CN104504252B - 一种跨临界co2制冷循环中喷射器的扩压室效率的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨临界CO₂制冷循环中喷射器的扩压室效率的评价方法，该评价方法利用压力系数来评价喷射器的扩压室效率；压力系数是基于扩压室进出口压力表示的，压力系数的表达式为式中p为实际循环过程喷射器扩压室出口压力，p_s为理想循环过程喷射器扩压室出口压力，p_e为喷射器扩压室进口压力。本发明方法采用压力系数来评价喷射器扩压室的效率，测量起来更加方便，而且评价喷射器扩压室的工作更加准确，更准确的解释喷射器内部流动的壅塞现象。

Description

一种跨临界CO2制冷循环中喷射器的扩压室效率的评价方法

技术领域

本发明涉及一种喷射器的扩压室工作效率的评价方法，尤其是涉及一种跨临界CO₂制冷循环中喷射器的扩压室效率的评价方法。

背景技术

由于能源紧张以及环境污染严重，寻求各种环境友好型、可持续型能源，发展节能技术事在必行。CO₂以其独特的热物理性质和环境友好性能受到很多学者的重视。然而，由于其临界温度只有31.1℃，由其构成的跨临界循环***的高低压两侧的压力差将达到7MPa，而且过热损失和节流损失都比较大。其中，如何减少***节流损失成为提高CO₂制冷***的性能系数(COP)的一个重要研究内容。

国内外学者通过理论分析和实验验证，提出运用喷射器可以减少膨胀过程的节流损失，回收部分压力能。而且喷射器具有结构简单、成本低、无运动部件、适应两相流工况等优点。目前，许多学者对CO₂蒸气压缩/喷射制冷循环进行了一些理论分析研究，得出理论上***性能系数COP比简单循环提高了20％以上。

大多研究者分析时，假设在喷射器中，理想循环过程与实际循环过程的喷射器扩压室出口压力相同；然而在喷射器内部存在复杂的紊流混合过程、摩擦损失和出现壅塞现象等因素，实际循环过程喷射器扩压室出口压力与理想循环过程喷射器扩压室出口压力会有所不同。因此，传统基于理想循环过程与实际 循环过程的喷射器扩压室出口压力相同条件下所作的评估跨临界CO₂制冷循环中喷射器的扩压室效率评估结果就不够可靠。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种跨临界CO₂制冷循环中喷射器的扩压室效率的评价方法，通过利用压力系数来评价喷射器的扩压室效率，能够更合理更准确的评价喷射器内部复杂的紊流混合过程，确定出摩擦损失和壅塞现象对扩压室工作效率的影响。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

本发明跨临界CO₂制冷循环中喷射器的扩压室效率的评价方法，所述的喷射器主要包括喷嘴、扩压室和混合室，该评价方法包括如下操作步骤：

1)先忽略喷射器进出口流体动能，忽略引射流体在引射喷嘴内的压力降，假设混合室内为等压混合过程；

2)然后采用如下步骤得到压力系数：

a.输入喷嘴进口的温度T₁、压力p₁，蒸发器温度T₂以及喷嘴效率η_p；

b.通过制冷物性参数软件refprop8.0查询喷嘴进口焓值h₁＝h(T₁,p₁)、熵值s₁＝s(T₁,p₁)，喷嘴的理想出口焓值h_2s＝h(T₂,s₁)和引射流进口饱和蒸汽焓值h₃＝h(T₂)；

c.依次计算喷嘴的实际出口焓值h₂＝h₁-η_p(h₁-h_2s)和实际出口流速

d.预设喷射系数μ的初值，依次计算

扩压室进口流速u₅＝u₂/(1+μ)，喷射器出口焓值h₆＝(h₁+h₃*μ)/(1+μ)，扩压室进口焓值h₅＝h₆-(u₅)²/2；

查询扩压室进口熵值s₅＝s(T₂,h₅)，当扩压室处于理想状态时，h_6s＝h₆，s_6s＝s₅，喷射器出口干度x_6s＝x(h_6s,s_6s)、压力p_6s＝p(h_6s,s_6s)；

最后计算喷射系数μ’＝1/x_6s-1，判断μ＝μ’是否成立，若成立，理想循环过程喷射器扩压室出口压力为p_s＝p_6s，否则改变喷射系数μ的值进行迭代计算直到等式成立；

e.定义压力系数式中p_e为喷射器扩压室进口压力，p为实际循环过程喷射器扩压室出口压力，由于该压力系数η_d的变化规律能反映扩压效率η_k的变化规律，从而实现利用压力系数来评价喷射器的扩压室效率。

所述步骤2)中喷嘴效率η_p为常数，取值在0～1之间。

由于实际循环过程喷射器扩压室出口压力与理想循环过程喷射器扩压室出口压力不同，因此，通过定义压力系数η_d来描述喷射器扩压室的工作效率，能够更恰当的描述喷射器扩压室的工作状况，且方便测量确定。

附图说明

图1是跨临界CO₂蒸气压缩/喷射制冷***简图。

图2是采用传统方法的跨临界CO₂蒸气压缩/喷射制冷***p-h图。

图3是采用本发明方法的跨临界CO₂蒸气压缩/喷射制冷***p-h图。

图4是采用本发明方法与传统方法时喷射系数μ随压力系数η_d和扩压效率η_k的变化状态图。

图5是采用本发明方法与传统方法时COP随压力系数η_d和扩压效率η_k的变化。

图中：

1.工作流体进口,

2.喷嘴的实际状态出口，

2s.喷嘴的理想状态出口，

3.引射流体进口，

4.混合室进口，

5.扩压室进口，

6.喷射器实际状态出口，

6s.喷射器理想状态出口，

7.实际气液分离器气相出口，

6g.理想气液分离器气相出口

8.实际气体冷却器进口，

12.理想气体冷却器进口

9.实际气液分离器液相出口，

6l.理想气液分离器液相出口，

10.实际蒸发处进口，

11.理想蒸发器进口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法作进一步说明。

如图1所示，跨临界CO₂蒸气压缩/喷射制冷***的工作过程为：

从气体冷却器出来的处于热力状态的高压CO₂气体从工作流体进口1进入喷射器，通过喷嘴降压增速到实际状态出口2(理想循环过程等熵膨胀到理想状态出口2s)，将压力能转化为动能时，由蒸发器出口来的饱和蒸气从引射流体进口3通过引射喷嘴被引射到吸入室的混合室进口4，然后在混合室与工作流体等压混合进入扩压室进口5；随后混合流体通过扩压室升压至喷射器实际状态出口6 (理想循环过程等熵压缩到喷射器理想状态出口6s)；之后在气液分离器中分离成饱和液体从实际气液分离器液相出口9出来，饱和气体从实际气液分离器气相出口7出来(理想循环过程分别对应为理想气液分离器液相出口6l和理想气液分离器气相出口6g)；饱和液体通过膨胀阀膨胀至实际蒸发处进口10(理想循环过程为理想蒸发器进口11)，随后进入蒸发器蒸发制冷又进入引射流体进口3；饱和气体进入压缩机压缩至高温高压再进入实际气体冷却器进口8(理想循环过程为理想气体冷却器进口12)，然后通过气体冷却器等压冷却至工作流体进口1。

本发明中指出喷射器扩压室出口压力在实际循环与理想循环两种情况下不同，如图2与图3所示。

图2中是传统方法假定喷射器扩压室的进出口压力在实际和理想情况下相同的情况下，评价喷射器扩压室效率的扩压效率η_k是基于扩压室进出口焓值的，形如

而本发明是引用压力系数η_d来评价喷射器扩压室的工作效率，此压力系数η_d是基于喷射器扩压室的进出口压力的，为：

通过运用MATLAB编写程序，对CO₂跨临界喷射制冷循环做了数值模拟计算，本实例选定相关参数为：气体冷却器出口温度T₁＝36℃、蒸发温度T_e＝5℃、喷嘴效率η_p＝0.7。

压力系数η_d的具体计算流程：

a.输入喷嘴进口的温度T₁，压力p₁，蒸发器出口温度T₂以及喷嘴效率η_p；

b.根据本发明方法计算喷射器理想出口压力p_6s；

c.查询计算相关参数h₁,h_2s,h₂,h₃,u₂,s₁,s₃,p5,p₆；

d.预设喷射系数μ的初值；

e.计算喷射器出口焓值h₆＝(h₁+h₃*μ)/(1+μ)，查询干度x₆＝x(p₆,h₆)；

f.计算喷射系数μ’＝1/x_6s-1，迭代计算直至μ＝μ’成立；

g.计算相关参数T₆,s₆,h₇,s₇,h_8s,h₈,T₈,h₉；

h.计算单位制冷量q＝(h₃-h₉)*μ/(1+μ)和压缩机单位耗功w＝(h₈-h₇)/(1+μ)；

i.计算性能系数COP＝q/w,并绘图。

由图4和图5可以很明显看出，μ和COP随压力系数η_d的变化规律与其随扩压效率η_k的变化规律基本一致，然而图3定义的压力系数η_d是基于扩压室进出口的压力，这可以更恰当的解释喷射器内部流动的壅塞现象，且能更方便地准确测量。

Claims (2)

1.一种跨临界CO₂制冷循环中喷射器的扩压室效率的评价方法，所述的喷射器主要包括喷嘴、扩压室和混合室，其特征在于，该评价方法包括如下操作步骤：

1)先忽略喷射器进出口流体动能，忽略引射流体在引射喷嘴内的压力降，假设混合室内为等压混合过程；

2)采用如下步骤得到压力系数：

a.输入喷嘴进口的温度T₁、压力p₁，蒸发器温度T₂以及喷嘴效率η_p；

b.通过制冷物性参数软件refprop8.0查询喷嘴进口焓值h₁＝h(T₁,p₁)、熵值s₁＝s(T₁,p₁)，喷嘴的理想出口焓值h_2s＝h(T₂,s₁)和引射流进口饱和蒸汽焓值h₃＝h(T₂)；

c.依次计算喷嘴的实际出口焓值h₂＝h₁-η_p(h₁-h_2s)和实际出口流速

d.预设喷射系数μ的初值，依次计算

扩压室进口流速u₅＝u₂/(1+μ)，喷射器出口焓值h₆＝(h₁+h₃*μ)/(1+μ)，扩压室进口焓值h₅＝h₆-(u₅)²/2；

查询扩压室进口熵值s₅＝s(T₂,h₅)，当扩压室处于理想状态时，h_6s＝h₆，s_6s＝s₅，喷射器出口干度x_6s＝x(h_6s,s_6s)、压力p_6s＝p(h_6s,s_6s)；

最后计算喷射系数μ’＝1/x_6s-1，判断μ＝μ’是否成立，若成立，理想循环过程喷射器扩压室出口压力为p_s＝p_6s，否则改变喷射系数μ的值进行迭代计算直到等式成立；

e.定义压力系数式中p_e为喷射器扩压室进口压力，p为实际循环过程喷射器扩压室出口压力，由于该压力系数η_d的变化规律能反映扩压效率η_k的变化规律，从而实现利用压力系数来评价喷射器的扩压室效率。

2.根据权利要求1所述跨临界CO₂制冷循环中喷射器的扩压室效率的评价方法，其特征在于，所述步骤2)中喷嘴效率η_p为常数，取值在0～1之间。