1、 doi: 10.3969/j.issn.2095-4468.2020.06.206 带带喷射器喷射器的的 CO2制冷制冷系统系统运行特运行特性性研究研究 郭晓鹏 （丹佛斯（上海）投资有限公司，山东青岛 266100） 摘摘 要要 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
2、 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%。 关键词关键词 CO2制冷；喷射器；旁通阀；并行压缩 中图分类号：中图分类号：TB61+1; TQ051.5 文献文献标识码：标识码：A Research on Operation Performance of CO2 Refrigeration System with Ejector GUO Xiaopeng* (Danfoss (Shanghai) Investment Co.,
3、Ltd., Qingdao 266100, Shandong, China) Abstract In CO2 system, the ejector can re-distribute the refrigerant mass flow, change the refrigerant quality in liquid receiver and improve system coefficient of performance (COP). In this paper, the controlled transcritical multiple-low pressure (CTM-LP) ej
4、ector and controlled transcritical multiple-high pressure (CTM-HP) are taken as research objects, and the existing entrainment ratio database is used; the calculation model of CO2 refrigeration system with ejector is developed. The results show that, at 3.5 MPa evaporating pressure, when CTM-LP ejec
5、tor is turned on, system COP is improved by 10%-19%, and the mass flow in gas bypass valve is increased by 103%-267%; when CTM-HP ejector is turned on, system COP is improved by 4%-8%, and the mass flow in parallel compressor is increased by a maximum of 114%, and the mass flow in main compressor is
6、 decreased by 66%. Keywords CO2 refrigeration; Ejector; Gas bypass valve; Parallel compression *郭晓鹏（1981） ，男，工程师，硕士。研究方向：制冷应用优化。联系地址：山东省青岛市秦岭路 18 号国展财富中心 2-325室，邮编 266100。联系电话：0532-85018100。E-mail: 。 0 引言引言 CO2是天然工质， 具有容积制冷量大、 压力高、临界点低以及三相点高等特点，在超市制冷系统中应用广泛1-2。 在亚临界运行时， CO2系统性能较好，但进入跨临界运行后，系统高压的压力升高
7、，压缩机功耗增加，同时节流过程中不可逆损失增大，系统性能衰减较大3-4。 喷射器可以减少节流过程中的不可逆损失，降低压缩机功耗，提升系统性能系数（Coefficient of Performance，COP）5-9。 喷射器进气口为高压CO2气体， 在喷射器内节流降压变为气液两相，进入储液器；喷射器的吸气口连接到蒸发器出口， 利用高压制冷剂节流时的势能和动能，将低压制冷剂气体引射到储液器中，降低进入压缩机的制冷剂质量流量，提高压缩机的吸气压力。电控跨临界多联 （Controlled Transcritical Multiple， CTM）喷射器包括液体引射型和气体引射型， 其中液体引射型（Li
8、quid Ejector，LE）喷射器CTM-LE 可以将低压第40卷 第6期 2020年12月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.40, No.6 Dec. 202070 制冷剂液体引射到储液器中， 实践中可以加大蒸发器进液量以改善蒸发器换热，提高蒸发压力，而蒸发器出口的液滴收集后可以通过液体引射型喷射器引射到系统储液器中。 气体引射型喷射器包括高提升压力型（High Pressure，HP）喷射器CTM-HP 和低提升压力型（Low Pressure，LP）喷射器CTM-LP，其中，高提升压力型喷射器应用在并行压缩
9、系统中， 可将蒸发器出口部分制冷剂气体引射到储液器， 此时储液器压力和蒸发压力存在较大差值（1 MPa） ， 增加并行压缩机的吸气压力， 降低进入主压缩机的制冷剂质量流量；低提升压力型喷射器，可将蒸发器出口全部制冷剂气体引射到储液器， 此时储液器压力和蒸发压力差值较小（0.5 MPa） ，增加了压缩机的吸气压力。 喷射器会重新分配系统中制冷剂质量流量， 影响储液器中制冷剂干度，改变系统运行特性。因此研究带喷射器 CO2制冷系统， 对于优化系统控制和实现最优运行具有重要意义。 1 带带喷射喷射器的器的CO2制冷制冷系统系统 1.1 CTM-LP 喷射喷射器器 图 1 所示为带 CTM-LP 喷射
10、器 CO2制冷系统。 1-压缩机，2-气体冷却器，3-CTM-LP 喷射器，4-储液器，5-节流阀，6-蒸发器，7-单向阀，8-旁通阀 图 1 带 CTM-LP 喷射器 CO2制冷系统 夏季运行时，喷射器开启，此时旁通阀全开，使压缩机的吸气压力尽可能接近储液器压力，单向阀出口压力大于其进口压力，从蒸发器出来的制冷剂气体全部进入喷射器，被引射到储液器。 冬季运行时，喷射器驱动力下降，无法将蒸发器出口的制冷剂气体引射到储液器，通过调节旁通阀和膨胀阀可使单向阀的进出口压力相同，蒸发器出口的制冷剂气体通过单向阀回到压缩机。 1.2 CTM-HP 喷射喷射器器系统系统 图2所示为带CTM-HP喷射器的C
11、O2制冷系统。喷射器开启后，从蒸发器出来的一部分制冷剂气体可以通过喷射器引射到储液器，另一部分制冷剂气体进入主压缩机。在储液器中闪发的制冷剂气体进入并行压缩机，压缩后进入气体冷却器；储液器中的制冷剂液体通过膨胀阀进入蒸发器。 1-主压缩机，2-并行压缩机，3-气体冷却器，4-CTM-HP 喷射器，5-储液器，6-节流阀，7-蒸发器 图 2 带 CTM-HP 喷射器 CO2制冷系统 1.3 建立建立喷射喷射器系统模型器系统模型 基于以上带喷射器 CO2制冷系统， 利用制冷剂物性计算软件，可计算各个节点制冷剂的压力、温度、焓值和熵值等参数，并建立整个系统的计算模型。不同工况下 CTM-LP 和 C
12、TM-HP 的引射比可以通过软件查出，已知喷射器的引射比后，通过式(1)可以计算出喷射器出口的焓值状态： h3=(h1+h2)/(1+) (1) 式中， 为喷射器的引射比；h1为喷射器高压进气口制冷剂的焓值， kJ/kg；h2为喷射器低压吸气口制冷剂的焓值， kJ/kg； h3为喷射器出口制冷剂的焓值， kJ/kg。 1.4 计算工况计算工况 根据各个喷射器的系统特点，选取了表 1 蒸发器工况用于计算分析。CTM-LP 喷射器可用于40150 kW 的 CO2制冷系统中，选取的蒸发器换热量为 65 kW，CTM-HP 喷射器可用于 100300 kW的CO2制冷系统中， 选取蒸发器换热量为13
13、0 kW。 表 1 计算工况 项目 蒸发器换 热量/kW 蒸发压力/ MPa 蒸发器出口过热度/K CTM-LP 喷射器系统 65 3.5 2 CTM-HP 喷射器系统 130 3.5 2 8 3 1 4 6 7 5 2 1 5 7 2 6 4 3 第40卷 第6期 2020年12月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.40, No.6 Dec. 202071 2 喷射器参数喷射器参数 2.1 引射比引射比 引射比是指喷射器低压吸气口的制冷剂质量流量和高压进气口制冷剂质量流量的比值。喷射器设计定型后，其引射比还会受到系统
14、制冷剂密度和压缩比影响10-12。图 3 所示为提升压力（储液器压力和蒸发压力的差值）和系统最优高压压力对CTM-HP 喷射器引射比的影响。随着进口最优高压压力的升高，驱动力加大，喷射器做功能力变大，其引射比快速提升；当系统最优高压压力达到一定点时， 如继续升高， 随着储液器内制冷剂干度增加，蒸发器负荷不变时，系统制冷剂的质量流量变大，引射比降低。 图 3 CTM-HP 喷射器的引射比 在 CTM-LP 喷射器系统中， 蒸发压力和蒸发器制冷负荷不变时，喷射器吸气口制冷剂质量流量不变，随着系统最优高压压力升高，储液器内制冷剂干度变大，喷射器进气口质量流量增加，喷射器的引射比逐渐降低（图 4） 。
15、 图 4 CTM-LP 喷射器的引射比 2.2 喷射器喷射器效率效率 喷射器效率为进入其吸气口的制冷剂气体等熵压缩到储液器压力所需的压缩功与高压进气口制冷剂等熵膨胀到储液器压力所需的膨胀功的比值。图 5 所示为在给定的蒸发器工况下，提升压力为 0.4 MPa 时，CTM-HP 喷射器进口最优高压压力对其效率的影响，该工况下其运行效率最大为 25%。 图 6 所示为给定蒸发器工况下，CTM-LP 喷射器进口最优高压压力对其效率的影响，其运行效率最大超过 30%。喷射器效率越高，节流过程的不可逆损失越小。影响喷射器效率的因素包括喷嘴设计、引射比优化13以及提升压力等。但是从系统角度看，喷射器效率对
16、系统 COP 影响有限14。 图 5 CTM-HP 喷射器效率 图 6 CTM-LP 喷射器效率 3 喷射器对系统的影响喷射器对系统的影响 3.1 储液器干度储液器干度 储液器内制冷剂干度会影响旁通阀/并行压缩机的制冷剂质量流量。储液器压力不变时，在常规不带喷射器的CO2制冷系统中储液器内制冷剂的干度和系统最优高压压力成正比，压力越高，干度越大。带喷射器 CO2制冷系统中，储液器内制冷剂干度会受到喷射器的影响。 表 2 所示为随着系统最优高压压力增加，CTM-HP 喷射器开启前后，并行压缩系统中储液器内制冷剂的干度变化。表 2 中，当喷射器关闭时，储液器内制冷剂的干度变化范围为 0.180.4
17、7； 喷射器开启始时，储液器内之制冷剂的干度快速增加；系统最优高压压力大于 CO2的临界点后， 储液器内00.20.40.60.84681012引射比引射比CTM-HP喷射器进口压力喷射器进口压力/MPa提升压力提升压力 0.6 Mpa提升压力提升压力 0.9 MPa提升压力提升压力 1.3 Mpa00.20.40.60.868101214引射比引射比CTM-LP进进口压力口压力/MPa0%10%20%30%5.86.67.68.710.2工作效率工作效率/%CTM-HP喷射器进口压力喷射器进口压力/MPa0%10%20%30%40%6.87.68.79.710.811.812.0工作效率工作
18、效率CTM-LP喷射器进口压力喷射器进口压力/MPaMPa MPa 30 20 10 0 工作效率工作效率/% 40 30 20 10 0 工作效率工作效率/% 第40卷 第6期 2020年12月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.40, No.6 Dec. 202072 制冷剂干度变化幅度较小， 保持在 0.530.58 之间。 CTM-LP 喷射器进入工作模式后，带旁通阀的CO2制冷系统中储液器压力随着喷射器的运行不断变化，此时储液器内的制冷剂干度变化很小。如图7 所示，在给定的蒸发器工况下，CTM-LP 喷射器系
19、统的储液器内制冷剂干度保持在 0.590.69。 表 2 CTM-HP 对储液器内制冷剂干度的影响 最优高压压力/MPa 喷射器关闭 喷射器打开 最优储液器压力/MPa 储液器内制冷剂干度 最优储液器压力/MPa 储液器内制冷剂干度 6.4 4.9 0.18 3.9 0.39 7.6 5.3 0.26 4.1 0.53 8.2 5.4 0.28 4.2 0.54 9.7 5.6 0.34 4.6 0.55 10.8 5.7 0.38 4.7 0.56 11.8 5.6 0.43 4.7 0.58 12.8 5.8 0.47 4.7 0.58 图 7 CTM-LP 系统储液器干度 3.2 系统流
20、量系统流量 在带旁通阀的 CO2制冷系统中，CTM-LP 喷射器开启后可以将蒸发器出口全部的制冷剂引射到储液器中。此时储液器内制冷剂干度较大，会有更多的制冷剂气体需要通过旁通阀进入压缩机，需要尽可能降低旁通阀前后压降，提高压缩机的吸气压力，降低压缩机功耗。 给定蒸发器工况下，表 3 计算 CTM-LP 喷射器开启前后通过旁通阀和压缩机的制冷剂质量流量。CTM-LP 喷射器开启后，旁通阀的质量流量增加了103%267%， 压缩机的质量流量增加了 4%6%。表4 计算了储液器压力 4.2 MPa 时， CTM-HP 开启前后并行压缩机和主压缩机的质量流量。 表 3 CTM-LP 喷射器对系统质量流
21、量的影响 最优高压压力/MPa 储液器压力/MPa 旁通阀质量流量/(kg/h) 压缩机质量流量/(kg/h) CTM-LP 关闭 CTM-LP 打开 CTM-LP 关闭 CTM-LP 打开 6.4 3.7 406 1,489 1,430 1,489 7.6 3.9 590 1,723 1,634 1,723 8.7 3.8 706 1,838 1,743 1,838 9.7 3.9 817 1,966 1,862 1,966 10.8 4.1 926 2,119 1,995 2,119 11.8 4.2 1,054 2,276 2,138 2,276 12.8 4.3 1,200 2,439
22、 2,291 2,439 表 4 CTM-HP 喷射器对系统质量流量的影响 最优高压压力/MPa 并行压缩机质量流量/(kg/h) 主压缩机质量流量/(kg/h) CTM-HP 关闭 CTM-HP打开 CTM-HP关闭 CTM-HP打开 7.0 927 1,292 2,163 1,818 8.2 1,217 2,521 2,163 1,013 9.2 1,442 3,082 2,163 725 10.2 1,700 3,204 2,163 839 11.3 1,997 3,431 2,163 869 并行压缩系统中，CTM-HP 喷射器开启后有部分制冷剂从蒸发器出口被引射到储液器，此时并行压缩
23、机的质量流量增加，主压缩机的质量流量减少。当系统最优高压压力为 9.2 MPa 时，喷射器开启后并行压缩机中制冷剂的质量流量增幅最大，增加了114%，主压缩机中的制冷剂质量流量降低了 66%。 3.3 系统系统 COP 在跨临界 CO2系统中，提升系统 COP 的方法0.40.50.60.70.85.06.58.09.511.0 12.5 14.0储液器内制冷剂干度储液器内制冷剂干度最优高压压力最优高压压力/ /MPa第40卷 第6期 2020年12月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.40, No.6 Dec. 20
24、2073 包括：高压压力优化15-16、回热器17-18、双级压缩和喷射器19-20等。其中喷射器可以利用大压差节流时的能量，将低压制冷剂引射到储液器中，减少压缩机功耗，提升系统 COP。 表 5 对比了在给定的蒸发器工况下，喷射器开启前后的系统 COP。 当系统最优高压压力小于 CO2的临界压力时， 与普通的亚临界CO2制冷系统相比，CTM-LP 喷射器系统的 COP 增加了 9%15%；CTM-HP 喷射器系统的 COP 增加了 11%28%。 当系统最优高压压力大于 CO2的临界压力时，随着压力的提升，CTM-LP 喷射器开启前后，系统的 COP 增加了 10%19%；CTM-HP 喷射
25、器开启前后，系统的 COP 增加了 4%8%。 表 5 喷射器开关前后系统 COP 对比 最优高压压力/MPa 亚临界系统 系统 COP CTM- LP 关 CTM-LP 开 CTM-HP 关 CTM-HP 开 6.4 6.76 6.7 7.39 7.51 7.53 7.2 5.14 5.08 5.9 5.87 6.6 8.2 3.94 4.43 4.62 4.89 9.2 3.19 3.51 3.77 4.05 10.2 2.65 3.02 3.17 3.43 11.3 2.24 2.66 2.71 2.87 12.3 1.92 2.3 2.34 2.43 4 结结论论 本文建立了高提升压力
26、型和低提升压力型两种气体喷射器系统模型，分析计算了给定工况下带喷射器 CO2制冷系统的运行特点，得出如下结论： 1）喷射器开启后，储液器内制冷剂干度受系统最优高压压力的影响较小；高提升压力型喷射器系统中的储液器干度维持在 0.530.58； 低提升压力型喷射器系统中的储液器干度维持在 0.590.69； 2）低提升压力型喷射器开启后，旁通阀的质量流量增加了 103%267%；高提升压力型喷射器开启后， 并行压缩机的质量流量最大增加了114%，同时主压缩机的质量流量降低了 66%； 3）在带旁通阀的 CO2系统中，低提升压力型喷射器打开前后 COP 提升了 10%19%；并行压缩系统中，高提升压
27、力型喷射器打开前后 COP 提升了 4%8%。 参考文献： 1 王振超, 陈江平, 陈洪祥, 等. CO2在大中型超市制冷系统中的应用J. 制冷技术, 2009, 29(1): 33-39. 2 葛长伟, 姜韶明, 于志强. NH3/CO2制冷系统的研究J. 制冷技术, 2014, 34(3): 22-28. 3 刘圣春, 李正. CO2跨临界双级压缩制冷循环的热力学分析J. 制冷技术, 2016, 36(4): 8-13, 35. 4 龚毅, 侯峰, 梁志礼, 等. 跨临界 CO2循环制冷系统的实验研究J. 制冷技术, 2012, 32(1): 19-23. 5 徐肖肖, 陈光明, 唐黎明,
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