劉 方

(上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

人們對(duì)環(huán)境影響的日益關(guān)注,使采暖、通風(fēng)、空調(diào)和制冷領(lǐng)域發(fā)生了重大變化[1]。從高全球變暖潛能值工質(zhì),向環(huán)保型制冷劑的轉(zhuǎn)變是實(shí)現(xiàn)碳中和的一個(gè)關(guān)鍵里程碑。CO2是蒸氣壓縮系統(tǒng)工質(zhì)替代中最有潛力的天然工質(zhì)之一,其無(wú)毒性、不易燃性和低成本特點(diǎn)使其在許多蒸氣壓縮循環(huán)系統(tǒng)中得以使用。此外,CO2還可以用于提高新能源微電網(wǎng)的有效滲透率和熱泵儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2-3]。在供暖方面,熱泵的能效是傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)的2～4倍,到2050年,熱泵的安裝數(shù)量需要增加10倍[4]。因此,采用噴射器回收膨脹功是提高跨臨界CO2蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)性能系數(shù)(Coefficient of Permormance,COP)的有效措施之一[5]。

1 跨臨界CO2噴射器特征

噴射器是一種利用高壓流體抽吸低壓流體的裝置,主要由主動(dòng)噴嘴、引射噴嘴、混合室和擴(kuò)壓室組成。噴射器工作原理如圖1所示[6]。其中,pm為主動(dòng)噴嘴入口壓力,pt為噴射器喉部壓力,pb為引射噴嘴出口壓力,pmix為混合室壓力,pd為擴(kuò)壓室出口壓力。噴射器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作可靠和成本低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于化學(xué)工程、核反應(yīng)堆、電廠、石油和制冷工業(yè)中[7-9]。跨臨界CO2蒸氣壓縮系統(tǒng)中噴射器性能的提升近年來(lái)成為研究的熱點(diǎn)[10]。

圖1 噴射器工作原理

CO2噴射器氣液兩相流中存在熱力學(xué)非平衡狀態(tài)和輸運(yùn)非平衡狀態(tài)兩種。熱力學(xué)非平衡狀態(tài)分別與液體或氣體的過(guò)熱或過(guò)冷狀態(tài)有關(guān),輸運(yùn)非平衡狀態(tài)與各相溫度、壓力或速度有關(guān)。CO2壓焓圖中飽和線和均相成核線[1]如圖2所示。

圖2 CO2壓焓圖中的飽和線和均相成核線示意

由圖2可知,洋紅線表示噴射器主動(dòng)噴嘴從不同初始狀態(tài)點(diǎn)(近臨界和遠(yuǎn)離臨界)的等焓膨脹過(guò)程;近臨界工況下主動(dòng)噴嘴內(nèi)氣泡成核幾乎是瞬時(shí)的,而遠(yuǎn)離臨界工況下由于非平衡效應(yīng)相變延遲;在均相成核線以外,任何擾動(dòng)都會(huì)縮短相變延遲[11-12]。噴射器內(nèi)流場(chǎng)復(fù)雜,因此設(shè)計(jì)可靠高效的噴射器具有很大挑戰(zhàn)。研究表明,基于噴射器CFD模型優(yōu)化噴射器內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)能夠提高噴射器效率[13],因此目前亟需開(kāi)發(fā)用于準(zhǔn)確設(shè)計(jì)CO2噴射器的先進(jìn)模型。

2 模擬研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[14-15]建立了CO2噴射器0-3維模型,模擬研究了主動(dòng)流入口壓力為高、中、低下的CO2兩相流噴射器性能。文獻(xiàn)[6]建立了跨臨界CO2兩相流噴射器均相平衡一維模型,由主動(dòng)噴嘴、引射噴嘴、混合室和擴(kuò)壓室流動(dòng)子模型耦合而成,較好地預(yù)測(cè)了超臨界入口壓力下主動(dòng)流質(zhì)量流率;文獻(xiàn)[9]基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用一維模型確定了噴射器各部件效率,其中主動(dòng)流入口為超臨界壓力工況,發(fā)現(xiàn)主動(dòng)噴嘴、引射噴嘴和混合室的效率受工況、噴射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和質(zhì)量流量影響顯著。文獻(xiàn)[11]建立了跨臨界CO2噴射器一維穩(wěn)態(tài)絕熱理論模型,提出了能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的熱力學(xué)非平衡修正方程。文獻(xiàn)[16]采用一維延遲平衡模型(Delayed Equilibrium Model,DEM)模擬預(yù)測(cè)了縮放噴管中CO2臨界質(zhì)量速率。但一維模型無(wú)法反映噴射器內(nèi)部實(shí)際發(fā)生的真實(shí)而詳細(xì)的物理現(xiàn)象,而計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)建模方法通常能提供更準(zhǔn)確、可靠的描述。已報(bào)道的CO2噴射器CFD模型包括均相平衡模型(Homogeneous Equilibrium Model,HEM)[17-18]、均相弛豫模型(Homogeneous Relaxation Model,HRM)[19]、混合模型(Mixture Model)[20]、非均相模型[21]、均相非平衡沸騰模型(Homogeneous Nonequilibrium model with Bioling Phenomennon,HNB)等[22]。HEM適合臨界點(diǎn)以上的高壓主動(dòng)流,對(duì)于較低壓力和溫度,HRM優(yōu)于HEM。文獻(xiàn)[13]基于噴射器HEM優(yōu)化了混合室長(zhǎng)度和直徑、預(yù)混合室長(zhǎng)度、主動(dòng)噴嘴出口直徑和擴(kuò)散角、引射噴嘴收縮角,但沒(méi)有考慮噴射器內(nèi)CO2兩相流非平衡現(xiàn)象。總之,已有研究基于HEM模擬了帶噴針的可調(diào)式噴射器[23]和旋流噴射器[24],但很難確定所有工況下噴針的位置。文獻(xiàn)[21]根據(jù)空化相變及沸騰相變理論建立了兩相流CO2噴射器非均相模型,發(fā)現(xiàn)在超臨界和亞臨界壓力工況下,主動(dòng)流流量和引射壓力模擬值與實(shí)測(cè)值誤差較小,氣體比液體更容易在噴嘴段被加速,但尚未驗(yàn)證引射流質(zhì)量流速。文獻(xiàn)[25]采用新型非平衡蒸發(fā)空化CFD模型模擬研究了跨臨界CO2噴射器內(nèi)的閃蒸流動(dòng),其中主動(dòng)噴嘴入口壓力為超臨界壓力。

文獻(xiàn)[26-27]提出了處理CO2噴射器模擬中非平衡弛豫的弛豫法和混合法。弛豫法根據(jù)工況引入弛豫時(shí)間,但需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整弛豫時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。文獻(xiàn)[28]基于跨臨界CO2兩相噴射器主動(dòng)流質(zhì)量流速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)改進(jìn)了均相弛豫模型,提高了主動(dòng)噴嘴質(zhì)量流量模擬的精度,但該HRM是否適用于其他幾何結(jié)構(gòu)的噴射器尚待驗(yàn)證?；旌戏▽?duì)流動(dòng)進(jìn)行了更真實(shí)的物理表述,如考慮了蒸發(fā)和冷凝過(guò)程,并使用氣體和液體在亞穩(wěn)態(tài)條件下的性質(zhì)。文獻(xiàn)[12]采用混合模型模擬兩相流噴射器,在噴射器內(nèi)超音速CO2的CFD模擬中考慮實(shí)際流體物性、相間滑移速度、相間界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)以及兩相聲速,建立的相變模型考慮空化相變和沸騰相變,比均相平衡模型具有更好的逼真度。文獻(xiàn)[20]通過(guò)模擬研究CO2噴射器,發(fā)現(xiàn)混合模型能夠很好預(yù)測(cè)超臨界壓力下主動(dòng)流質(zhì)量流量,但低壓區(qū)尚未驗(yàn)證。文獻(xiàn)[26]基于Mixture模型模擬研究了可調(diào)式噴射器內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)(喉部直徑)對(duì)其性能的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[27]基于Mixture模型模擬了氣液相變速率,發(fā)現(xiàn)與HEM模擬相比,混合模型模擬收斂較慢。文獻(xiàn)[22]基于均相平衡模型和混合法建立了HNB,考慮蒸發(fā)和冷凝速率,能較好預(yù)測(cè)亞臨界工況噴射器內(nèi)CO2膨脹沸騰相變過(guò)程主動(dòng)流質(zhì)量流量,但尚未考慮預(yù)混合區(qū)空化相變。

表1為現(xiàn)有CO2噴射器CFD模型在不同主動(dòng)噴嘴入口壓力(pmotive)下預(yù)測(cè)的主動(dòng)流和引射流的質(zhì)量流速與實(shí)驗(yàn)值相比的平均誤差,pcrit為臨界壓力,pb=5.9 MPa。

表1 CO2噴射器CFD模型預(yù)測(cè)的主動(dòng)流和引射流質(zhì)量流速的平均誤差 單位:%

由表1可知,雖然已有非平衡模型對(duì)主動(dòng)流質(zhì)量流帶進(jìn)行了模擬且預(yù)測(cè)誤差較小,但引射流質(zhì)量流速仍然沒(méi)有被任何現(xiàn)有模型很好地描述。這是因?yàn)橹鲃?dòng)流質(zhì)量流速主要受上游和下游壓力的影響,因此可以通過(guò)多種模型來(lái)預(yù)測(cè);而引射流質(zhì)量流速是由主動(dòng)流引起的,對(duì)當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)更為敏感,如當(dāng)?shù)厮俣?、干度、湍流和壓力。這意味著即使能很好地預(yù)測(cè)出主動(dòng)流的整體質(zhì)量流速,但如果不能正確地再現(xiàn)主動(dòng)流當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)現(xiàn)象,也會(huì)造成引射流預(yù)測(cè)誤差。并且,主動(dòng)流和引射流產(chǎn)生的原理不同,主動(dòng)流質(zhì)量流速主要由熱力學(xué)、相變和主動(dòng)壓力決定,而引射流流質(zhì)量流速主要受湍流、當(dāng)?shù)厮俣群投嘞鄤?dòng)量相互作用的控制。

值得注意的是,現(xiàn)有的噴射器CFD模擬基于單一模型,缺乏當(dāng)?shù)貕毫?、速度?chǎng)和干度的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外,上述模擬研究都忽略了CO2噴射器內(nèi)潤(rùn)滑油的存在。實(shí)際上,壓縮式制冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中潤(rùn)滑油會(huì)進(jìn)入噴射器,影響流體物性和相變流動(dòng)過(guò)程。CO2噴射器內(nèi)氣液相變弛豫時(shí)間受流體物性等因素影響,而兩相流相變弛豫時(shí)間影響主動(dòng)流膨脹過(guò)程、激波產(chǎn)生、混合過(guò)程、速度場(chǎng)、壓力分布和干度分布[28]。但從現(xiàn)有研究來(lái)看,潤(rùn)滑油對(duì)CO2噴射器內(nèi)相變延遲和多場(chǎng)分布等的影響規(guī)律尚不清楚。

3 結(jié) 語(yǔ)

噴射器內(nèi)主動(dòng)流和引射流產(chǎn)生的原理不同;現(xiàn)有CO2噴射器數(shù)值模型多為單一模型,不能精確預(yù)測(cè)引射流流量,且缺乏關(guān)于噴射器內(nèi)當(dāng)?shù)貕毫?、速度?chǎng)和干度等的實(shí)驗(yàn)研究,忽略了潤(rùn)滑油的存在,噴射器內(nèi)潤(rùn)滑油對(duì)CO2相變流動(dòng)過(guò)程和出口干度等性能效率的影響規(guī)律尚不清楚。這些問(wèn)題為后續(xù)研究指明了方向。