跨临界CO2引射制冷循环临界背压分析

　　近年来对地球臭氧层破坏和全球温室效应的担忧，使氯氟烃类(CFCs)制冷剂的使用受到了前所未有的关注，寻找环保替代工质成为当前的研究重点.对自然工质CO₂的再次重视使得跨临界CO₂蒸气压缩循环成为新的研究对象^[1].

　　由于跨临界CO₂制冷系统高压侧压力一般在10MPa以上，而低压侧压力在3～4MPa，致使通过节流元件的压差高达7MPa左右，为减少节流损失，提高系统能效，在蒸气压缩系统中应 用引射器成为提高系统性能的选项^[2].

　　目前，针对跨临界CO₂引射制冷循环开展了大量性能模拟研究^[3-5]，普遍认为在跨临界制冷系统中应用引射器可在系统高低压力侧之间形成中间压力，减少了压缩机压缩比和耗功，其引射循环性能系数(COP)相比传统蒸气压缩循环有16%～22%的明显提高，相关实验研究也表明引射系统可以减少14.5%的节流损失^[6].

　　目前大部分针对引射制冷循环的一维稳态模拟比较集中于研究高压侧压力、气冷器出口温度等参数对系统性能的影响，引射器出口背压为迭代所得，并非设计或控制参数;在模拟时，一般假设引射器出口工质动能为0来获得相关理论数据.实际上，作为引射循环重要部件的引射器，其进出口状态对引射器性能有重要的影响.Chen等^[7]根据实验研究发现，引射器背压存在临界值，当背压超过临界值时，一部分主动流不与引射流混合，而是回流至引射流管路，造成引射系数为负，对系统的稳定造成极其不利的影响.

　　另外，当实际背压低于临界背压时，为满足能量守恒，引射器出口会存在部分动能，该现象和影响也值得关注.

　　本文通过建立设定背压下引射器性能分析模型，开展模拟工作并与之前背压为因变量下的模型对比，提出了临界背压的具体定义和范围，从理论上探讨跨临界CO₂引射制冷循环中引射器背压和出口动能对系统性能的影响，从而进一步掌握引射循环的相关系统特性.

　　1　工作原理

　　跨临界CO₂引射制冷循环的物理模型如图1所示，图2为对应的压焓图.超临界CO₂在气体冷却器中冷却后进入主动流段，经喷嘴等熵膨胀降压后高速喷出，由于高速气体的胁裹作用，蒸发器中的低压蒸气进入引射器，两股流体在混合段内充分混合，交换动量，再经扩压段变为高压流体流出.流体进入气液分离器后，一部分饱和蒸气经压缩机压缩后再次进入气体冷却器，另一部分饱和液体经节流阀节流降压后进入蒸发器，两股流体如此不断循环.