二氧化碳喷射器运行效率的实验研究

张金锐　吴静怡　EIKEVIK Trygve Magne

(1 上海交通大学制冷与低温工程研究所　上海　200240；2 挪威科技大学 特隆赫姆　7491)



二氧化碳喷射器运行效率的实验研究

张金锐1吴静怡1EIKEVIK Trygve Magne2

(1 上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240；2 挪威科技大学 特隆赫姆7491)

本文针对一个新型二氧化碳喷射器进行相关实验研究。通过对一个两相二氧化碳喷射器制冷系统进行不同试验工况的实验：主喷嘴入口温度从19～31 ℃，气冷器出口压力从6～8 MPa，从而得出喷射器效率最优时各个参数的范围。实验结果显示，引射比为0.4～0.8、喷射器出口压力和喷射器引射端压力的比值为1.09～1.20时，喷射器的工作效率较高。而在压比为1.132时，喷射器可以达到最高效率为0.389。文中还对针对质量流量进行了数学拟合，拟合结果与实验结果较为吻合，实验结果为喷射器的设计和应用提供了实验基础。

喷射器；超临界状态；试验工况；天然制冷剂；CO2

目前温室效应以及其他的环境问题越来越得到人们的重视，环境友好型工质在制冷系统中的应用已经成为制冷领域发展的重要任务之一。环境友好型自然工质二氧化碳因为其诸多优点，已经越来越受到国内外制冷领域的青睐[1-3]。二氧化碳由于临界温度低、临界压力高，在制冷和热泵工况中多采用跨临界循环。而跨临界二氧化碳循环有着很高的节流损失，如何减少节流损失提高系统的效率成为国内外研究的热点。喷射器是其中一种解决方案，它可以有效减少节流损失提高系统效率。喷射器主要由主喷嘴、引射喷嘴、混合扩压腔和出口喷嘴组成，是一个静态组件，没有任何移动部分，不需要特别的润滑，具有稳定、安全、可靠的优点[4-6]。Lucas C 等[7]通过比较二氧化碳喷射器系统和二氧化碳膨胀阀系统，发现带有喷射器的二氧化碳系统的COP比传统系统的COP提高了17%。Banasiak K等[8]和 Elbel S等[9]的研究也表明喷射器可以使二氧化碳系统的COP最高提升到15%。在Hafner A等[10]的研究中可以看出喷射器可以提高运用在超市中二氧化碳制冷系统的效率。

然而，至今针对二氧化碳喷射器系统的实验研究还不多，大多是通过数值方法建立模型进行研究，由于喷射器内部流体流动的复杂性和喷射器几何结构的多样性[11]，对于二氧化碳喷射器的研究还需要大量的实验支持。本文便是通过对一个新型喷射器进行不同工况的实验研究，得出了喷射器效率最优时各个参数的范围。并且对喷射器入口和引射喷嘴入口质量流量进行了数学拟合，拟合结果和实验结果的对比表明在该实验工况下吻合度较高。

1 实验系统描述

图1所示为该喷射器示意图，主喷嘴流体和引射流体在其中相互作用，经历了复杂的混合和压力恢复过程[12]。喷射器主要包括四个部分：主喷嘴部分、引射部分、混合扩压部分和出口部分。该喷射器主要技术参数包括：主喷嘴部分入口角度30°、出口角度2°，引射部分入口角度42°，混合扩压部分长度100 mm，出口部分角度5°。两股流体在喷射器中主要有两个关键过程：主喷嘴部分的文丘里效应和混合扩压部分混合中动量守恒。喷射器实际上是一个由主喷嘴流体驱动的流体泵，可以吸进引射流体并提高引射流压力[13-16]。

1主喷嘴部分 2引射部分 3混合扩压部分 4出口部分图1 喷射器示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of ejector

图2所示为一个二氧化碳喷射器系统。图中标明了主要的测量点以及管路。该系统共有三个压缩机：一个主压缩机和两个与之并联的压缩机。主压缩机和两个并联压缩机拥有不同的负荷和压力水平。主压缩机与一个引射流累加罐相连，两个并联压缩机与储液器相连。

T0、Tmni温度传感器Pgc、Psuc、Pout 压力传感器流量计图2 简化二氧化碳系统及ENEX喷射器的安装情况Fig.2 Simplified overview of the experimental R744 system>and the installation of the ENEX ejector

该系统可以在只有主压缩机工作的情况下运行，在这种工况下，二氧化碳从主压缩机压缩进入气冷器冷凝，再进入喷射器的主喷嘴与引射流混合之后成为两相流进入储液器气液分离，气相直接回主压缩机进行压缩，液相进入节流阀进行节流，再进入蒸发器，最后进入引射流累加罐，再引射进入喷射器与主喷嘴流混合成为一个循环。而当并联压缩机同时运行时，从喷射器出来的气相分流进入主压缩机与并联压缩机。主压缩机与并联压缩机之间的控制阀可以用来调节流量配比。该系统有两个串联的气冷器与两个并联的蒸发器：两个串联的气冷器分别有辅助冷却系统，确保制冷工质冷却到所需温度；一般工况下只有一个蒸发器工作，当制冷负荷过大时，两个并联蒸发器可同时运行。而在喷射器端有两个阀门进行控制，一个在主喷嘴入口，另一个在引射喷嘴入口。当喷射器工作时，这两个阀门应该打开。

实验测量中采用两个温度传感器、3个压力传感器和两个流量计，如图1所示。其他部件显示略(回油系统、其他传感器等)。

此实验系统还配有两个冷却水回路和两个乙二醇回路，这些回路可以提供气体冷却器放热和蒸发器吸热所需的冷量和热量。气冷器乙二醇回路用来吸收气体冷却器释放的热量并且把热量提供给蒸发器。蒸发器乙二醇回路用来给蒸发器提供所需热量。其中一个冷却水回路可以预冷乙二醇，另外一个低温冷却水回路在冷却不足时可以带走气冷器的热量，使气冷器出口温度更低。此外还有一个电加热器安装在乙二醇储藏器中用来为蒸发器提供热量。

图3 乙二醇回路Fig.3 The glycol loops

实验系统的主要组成部分介绍如下。压缩机列于表1中，热交换器列于表2中，表3中列出了温度和压力传感器的量程以及精度。所有的传感器都连接于Danfoss控制器，且每一个都可以起到控制、显示和保护作用。

表1 压缩机

表2 热交换器

2 系统实验

为了找出喷射器工作效率最优的工况范围，实验

表3 传感器

本文用实验的方法在不同实验点上测试了ENEX喷射器在二氧化碳喷射器系统中的工作情况，得出了喷射器效率最优时各个参数的范围。在实验中，蒸发温度设定为-8 ℃，喷射器主喷嘴进口温度从21～33 ℃，每次增加1 ℃，气冷器出口压力为6～8 MPa。

为了描述喷射器的工作状态，计算喷射器引射质量流量比、喷射器的压比和喷射器效率如下。

表4 试验工况

(1)

压比(Π)是喷射器出口压力(pout)与喷射器引射端压力(psuc)之比：

(2)

(3)

3 实验结果与分析

图4所示为实验中的一个工况：主喷嘴进口温度为30 ℃，喷射器出口压力为8 MPa，蒸发温度为-8 ℃。在这个相对较高的主喷嘴入口温度下，喷射器的工作状况很好。由图3中可知，质量流量比随着压比的升高而下降。因为喷射器引射端的压力基本稳定，所以压比升高，储液器的压力升高，质量流量比就会下降。由图3还可以看出，随着压比的增加，效率由小变大，再由大变小，当压比为1.16时，达到最高效率0.37。

由于许多参数与喷射器工作状况相关，所以这里采用三维图表来表示这些参数与喷射器效率之间的关系。运用Teroplot绘图软件把不同参数表示在3D图表中，不同的坐标轴分别是气冷器出口压力(pgc)、主喷嘴入口温度(Tmni)和压比(Π)。从图中可以看到效率较高的圆形点分布集中在所有点的中间位置。图5和图6所示分别为图4中三个参数中两个参数的关系图。

图4 压比与效率及质量流量比之间的关系Fig.4 The relation between efficiency, mass flow and pressure ratio

图5 所有实验点的3D图Fig.5 3D-representation of all test points

图6 出口压力与压比图(包络线内区域效率高于0.3，喷射器入口温度范围20～30 ℃)Fig. 6 2D-representation of discharge pressure and the pressure ratio (within the envelope efficiency is above 0.3, and the inlet temperature is 20～30 ℃)

由图6可知：包络线中区域喷射器效率较高，其中一个三角形点的效率为0.297，也属于效率较高的点。随着喷射器出口压力的升高，在压比适中时可以得到较高的喷射器效率，压比范围大概为1.09～1.20。这就是说喷射器在合适的压比下可以在比较广的出口压力下得到较高的效率。

由图7可知，包络线中效率较高，其中一个三角形点的效率同样是0.297。随着主喷嘴入口温度的升高，在中间压比下喷射器可以达到较高的效率。而当压比继续升高的情况下，喷射器的效率会降得非常低。所以在实际运行过程中应该避免压比过高的情况。比较图5与图6可以发现效率最高的圆形点都集中在中间的位置，也就是包络线内，这说明在不同的气冷器出口压力和主喷嘴入口温度下，在包络线内的区域喷射器可以得到更高的效率。

图7 主喷嘴温度与压比图(包络线内区域效率高于0.3，气冷器出口压力范围6～8.4 MPa)Fig.7 2D-representation of inlet temperature and pressure ratio (within the envelope efficiency is above 0.3, and the discharge pressure is 6～8.4 MPa)

图8中包络线内区域效率高于0.3，气冷器出口压力范围6～8.4 MPa，在包络线范围中，压比为1.09～1.21之间、质量流量比为0.4～0.8时喷射器效率更高。这就是说当质量流量比过小时，引射流量过小，喷射器无法减少能量消耗所以工作效率较低；而当质量流量比过大时，主喷嘴流量和引射流量相当，喷射器能够减少的能量消耗有限，所以效率也较低。因此，在喷射器实际运行过程中，质量流量比需维持在比较适中的条件下。

图8 压比和质量流量比与效率的关系(包络线内区域效率高于0.3，喷射器入口温度范围20～30 ℃，气冷器出口压力范围6～8.4 MPa)Fig.8 2D-representation of pressure ratio and entrainment ratio (within the envelope efficiency is above 0.3, and the inlet temperature is 20～30 ℃, the discharge pressure is 6～8.4 MPa)

由图9可知，随着喷射器入口温度变化，气冷器出口压力的变化为6～8 MPa。从图中可以看出，在压比为1.09～1.20、质量流量比为0.4～0.8时，除了19 ℃时最高喷射器效率低于0.35，其他所有试验工况的最高效率都高于0.35，说明在压比与质量流量比合适的情况下，该喷射器可以在较广的喷射器入口温度变化范围内达到较高的效率，从而为整个系统节省可观的能量损耗。

从实验结果可以看出，喷射器在主喷嘴入口温度较高时工作效率高。这是因为入口温度越高膨胀节流的损失就越大，而喷射器能够节约的能量就越大，所以效率更高。也就是说喷射器更适宜气候较为温暖或者炎热的地区使用，这样喷射器能帮助系统提高COP。

在得到实验数据之后，本文还进行了一些拟合工

图9 主喷嘴入口温度与最高效率之间的关系(标签分别为气冷器出口压力和压比)Fig.9 The relation between inlet temperature and the highest efficiency (the marks is discharge pressure and pressure ratio)

作。主喷嘴的流量可以由实验所测的参数使用数学公式拟合得到：

(4)

表5 待定系数以及测量值和拟合值相对误差

从表5可以看出，拟合方程可以较好地拟合本实验的测试点，误差较小。所以在流量计缺失或者损坏的情况下，可以使用拟合公式得到主喷嘴的流量。

此外，引射喷嘴的工作情况也可以利用公式，由实验所测参数拟合获得：

(5)

由表6可知，拟合结果与实际测量值相吻合。因此在流量计缺失或者损坏的情况下，同样可以通过其他参数运用数学公式拟合得到引射流流量。

4 总结

本文用实验的方法在不同实验点上测试了喷射器在二氧化碳喷射器系统中工作的情况，蒸发温度设定为-8 ℃，改变喷射器主喷嘴进口温度19～31 ℃以及气冷器出口压力6～8 MPa，得到一系列关于喷射器性能的实验点，进行比较得出最佳工作工况。在实验的最后进行一些拟合工作，发现与实验结果较为吻合。

表6 各个待定系数以及测量值和拟合值的绝对误差范围

从实验结果中可以得出，该喷射器在压比为1.09～1.20、质量流量比为0.4～0.8的条件下，可以达到较高的效率。最高效率为0.389，是在喷射器出口压力为6.5 MPa、入口温度为23.2 ℃、质量流量比为0.56、压比为1.132时达到的。

从实验中还可以看出，在不同的出口压力下，中间压比的实验点效率更高，而且随着主喷嘴入口温度的升高，效率较高的实验点出现在更高的压比下。从实验结果可以看出，喷射器在主喷嘴入口温度较高时工作效率较高。

[1]崔晓龙, 邢子文. 水冷式跨临界CO2商用热泵热水器实验研究[J]. 制冷学报, 2009, 30(3): 11-15. (CUI Xiaolong, XING Ziwen. Experimental study on commercial water source heat pump with transcritical CO2cycle[J]. Journal of Refrigeration，2009，30(3)：11-15.)

[2]杨亮, 丁国良, 黄冬平, 等. 超临界二氧化碳流动和换热研究进展[J]. 制冷学报, 2003, 24(2): 51-56. (YANG Liang, DING Guoliang, HUANG Dongping, et al. Review of flow and heat transfer of supercritical carbon dioxide[J]. Journal of Refrigeration, 2003, 24(2): 51-56.)

[3]陈江平, 穆景阳, 刘军朴, 等. 二氧化碳跨临界汽车空调系统开发[J]. 制冷学报, 2002, 23(3): 14-17. (CHEN Jiangping, MU Jingyang, LIU Junpu, et al. Development of the trans-critical carbon-dioxide automotive air-conditioning system[J]. Journal of Refrigeration, 2002, 23(3): 14-17.)

[4]姜云涛, 马一太, 李敏霞, 等. 二氧化碳跨临界循环系统用新型膨胀机的研发[J]. 制冷学报, 2010, 31(5)：1-4.(JIANG Yuntao, MA Yitai, LI Minxia, et al. Development of newly-designed expander used in CO2trans-critical system[J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(5): 1-4.)

[5]戚大威, 柳建华, 张良, 等. 蒸汽压缩/喷射制冷系统喷射器设计及节能分析[J]. 制冷学报, 2014, 35(1): 103-108. (QI Dawei, LIU Jianhua, ZHANG Liang, et al. Ejector design and energy-saving analysis of vapor compression /ejection refrigeration system[J]. Journal of Refrigeration, 2014, 35(1): 103-108. )

[6]庞宗占, 马国远. 喷射器对准二级压缩-喷射符合热泵系统性能的影响[J]. 制冷学报, 2007, 28(5): 26-30. (PANG Zongzhan, MA Guoyuan．Effects of ejector on performances of quasi two-state compression heat pump system coupled with ejector[J]. Journal of Refrigeration, 2007, 28(5) : 26-30.)

[7]Lucas C, Koehler J. Experimental investigation of the COP improvement of a refrigeration cycle by use of an ejector [J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(6): 1595-1603.

[8]Banasiak K, Hafner A, Andresen T. Experimental and numerical investigation of the influence of the two-phase ejector geometry on the performance of the R744 heat pump [J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(6): 1617-1625.

[9]Elbel S. Experimental and analytical investigation of a two-phase ejector used for expansion work recovery in a transcritical R744 air-conditioning system[M]. ProQuest, 2007.

[10] Hafner A, Försterling S, Banasiak K. Multi-ejector concept for R-744 supermarket refrigeration[J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 43(4): 1-13.

[11] 陈亮, 刘敬辉, 陈江平, 等. 两相流喷射器流动模型研究[J]. 制冷学报, 2010, 31(2): 26-31. (CHEN Liang，LIU Jinghui，CHEN Jiangping，et al．Model investigation of jet flow inside two-phase ejector[J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(2): 26-31. )

[12] 熊杰, 王如竹. 基于单相 R744 喷射器系统的引射比计算模型及其实验验证[J]. 制冷技术, 2015, 35(2): 1-7. (XIONG Jie, WANG Ruzhu. Mathematical model and experimental validation for mass entrainment ratio of ejector system with single phase R744[J]. Refrigeration Technology, 2015, 35(2): 1-7.)

[13] Lucas C, Koehler J. Experimental investigation of the COP improvement of a refrigeration cycle by use of an ejector[J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(6): 1595-1603.

[14] Bergander M J. Refrigeration cycle with two-phase condensing ejector[C]//International Refrigeration and Air Conditioning. Purdue, 2006.

[15] Elbel S. Historical and present developments of ejetor refrigeration systems with emphasis on transcritical carbon dioxide air-conditioning applications[J]. Iternational Journal of Refrigeration, 2011, 34(7): 1545-1561.

[16] Banasiak K, Hafner A. 1D Computational model of a two-phase R744 ejector for expansion work recovery[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011, 50(11): 2235-2247.

About the corresponding author

Wu Jingyi，female, Ph. D., professor, doctoral supervisor, Director of School Council, Institure of Refrigeration and Cryogenics, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, +86 15021080118, E-mail: jywu@sjtu.edu.cn. Research fields: aerospace thermal environment simulation systems and control, distributed energy and heat pumps, refrigeration and air conditioning energy use and environmental control.

Experimental Investigation of R744 Ejector Efficiency

Zhang Jinrui1Wu Jingyi1EIKEVIK Trygve Magne2

(1.Institure of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China; 2.Norwegian University of Science and Technology, KolbjornHejesvei 1B, Trondheim, 7491, Norway)

The performance of a new ejector is investigated experimentally in this paper. A range of different test points is tested in order to give an overall view of the ejector performance. The motive nozzle inlet temperature is from 19 ℃ to 31 ℃ and the gas cooler outlet pressure is from 6 MPa to 8 MPa. The test facility used in this experimental analysis is a two-phase ejector refrigeration system with R744 as a working fluid. The experiment results show that the ejector works more efficiently when the entrainment ratio changes from 0.4 to 0.8 and the pressure ratio is from 1.09 to 1.20 approximately. Moreover, the best efficiency, which can be achieved when the pressure ratio is 1.132 approximately, is 0.389. The fitted mass flow rate agree well with the experiment results. The experiment results provide a basis for application and design of ejector.

ejector; supercritical; test condition; natural refrigerant; CO2

0253- 4339(2016) 03- 0074- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.074

2015年10月10日

TQ051.5；TB69；TB657

A

简介

吴静怡，女，教授，博士生导师，上海交通大学教务处处长，上海交通大学机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所，15021080118，E-mail：jywu@sjtu.edu.cn。研究方向：航天热环境模拟系统及其控制、分布式能源与热泵、制冷空调中的能源利用与环境控制。