利用两相流喷射器增效的自行复叠制冷循环研究

Single stage auto-cascade refrigeration cycle can achieve refrigeration temperature below -60℃easily, which has wide prospects of application in the deep cryogenic and normal refrigeration fields, such as gas liquefaction, cryobiology and cold storage. In order to reduce energy consumption of traditional single stage auto-cascade refrigeration cycle and obtain lower refrigeration temperature, this project proposes a novel two phase flow ejector enhanced auto-cascade refrigeration cycle. In this cycle, the two phase flow ejector is applied to recover the expansion work, increase the suction pressure of compressor and decrease evaporation pressure, which can significantly improve the performance of auto-cascade refrigeration cycle and obtain lower refrigeration temperature. A theoretical model of two phase flow ejector is established to study its operating characteristics and design method. The thermodynamic model of the new cycle is set up, which allows optimization studies of the cycle, obtaining an optimum design method, exploring stable operating mechanism under variable working condition, searching optimal matching principle of compressor and two phase flow ejector and obtaining optimization control parameters and strategy. In the meantime, experimental study is carried out to verify the theoretical study. The study results will provide fundamental research basis for mixed refrigerant phase change and flow mechanism through two phase ejector and stable operating mechanism under variable working condition. Also, it will make a contribution to refine scientific theories of single stage auto-cascade refrigeration cycle and compressible two phase flow.

单级自行复叠制冷循环易获得-60℃以下制冷温度，因此在气体液化、低温生物、冷冻冷藏等深冷及普冷领域应用前景广阔。为降低传统单级自行复叠制冷循环能耗并获得更低制冷温度，本项目结合喷射器可回收膨胀功优点，提出一种利用两相流喷射器增效的自行复叠制冷循环，利用两相流喷射器回收膨胀功，提升压缩机吸气压力且降低蒸发器工作压力，以期显著提高循环热力学效率并获得更低制冷温度。本项目拟建立混合工质两相流喷射器完善的理论模型，研究混合工质两相流喷射器工作特性及其设计方法；建立一套能够有效预测和优化分析循环性能的理论模型，探索循环变工况稳定工作机理，寻找压缩机与两相流喷射器最佳匹配原则，获得循环最优化控制参数和控制策略。同时，开展实验研究进行理论验证。研究成果为非共沸混合工质在两相流喷射器中相变流动机理问题以及新循环变工况稳定运行特性问题的解决提供研究基础，为完善自行复叠制冷循环和可压缩两相流科学理论作出贡献。

为降低传统单级自行复叠制冷循环能耗并获得更低制冷温度，本项目结合喷射器可回收膨胀功优点，提出一种利用喷射器增效的自行复叠制冷循环，利用喷射器回收膨胀功，提升压缩机吸气压力且降低蒸发器工作压力，以期显著提高循环热力学效率并获得更低制冷温度。建立循环热力学数学模型，研究混合工质组分配比、冷凝温度、蒸发温度等参数与喷射器特性及系统循环特性之间关系，优化选择适用于该循环的混合工质；对自行复叠喷射制冷循环进行深入研究，对比分析一次分凝、二次分凝自行复叠喷射制冷循环和传统喷射制冷循环性能，并对自行复叠喷射制冷循环进行㶲分析，循环中㶲损失最大部件为喷射器，进一步优化喷射器结构、减少喷射器不可逆损失是提升循环㶲效率的关键；建立混合工质喷射器理论一维模型，计算喷射器工况优化参数，搭建混合工质喷射器性能测试实验平台进行喷射器性能初步实验，得到引射流体压力、工作流体压力和背压等工作参数和混合工质组分配比对喷射器性能影响的测试数据；采用 CFD 模拟技术对混合工质喷射器结构尺寸及运行参数进行模拟研究，在相同进口温度下，混合工质（R32/R245fa）喷射器的喷射系数较纯工质（R245fa）喷射器提高 78.95%，显示出混合工质在喷射器内使用的优越性；进行循环热力学优化设计，初步搭建完成制冷循环实验台并进行初步实验测试。本项目采用混合工质R1150/R600A，在冷凝温度为32℃时，最低制冷温度达到197K；在相同外界环境条件和相同制冷温度条件下，采用R23/R227ea混合工质时，该循环的性能系数较传统自行复叠制冷循环性能系数提高17.8%以上。.本项目已经在国内外期刊和会议上发表论文共12篇，其中在国际期刊上发表论文5篇，被SCI收录5篇，申请发明专利6项，实用新型专利1项，其中已经获得授权发明专利5项、实用新型专利1项，培养在读博士研究生2名、在读硕士研究生4名。