利用喷射器内激波效应提高跨临界CO2压缩/喷射制冷系统性能的机理研究

The shock wave would be more influence on the performance of an ejector for its irreversible factor, so it is always avoided and weakened in the ejector design. However, the condensation shock wave with appropriate form, strength or location from the trans-critical carbon dioxide compression-eject refrigeration system will increase the efficiency of the cycle. Such a normal condensation shock can increase outlet pressure of the ejector, reduce the input power of the compressor, and output more liquid refrigerant for the large number of condensation. So it can effectively increase the amount of refrigerant to the cycle system. Learn from the vapor-liquid ejectors' working mechanism, the condensation shock wave will be generated in the ejector of trans-critical carbon dioxide compression/ejector refrigeration system instead of the traditional one. The characteristics and mechanism of internal flow in the ejector will be revealed. The main contents of the research: 1. the performance study of the shock wave in morphological characteristics from the primary nozzle in mixing section of the ejector; 2. Study of generation a normal condensation shock wave in the diffusion chamber near the throat of mixing section; 3. Analysis of effects of each region shock wave in the ejector to the cooling efficiency of the system; 4. Obtain the shock wave pattern in ejector by experiment.The phase transformation law from mixing process in the trans-critical CO2 medium of ejector will be explored and to avoid or weaken the influence in irreversible shock wave. The optimal control strategy to achieve the shock wave effective utilization will be proposed and elucidated. These will increase the efficiency of environmental refrigeration cycle system with a new solution.

激波对喷射器喷射性能有不可逆影响，设计上常避免或削弱之。但跨临界CO2压缩/喷射制冷循环中，恰当形态、强度和位置的凝结激波将有益于提高系统的制冷效率，因其提高了喷射器出口压力，减少压缩机的输入功，且大量凝结可获取更多的液态制冷剂，有效增加系统的制冷量。借鉴升压式汽水喷射器的技术，在跨临界CO2压缩/喷射制冷系统中，构建易于凝结激波形成的喷射器，揭示其激波的形成、形态及作用机理。主要研究内容包括：1、建立正确反映扩压性能的系统模型；2、喷射器混合室内源自主喷嘴出口处的激波形态特性研究；3、扩散室近混合室喉部促使凝结正激波的形成条件确定，喷射器内各区段激波对循环效率的影响分析；4、激波形态的实验获取。创新点：用简易有效的实验手段探索跨临界CO2工质在循环中相变规律；用喷射器混合室出口处凝结激波提高其出口压力和凝结量，阐明激波效应有益利用的最优控制策略，为环保制冷系统效率的提高开辟新途径。

在跨临界CO2压缩/喷射制冷系统中，喷射器内有些激波的产生是有益的，满足一定条件的凝结激波将会提高系统的制冷性能。为提高环保制冷循环系统的性能，进行系统喷射器内有利激波的形态特性的研究具有重要的科学意义。本项目主要开展的研究内容：.（1）改进跨临界CO2蒸气压缩/喷射制冷循环的热力学模型，对扩压室定义了一种压力系数，可合理描述喷射器扩压室内的压力变化特性；（2）利用改进的管内流体的活塞式连续测温测压装置，可简便测取跨临界CO2压缩/喷射制冷系统喷射器内的流态；(3）多喷射器结构设计及模拟，CO2喷射式制冷系统变工况分析，在CO2喷射式制冷系统中引入多喷射器结构，不仅可以改变系统的制冷剂流量，还可以使系统维持一个较大的COP运行；(4）激波强度影响因素的探索,以R134a工质，研究喷射器混合室压损的影响因素,分析不同的初始参数和混合室截面积变化比对激波前后压力的变化值的影响，以此分析激波强度的影响因素，结果可为探索CO2制冷系统喷射器激波的影响因素提供参考;(5）缩放喷嘴中CO2的正激波的模拟,探讨缩放喷嘴中平衡激波的变化情况，结果可为高效喷嘴和喷射器的设计提供参考，以用来提高喷射循环系统的性能;(6）基于沸腾空化模型的CO2两相喷射器的性能研究,建立CO2两相喷射器的三维模型来捕捉喷射器超音速喷嘴处的激波特性，提出相变理论模型，采用空化和沸腾相变模型来模拟流体的相变过程，运用实际气体方程来计算气相的密度，采用该模型对喷射器的几何尺寸中混合段与扩散段进行优化，考察跨临界CO2两相喷射器的临界背压的影响，分析结构参数及工作参数与激波间的关系。方法有助于全面了解喷射器内的流态，为改善内部流动与提高喷射器性能提供参考。