跨臨界CO2噴射器模擬研究綜述

劉 方

(上海電力大學 能源與機械工程學院, 上海 200090)

人們對環境影響的日益關注,使采暖、通風、空調和制冷領域發生了重大變化[1]。從高全球變暖潛能值工質,向環保型制冷劑的轉變是實現碳中和的一個關鍵里程碑。CO2是蒸氣壓縮系統工質替代中最有潛力的天然工質之一,其無毒性、不易燃性和低成本特點使其在許多蒸氣壓縮循環系統中得以使用。此外,CO2還可以用于提高新能源微電網的有效滲透率和熱泵儲能系統的穩定性[2-3]。在供暖方面,熱泵的能效是傳統供暖系統的2～4倍,到2050年,熱泵的安裝數量需要增加10倍[4]。因此,采用噴射器回收膨脹功是提高跨臨界CO2蒸氣壓縮制冷系統性能系數(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,主要由主動噴嘴、引射噴嘴、混合室和擴壓室組成。噴射器工作原理如圖1所示[6]。其中,pm為主動噴嘴入口壓力,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為擴壓室出口壓力。噴射器具有結構簡單、操作可靠和成本低等優點,被廣泛應用于化學工程、核反應堆、電廠、石油和制冷工業中[7-9]?？缗R界CO2蒸氣壓縮系統中噴射器性能的提升近年來成為研究的熱點[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非平衡狀態和輸運非平衡狀態兩種。熱力學非平衡狀態分別與液體或氣體的過熱或過冷狀態有關,輸運非平衡狀態與各相溫度、壓力或速度有關。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噴嘴從不同初始狀態點(近臨界和遠離臨界)的等焓膨脹過程;近臨界工況下主動噴嘴內氣泡成核幾乎是瞬時的,而遠離臨界工況下由于非平衡效應相變延遲;在均相成核線以外,任何擾動都會縮短相變延遲[11-12]。噴射器內流場復雜,因此設計可靠高效的噴射器具有很大挑戰。研究表明,基于噴射器CFD模型優化噴射器內部幾何結構能夠提高噴射器效率[13],因此目前亟需開發用于準確設計CO2噴射器的先進模型。

2 模擬研究現狀

文獻[14-15]建立了CO2噴射器0-3維模型,模擬研究了主動流入口壓力為高、中、低下的CO2兩相流噴射器性能。文獻[6]建立了跨臨界CO2兩相流噴射器均相平衡一維模型,由主動噴嘴、引射噴嘴、混合室和擴壓室流動子模型耦合而成,較好地預測了超臨界入口壓力下主動流質量流率;文獻[9]基于實驗數據,采用一維模型確定了噴射器各部件效率,其中主動流入口為超臨界壓力工況,發現主動噴嘴、引射噴嘴和混合室的效率受工況、噴射器內部結構和質量流量影響顯著。文獻[11]建立了跨臨界CO2噴射器一維穩態絕熱理論模型,提出了能量轉化過程中的熱力學非平衡修正方程。文獻[16]采用一維延遲平衡模型(Delayed Equilibrium Model,DEM)模擬預測了縮放噴管中CO2臨界質量速率。但一維模型無法反映噴射器內部實際發生的真實而詳細的物理現象,而計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)建模方法通常能提供更準確、可靠的描述。已報道的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適合臨界點以上的高壓主動流,對于較低壓力和溫度,HRM優于HEM。文獻[13]基于噴射器HEM優化了混合室長度和直徑、預混合室長度、主動噴嘴出口直徑和擴散角、引射噴嘴收縮角,但沒有考慮噴射器內CO2兩相流非平衡現象?？傊?已有研究基于HEM模擬了帶噴針的可調式噴射器[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[21]根據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,發現在超臨界和亞臨界壓力工況下,主動流流量和引射壓力模擬值與實測值誤差較小,氣體比液體更容易在噴嘴段被加速,但尚未驗證引射流質量流速。文獻[25]采用新型非平衡蒸發空化CFD模型模擬研究了跨臨界CO2噴射器內的閃蒸流動,其中主動噴嘴入口壓力為超臨界壓力。

文獻[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。弛豫法根據工況引入弛豫時間,但需要通過實驗調整弛豫時間的經驗參數。文獻[28]基于跨臨界CO2兩相噴射器主動流質量流速的實驗數據改進了均相弛豫模型,提高了主動噴嘴質量流量模擬的精度,但該HRM是否適用于其他幾何結構的噴射器尚待驗證?；旌戏▽α鲃舆M行了更真實的物理表述,如考慮了蒸發和冷凝過程,并使用氣體和液體在亞穩態條件下的性質。文獻[12]采用混合模型模擬兩相流噴射器,在噴射器內超音速CO2的CFD模擬中考慮實際流體物性、相間滑移速度、相間界面傳熱傳質以及兩相聲速,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[20]通過模擬研究CO2噴射器,發現混合模型能夠很好預測超臨界壓力下主動流質量流量,但低壓區尚未驗證。文獻[26]基于Mixture模型模擬研究了可調式噴射器內部幾何結構參數(喉部直徑)對其性能的影響規律。文獻[27]基于Mixture模型模擬了氣液相變速率,發現與HEM模擬相比,混合模型模擬收斂較慢。文獻[22]基于均相平衡模型和混合法建立了HNB,考慮蒸發和冷凝速率,能較好預測亞臨界工況噴射器內CO2膨脹沸騰相變過程主動流質量流量,但尚未考慮預混合區空化相變。

表1為現有CO2噴射器CFD模型在不同主動噴嘴入口壓力(pmotive)下預測的主動流和引射流的質量流速與實驗值相比的平均誤差,pcrit為臨界壓力,pb=5.9 MPa。

表1 CO2噴射器CFD模型預測的主動流和引射流質量流速的平均誤差 單位:%

由表1可知,雖然已有非平衡模型對主動流質量流帶進行了模擬且預測誤差較小,但引射流質量流速仍然沒有被任何現有模型很好地描述。這是因為主動流質量流速主要受上游和下游壓力的影響,因此可以通過多種模型來預測;而引射流質量流速是由主動流引起的,對當地流動更為敏感,如當地速度、干度、湍流和壓力。這意味著即使能很好地預測出主動流的整體質量流速,但如果不能正確地再現主動流當地流動現象,也會造成引射流預測誤差。并且,主動流和引射流產生的原理不同,主動流質量流速主要由熱力學、相變和主動壓力決定,而引射流流質量流速主要受湍流、當地速度和多相動量相互作用的控制。

值得注意的是,現有的噴射器CFD模擬基于單一模型,缺乏當地壓力、速度場和干度的實驗驗證。此外,上述模擬研究都忽略了CO2噴射器內潤滑油的存在。實際上,壓縮式制冷系統實際運行中潤滑油會進入噴射器,影響流體物性和相變流動過程。CO2噴射器內氣液相變弛豫時間受流體物性等因素影響,而兩相流相變弛豫時間影響主動流膨脹過程、激波產生、混合過程、速度場、壓力分布和干度分布[28]。但從現有研究來看,潤滑油對CO2噴射器內相變延遲和多場分布等的影響規律尚不清楚。

3 結 語

噴射器內主動流和引射流產生的原理不同;現有CO2噴射器數值模型多為單一模型,不能精確預測引射流流量,且缺乏關于噴射器內當地壓力、速度場和干度等的實驗研究,忽略了潤滑油的存在,噴射器內潤滑油對CO2相變流動過程和出口干度等性能效率的影響規律尚不清楚。這些問題為后續研究指明了方向。