基于两相二氧化碳喷射器制冷循环的模拟与实验研究

摘要

目前温室效应以及其他的环境问题越来越得到人们的重视，环境友好型自然工质二氧化碳因其诸多优点，正逐渐受到国内外的关注。二氧化碳由于临界温度低、临界压力高，在制冷和热泵系统中多采用跨临界循环。而跨临界二氧化碳循环有很高的节流损失，喷射器因可以有效减少节流损失提高系统效率而成为研究热点。
　　本文首先介绍了二氧化碳喷射器的应用背景，随后介绍了二氧化碳喷射器的工作原理，并对三种不同的制冷循环系统进行了描述。在已搭建的实验系统中完成了对系统的改造与实验研究：第一个实验是关于二氧化碳喷射器运行效率的研究。第二个实验是将这个喷射器应用到两个不同的制冷循环中去进行比较，获得相应结论。最后对实验系统进行了模拟分析。
　　在第一个实验中，通过不同的工况实验，得出喷射器效率最优时各个参数的范围。实验结果显示，引射比为0.4到0.7、喷射器出口压力和喷射器引射端压力的比值为1.11到1.18时，喷射器的工作效率较高。而在压比为1.132，引射比为0.56，气冷器出口压力为6.5 MPa，主喷嘴入口温度为23.2℃时，喷射器可以达到的最高效率为0.389。从实验结果可以看出在压比适中的情况下，随着主喷嘴入口温度的增加，效率高的点出现在气冷器出口压力高的点。这些实验结果对后续系统的对比实验提供指导，可以选择更加合理的工况进行实验。文中还对喷射器入口和引射喷嘴入口质量流量进行了数学拟合，拟合结果和实验结果的对比表明，拟合结果与实验结果能够很好地吻合。
　　在第二个实验中，将同一个喷射器应用到两个不同的制冷循环中去进行比较。初步实验结果显示DOS系统比COS系统的COP更高，工作更高效。但是由于两个系统的理论COP相同，对实验结果又进行了深入分析。分析发现压缩机入口和出口有较大的压力损失。在两个系统的气冷器出口温度相同的情况下，DOS系统的压缩机出口的压力损失小于COS系统，压缩机做功少，而制冷负荷被设定为恒定值，系统的COP主要由压缩机做功决定，所以DOS系统的COP高于COS系统。通过补偿压力损失后，结果显示两个系统几乎拥有相同的COP，与理论一致。
　　最后对实验系统进行一些模拟工作。在二氧化碳喷射器的模拟中，氧化碳喷射器的出口温度与出口压力与实验数据相比分别小于1%，5%，说明该喷射器的模型能够较好地反应实际系统的运行情况。制冷系统模拟的COP与实验数据差距较小。在COS系统和DOS系统的模拟中，模拟COP和实验COP相差不超过10%。为了分析二氧化碳喷射器对系统工作效率的提升作用，对一个采用普通节流阀的COS和DOS系统进行了理论模拟，结果显示采用喷射器的COS和DOS系统效率可以分别提高23%和48%。

目录

声明

1. Introduction

2. Development of ejector

2.1 Historical back ground and the design of ejector

2.2 The use of ejectors

2.3 New progresses on R744 ejector systems

2.4 Summary of this chapter

3. Ejector theory and cycle descriptions

3.1 The ejector theory

3.2 Description of the Gay cycle

3.3 Description of the Burk cycle

3.4 Description of the Oshitani cycle

3.5 Summary of this chapter

4. Experimental methods and test facility modification

4.1 Description of the test facility and the modification

4.2 The plan to do the experiment

4.3 Summary of this chapter

5. Experimental analysis

5.1 overall view of ejector performance

5.2 comparison of the two systems

5.3 Uncertainty analysis

5.4 Summary of this chapter

6. Computational simulation

6.1 Thermodynamic ejector model

6.2 Comparison between ejector model results and experimental results

6.3 Comparison between the COS cycle and DOS cycle

6.4 Comparison between the two cycles and simulated expansion valve cycle

6.5 Optimize the two cycles through numerical methods

6.6 Limitations of model

6.7 Summary of this chapter

7. Conclusion

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果