掌握喷射器特性和完善喷射器理论而评价喷射器的不可逆损失的研究则很少。

Besagnil [9]等基于均匀平衡流动模型， 采用计算流体动力学方法获得喷射器内部流场信息分析了喷射器部件效率随操作工况和结构改变的变化规律，指出各部件效率的主要影响因素。此外，Chen [10]基于Huang [11]的实验数据拟合得到了计算喷