基于沸腾空化模型的跨临界CO2喷射器性能优化

喷射器内存在的激波效应对其性能有重要影响,现有的一维模型无法实现对激波的捕捉。在处理非平衡相变、超音速流和激波等复杂现象时,建立CO2两相喷射器三维模型来捕捉喷射器超音速喷嘴处的激波特性,采用空化和沸腾相变模型来模拟流体的相变过程。经与文献的实验验证,沸腾空化模型能够准确分析喷射器的性能,喷射系数的最大误差为4.3%;进行5种湍流模型的对比,其中SST k-ω模型能很好地预测内部流动,喷射系数的最大误差为5.8%。进一步对设计工况下喷射器的几何尺寸混合段与扩散段进行优化,分析其与激波间的关系。结果表明:1)分析扩散角变化的影响,存在一个使摩擦损失与湍动能损耗都较小的最佳扩散角;2)在一定的工况下,存在最佳的混合室长度和直径使喷射系数较高,当混合室直径一定时,增加混合室长度有助于增加激波链的长度,但超过最佳混合室长度时,激波的强度逐渐减弱;在混合室长度不变时,减小混合室直径会使工作喷嘴出口处的激波幅度减弱,扩散室入口处的激波增强,但过多的增加混合室直径会使混合室的作用降低,失去升压效果。

带喷射器的CO2汽车空调系统性能研究

本文对CO2汽车空调系统进行了研究,分析对比了CO2喷射系统和CO2常规系统的性能,研究喷射系统对于提高CO2空调系统性能能效的影响,包括高压工况下的系统能效对比、喷射器喉部尺寸的影响以及充注量的影响。结果表明:在高压11.3 MPa工况下,带喷射器的CO2系统能够提高6.6%的制冷量,性能系数(Coefficient of Performance,COP)可提升6.1%,在满足相同制冷量的情况下,COP甚至可以提高13.9%;实验中喷射器喉部直径分别为1.00、1.08和1.20 mm,随着喉部直径的减小,COP先增大再减小,当喉部尺寸为1.08 mm时,COP最高,达到1.6;在蒸发器部分带液时,随着充注量的增加,喷射器单体效率先下降后上升。

带喷射器的CO2制冷系统运行特性研究

在CO2系统中,喷射器会重新分配制冷剂质量流量,改变储液器内制冷剂干度,提升系统性能系数(COP)。本文以低提升压力型电控跨临界多联喷射器(CTM-LP)和高提升压力型电控跨临界多联喷射器(CTM-HP)喷射器为研究对象,采用已有的引射比数据库,建立了带喷射器的CO2制冷系统模型。研究表明:在3.5 MPa蒸发压力下,CTM-LP喷射器开启后,系统COP提升了10%~19%,旁通阀的质量流量增加了103%~267%;CTM-HP喷射器开启后,系统COP提升了4%~8%,并行压缩机的质量流量最大增加了114%,而主压缩机的质量流量降低了66%。

带喷射器的跨临界CO_2热泵热水器系统的实验研究

设计了一套带喷射器的跨临界CO2热泵热水器系统实验平台,开发了相应的计算机测控系统.进行了改变冷却水体积流量和进口温度对系统性能影响的实验研究,分析了制热系数、制热量、压比、喷射系数、升压比、喷射器效率等参数的变化趋势.实验结果表明:随着冷却水体积流量减小或进口温度增加,喷射系数增加的同时,升压比也增加,而喷射器效率却降低;在测试工况范围内喷射器效率最高达到34%,升压比最高达到1.165;在蒸发温度为-5℃时,制热系数达到3左右.带喷射器的跨临界CO2热泵热水器循环的压缩机压比与传统循环相比减少了12%～14%,喷射器的引入有效地提高了跨临界CO2热泵热水器循环的效率.

跨临界CO_2带膨胀机和带喷射器逆循环的性能比较

摘要：针对跨临界CO2带膨胀机和带喷射器逆循环的差异，从循环工作原理、CO2超临界流体降压过程及循环性能三方面进行对比分析。利用蒸发波理论分析了CO2超临界流体降压过程，结果表明这两个降压过程均是由亚稳态经历蒸发波后发生气液两相流的，其过程均受蒸发波影响。当其他条件相同，气体冷却器出口温度为35℃时，带膨胀机仇为0．7循环的EER最大值比带喷射器肛为0．7循环的EER最大值高24％，而在蒸发温度为5℃时，前者的EER最大值比后者的EER最大值高33％。在比较工况下，跨临界CO2带膨胀机循环在膨胀机绝热效率为30％-70％时的效率普遍高于带喷射器循环在喷射系数为0．3～0．7时的效率。

跨临界CO_2热泵系统的喷射器特性

在自行研制的跨临界CO2热泵热水器实验台上,通过调节系统中阀门开度控制喷射器的进出口压力和温度,研究喷射器的流量、喷射系数、压缩比和效率的变化规律。实验结果表明:同时增大工作流体压力和引射流体压力可以提高喷射器的工作性能,减小工作流体压力或者增大引射流体压力可以提高喷射器的工作完善度。高效率喷射器的研制是优化跨临界CO2热泵系统的关键要素。

亚临界CO_2在缩放喷管中降压膨胀的数值模拟

忽略两相间的滑移速度,采用Fluent中的混合模型对亚临界CO2过冷液体进入缩放喷管降压膨胀产生气泡的两相流动过程进行了二维数值模拟.其中,气液两相间单位体积内的质量传递率采用空化模型理论进行计算.计算工况如下:喷管液体CO2进口压力为6.1 MPa,温度为293.15 K,喷管出口为两相状态.计算结果显示,CO2工质流经喉部时,压力急剧降低,相间的质量传递率达到最大值,CO2工质发生相变;工质进入扩散段后,随着压力降低,气体份额不断增大,喷管出口压力为1.65 MPa时,气体体积份额约为0.93.数值模拟值与实验值对比结果为,计算压力与实测压力值最大误差不超过10.1%,计算温度与实测温度值最大误差不超过1.9%.数值模拟揭示了亚临界CO2在喷管中的气液两相膨胀过程.

跨临界CO_2蒸气压缩-引射制冷循环的性能分析

CO2跨临界基本循环由于节流损失较大使其能效比较低,采用引射器替换节流阀可以回收部分膨胀功,进而提高循环的性能系数。针对跨临界CO2压缩-引射制冷循环建立了热力学模型,考虑了引射器喷嘴出口与蒸发器之间的压力差异,并分析了吸入压差值、气体冷却器压力、气体冷却器出口温度、蒸发温度及蒸发器出口过热度对循环性能的影响。结果表明:在一定工况下存在一最佳吸入压差,使引射器提升压力值和循环COP提高率达到最大值,典型空调工况下最佳吸入压差约为0.34 MPa。吸入压差的取值对引射系数和循环最优排气压力值影响很小。

跨临界CO_2压缩喷射系统稳定性实验研究

为了研究跨临界CO2压缩喷射系统的稳定性,在自行搭建的实验台上进行了改变工作环境参数及调节节流阀开度对系统稳定性影响的实验.通过分析实验工况下工作流体压力、引射流体压力、背压、工作流体流量、引射流体流量、喷射系数和升压比的变化趋势,得出以下系统稳定性规律:当冷却水流量变化或节流阀开度变化时,系统将从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态,在过渡阶段系统处于不稳定状态;当节流阀开度接近全开(90%)时,工作流体压力将超过压力极限,工作流体流量将达到压缩机的阻塞工况,系统越来越偏离稳定工况,必须及时关闭系统;当节流阀开度接近全关(5%)时,引射流体流量不断减小,最终减小为零,喷射器不再卷吸引射流体,必须及时关闭系统.

跨临界CO_2引射制冷系统控制性能

本文建立了两种控制器(单通道最优控制器(SCOC)和多变量线性二次高斯控制器(LQG))以改善跨临界CO_2引射制冷系统的运行效率。首先建立了SCOC,通过在线调节喷嘴喉部面积,搜索系统最优的气冷器压力;其次针对SCOC作用下制冷量不可控的缺点,设计了LQG以实现系统制冷量可调。将两种控制器分别应用于实验系统中,结果表明:SCOC能够驱使系统不断接近系统的最优气冷器压力,给定工况下获得最大制热系数COPh为3.15,但导致系统制冷量的不可控。在LQG的作用下,气冷器压力、系统制冷量得到独立控制,显示了很好的参数跟随性,然而LQG无法保证系统的稳态运行效率。研究指出两种控制器各有优缺点,若实现满足系统负荷需求的同时保持系统最高的运行效率,需要设计结合两种算法特点的新型控制器。

太阳能水蒸气引射冷却的CO_2低温制冷循环

为需要较低温度的用冷空间提供冷源,设计由太阳能集热循环,水蒸气喷射制冷循环,CO2低温制冷循环组成的太阳能辅助热源水蒸气喷射引射冷却的CO2低温制冷的组合循环,通过热力计算得出随着蒸发温度的升高,太阳能辐射强度的增大,集热器面积的增大,组合循环的性能提高。蒸发温度每升高1℃,组合循环的性能系数增大4.3%,太阳能辐射强度每增加1W/m2,组合循环的性能系数增大2.8%,太阳能集热器面积每增加1m2,组合循环的性能系数增大约6%。发生器内水蒸气温度对组合循环的性能影响不大,太阳能辐射强度、集热器面积以及喷射器引射率对组合循环的影响较大。组合循环节省运行费用,节约能源,有很好的发展前景。

CO_2二元混合物压缩/引射制冷循环性能研究

引入CO_2混合物以及利用压缩/引射制冷循环,能有效提高其系统循环效率。建立了两相流引射器系统,采用均相流的索科洛夫理论、Eames等理论及热力学方法中两相流引射器模型进行分析,通过与文献中的实验结果对比,确定热力学方法在两相流引射器的设计计算中较为接近实际。基于热力学方法对CO_2/R32(质量比40/60)、CO_2/R41(质量比20/80)两类二元非共沸混合工质压缩/引射制冷循环系统的效率进行分析,发现带引射器比不带引射器时效率分别提高了30%和20%,而且通过引入混合物改善物性后的系统效率可以比纯工质CO_2系统效率提高50%以上,同时证明了CO_2/R32的效果要好于CO_2/R41。

N_2O跨临界喷射/压缩制冷循环的理论研究

为了解决CO2跨临界循环能效低、排气压力高的问题,将天然工质N2O用于跨临界循环,建立了相应的理论模型,比较了N2O和CO2用于跨临界喷射/压缩制冷循环和简单跨临界循环的性能,并对N2O用于跨临界循环中的热稳定性进行了分析.研究结果表明:N2O系统的性能系数和排气压力均优于CO2,性能系数较CO2系统分别增加了13%和9%,而排气压力分别降低了16%和13%;CO2系统采用喷射/压缩跨临界循环后性能系数比简单跨临界循环提高了15.2%,稍高于N2O系统的11.6%,说明使用喷射器对于CO2系统性能提升更为有利.分析了高压侧排气压力、蒸发温度和气体冷却器出口温度对于CO2和N2O跨临界喷射/压缩制冷循环的影响.结果表明:工况变化时N2O和CO2系统性能的变化规律一致,且气体冷却器出口温度越低、蒸发温度越高时,N2O系统的性能系数增加越明显;制冷系统中N2O的热稳定性能很好,不会分解.

CO_2跨临界喷射制冷循环计算分析

目前还很少有关于CO2跨临界喷射式制冷循环的研究。本文对CO2跨临界喷射制冷循环建立了热力学模型,计算了在不同的冷却压力、冷却器出口温度、加热器压力、加热器出口温度及蒸发温度下,喷射器的喷射系数、跨临界喷射制冷循环性能系数(COP)和有效性能系数(COPm)的变化趋势。结果表明:随着冷却器压力的升高,喷射器的喷射系数减小,循环的COP和COPm值先增大后减小,在某个冷却压力下存在最优值;提高冷却器的出口温度,循环的COP和COPm值均降低;提高加热器压力、加热器出口温度及蒸发温度均能增大喷射器的喷射系数和循环的COPm值。

CO_2两相流引射循环制冷系统性能的数值模拟

对引射器内部简化热力学模型进行了改进,建立了CO2两相流制冷系统的数学模型。利用MATLAB语言编写程序对该系统性能进行了模拟计算,分析了工况参数及引射比对引射循环系统性能的影响。模拟结果表明:CO2两相流引射循环制冷系统在较低的引射比条件下,就可以实现稳定运行,系统COP对气冷器出口温度的变化比较敏感,同时存在最优高压侧压力使系统COP达到最大;对于不同工况条件,CO2两相流引射循环制冷系统的COP比同工况条件下的传统系统的COP,理论上分别提高了11%～18%。

基于延迟均衡的CO_2两相引射器模型研究

引射器对跨临界CO2引射制冷系统性能有极大的影响。本文考虑CO2两相引射器中存在的非平衡相变、超音速和壅塞等复杂流动现象,构建了CO2两相引射器的1D分布模型,并采用延迟均衡理论分析喷嘴中的非平衡相变过程。与实验结果比较显示,所建立的延迟均衡模型能够很好的预测引射器的性能。此外,通过与均衡模型的相比显示,在本文所选工况下,延迟均衡模型计算所得的主动流流量比均衡模型预测值低12.39%-25.30%,同时非平衡现象将延缓喷嘴中的膨胀过程,使得喷嘴出口压力比均衡模型预测值高。本文采用所建模型进一步分析了引射器的结构对性能的影响,结果显示在一定的工况下存在最优的混合室直径使得引射系数和升压比都较高;而当混合室直径一定时,较长的混合室有利于提高引射器的升压比。

CO_2跨临界双级压缩/喷射制冷循环热力学分析

建立了同时采用双级压缩和利用喷射器代替节流阀的CO2跨临界双级压缩/喷射制冷循环模型,在系统稳定运行的条件下,分析了高压压力、气体冷却器出口温度、蒸发温度和高、低压压缩机吸气过热度对循环性能的影响,并与CO2跨临界单级压缩/喷射制冷循环和双级压缩制冷循环进行了比较。结果表明:在给定条件下,双级压缩/喷射循环的性能系数明显优于其他两种循环;随着气体冷却器出口温度的升高和蒸发温度的降低,循环的性能系数分别降低了54.9%和43.2%,并且其下降速度大于双级循环的性能系数下降速度;高、低压压缩机吸气过热度升高均导致双级压缩/喷射循环性能系数降低。

CO_2两相喷射器性能和建模的研究现状

跨临界CO_2蒸气压缩系统中喷射器的应用使得系统性能提高。笔者概述了系统工况条件、喷射器几何参数和激波特性对CO_2两相喷射器性能参数的影响,阐述了理论模型研究的应用与发展。总结得出:工作流体入口状态对喷射器性能影响较引射流体大;喷嘴喉部面积和混合室尺寸对喷射器性能有很大影响;激波特性的流动可视化研究需进一步发展;建模研究多样化发展,CFD模型仍需拓展适用性、流动模型准确性和激波特性的研究,计算代价小的其它模型也应拓展其适用性与精度。

CO_2双蒸发器压缩／喷射式跨临界制冷循环

为减小CO_2跨临界循环系统节流部分的膨胀功损失,提高系统性能,可在小型制冷系统中采用喷射器代替节流阀,部分回收工质从高压到低压过程的膨胀功。在对系统进行热力学分析的基础上,建立了CO_2跨临界压缩／喷射制冷循环的效率分析模型。计算结果表明：在合理的喷射器出口背压下,CO_2跨临界压缩／喷射制冷循环可以得到较高的循环性能。蒸发温度和气体冷却器出口温度两工况的变化对该系统性能的影响程度相对较大。在较低蒸发温度下,该系统可以明显降低压缩机出口温度,有利于系统稳定运行。

CO_2-NH_3压缩/喷射复叠循环理论研究

为利用CO2跨临界循环气体冷却器放热段较大的温度滑移,减小节流部分的膨胀功损失,提高系统性能,可在制冷系统中利用CO2跨临界循环与NH3喷射循环复合实现压缩/喷射复叠式系统。在对系统进行热力学分析的基础上,建立了相应的模型。计算结果表明:NH3循环喷射器引射流体温度和出口的冷凝温度对引射系数影响很大,在较高引射流体温度和较低冷凝温度下,CO2跨临界压缩/喷射制冷循环可以得到较高的循环性能。在较低CO2跨临界循环蒸发温度和压缩机效率时,此循环相对基本循环有明显优势。降低发生器温差也是提高循环性能的途径之一。