跨临界CO2引射制冷系统动态特性模拟与实验研究

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1、博士学位论文跨临界CO2引射制冷系统动态特性模拟与实验研究学位申请人：郑立星指导教师：邓建强教授学科名称：动力工程及工程热物理2016年6月NumericalSimulationandExperimentalStudyonDynamicPerformanceofTranscriticalCO2EjectorExpansionRefrigerationSystemAdissertationsubmittedtoXi’anJiaotongUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegr

2、eeofDoctorofEngineeringScienceByLixingZhengSupervisor:Prof.JianqiangDengPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsJune2016摘要论文题目：跨临界CO2引射制冷系统动态特性模拟与实验研究学科名称：动力工程及工程热物理学位申请人：郑立星指导教师：邓建强教授摘要跨临界CO2引射制冷系统（简称引射制冷系统）通过引射器回收高压工质膨胀损失和降低压缩机功耗，有效地提高了系统循环效率。然而，引射器内部复杂的流动特征以及引射制冷系统高度非线性

3、和强耦合的特点，为研究引射器的性能和系统动态耦合规律带来了挑战。因此，开展引射器工作特性以及引射制冷系统动态特性研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文从引射器和跨临界CO2引射制冷系统两个层次开展了以下主要工作：（1）基于CO2真实流体物性以及引射器内部跨音速、壅塞和激波等流动现象建立了全工作模式的引射器模型。该模型对引射器喷嘴、吸收室、混合室和扩压室分段构建1D集总参数模型，并分别应用等压混合和等面积混合理论分析混合流动过程。与实验结果对比，基于等压混合模型预测的引射系数相对误差大部分在10%以内；采用等面积混合模型预测的背压相对误差在11

4、%以内。可见，所建引射器模型能够较准确地预测CO2两相引射器性能。（2）构建了跨临界CO2引射制冷系统（EERS）动态耦合模型。其中根据质量和能量守恒建立气冷器、蒸发器和气液分离器时变控制方程；压缩机和膨胀阀采用稳态模型；引射器则应用已构建的CO2两相引射器模型。另外，考虑到蒸发器出口存在过热态和两相态的情形，分别建立相应的模型并实现了两者的圆滑过渡，从而在保证系统模拟鲁棒性的同时，能够全面分析大幅扰动下引射制冷系统的动态变化规律。（3）搭建了跨临界CO2引射制冷系统实验台，验证了引射器和系统动态耦合模型的准确性，并实验研究了引射器结构变化对引射

5、制冷系统的影响规律。实验结果表明，模型预测的系统压力动态响应与实验测试值具有相同的变化趋势，引射系数的响应与实验结果相当地一致，但主动流流量的差别稍大。实测结果还表明，喷嘴喉部面积可有效改变引射器的进出口压力，但过小的喉部面积容易导致系统失稳。喷嘴距（NXP）的变化对引射器工作特性的影响较为明显，并存在一个最佳值使得主动流流量、引射流流量和引射系数最大。（4）开展了跨临界CO2引射制冷系统的动态特性模拟研究。分别选取系统内部参数（压缩机转速、膨胀阀开度和引射器喉部面积）以及外部参数（蒸发器冷冻水流量和气冷器冷却水流量）为扰动，模拟系统动态响应特性

6、。结果表明，压缩机转速可有效调节系统压力和引射器引射系数；膨胀阀开度能够很好地控制蒸发器压力以及引射本研究得到国家自然科学基金（编号：51076120）的资助。I西安交通大学博士学位论文器升压比；改变引射器喉部面积则可有效地调控气冷器压力以及引射系数。调节气冷器冷却水流量有利于控制系统压力和流量，能够引起系统制冷量、制热量和COP的大幅变化；而改变蒸发器冷冻水流量，系统压力和流量的变化没有改变冷却水的明显。（5）结合引射器空间分布模型和实验数据提出了一种引射器各部分效率的评价方法。理论模型中将引射器沿轴线方向划分为若干微元，对每个微元构建控制方程

7、，并应用两流体模型分析混合和扩压流动过程中质量和动量传递损失。根据喷嘴效率、吸收室效率、混合室效率和扩压室效率随工况和结构参数的变化规律，拟合获得了相应的效率关联式。将变化的效率、文献常见固定值以及根据本文关联式确定的固定值分别应用于引射制冷系统，比较其动态响应差异。结果表明在系统动态模拟中最好采用变化的效率，即使是采用固定值来代替变化值也需要根据引射器运行工况和结构参数对各部分效率进行评估。（6）应用李雅普诺夫（Lyapunov）第一近似定理和稳定裕度计算提出了引射制冷系统的动态稳定性分析方法。通过线性控制方程系数矩阵的特征值来判断系统的稳定性

8、；应用最小对数衰减率来表征系统的抗干扰能力。以气冷器为例的换热部件稳定性分析说明了利用数学稳定性定性描述系统的实际动态运动稳定性的可行性