跨临界R-744热泵中可变几何喷射器的实验性能与控制导向运行研究

《Energy Conversion and Management-X》：Experimental performance and control-oriented operation of variable-geometry ejectors in a transcritical R-744 heat pump

　　

摘要专业翻译 在跨临界R-744水-水热泵中对可变几何喷射器进行了实验测试。在低压提升工况下，制热性能系数（COP）范围为3.91至5.44。压力提升范围为2.2至5.0 bar，喷射器效率最高达38.5%。在所测试工况下，制热容量范围为28.6至39.1 kW。出口温度趋近控制支持了气体冷却器压力的调节。该研究通过实验表征了喷射器喷嘴调节与压力提升、喷射器效率、制热容量及制热COP之间的关系，评估了与可变几何喷射器运行相协调的气体冷却器压力调节策略，并研究了以气体冷却器出口与温水入口之间的温差作为反馈变量的气体冷却器出口温度趋近控制策略，最终提供了面向系统层面的集成分析，为跨临界R-744热泵中可变几何喷射器在变工况下的控制与运行提供了实验依据。

论文解读文章

研究背景与意义

随着全球脱碳进程的推进，制造业、商业建筑、食品加工、冷库及区域供热等领域的低碳化转型日益迫切。蒸气压缩式热泵（VCHP）凭借其高能效和可再生电力驱动的优势，被视为减少化石燃料依赖的关键技术。在此背景下，天然制冷剂二氧化碳（R-744）因其极低的全球变暖潜值（GWP=1）和零臭氧消耗潜值（ODP）而受到广泛关注，其超临界冷却过程中优越的温度分布特性使其特别适用于高温热泵应用。

然而，跨临界R-744系统仍受制于显著的节流损失。气体冷却器与蒸发器之间的大压差导致大量火用（exergy）破坏，降低了循环整体效率。为缓解这一问题，研究者提出了多种改进方案，其中两相喷射器（two-phase ejector）因其能够回收部分节流损失并将其转化为循环内有效压力提升而备受关注。早期研究如Elbel和Hrnjak报道了约7%的COP提升，Lucas和Koehler则获得了高达17%的COP增益。尽管已有研究涉及喷射器几何优化、控制策略及系统集成，但针对连续可调可变几何喷射器与气体冷却器压力调节在跨临界R-744水-水热泵中协调运行的实验研究仍然有限，尤其是在低压提升（low-pressure-lift）和偏离设计点（off-design）工况下。本研究的开展正是为了填补这一空白，通过实验表征可变几何喷射器在不同蒸发条件下的运行特性，并评估与气体冷却器压力调节相协调的控制策略，为实际工程应用提供实验依据。

研究方法概述

研究人员在德国SCHAUFLER Academy安装了一套全仪表化的R-744水-水热泵实验系统。该系统配备4MTEU-10LK半封闭压缩机（50 Hz时排量6.5 m3/h），由线启动永磁（LSPM）电机驱动，通过变频器在25至70 Hz间调节。系统主要部件包括板式换热器（蒸发器和气体冷却器）、内部换热器（IHX）、水平闪发气体罐以及由E-Jector AG开发的可变几何喷射器（HDV-E08）。实验采用Wurm HVL控制器进行系统监控，FrigoData示波器记录数据。研究中定义相对喷嘴面积和相对行程来量化喷射器喷嘴调节程度。实验在压缩机恒定48 Hz、气体冷却器压力91 bar(a)±0.4 bar的条件下进行，通过调节蒸发温度（-2.6 °C、2.0 °C、7.0 °C、10.3 °C）实现驱动质量流量的变化，温水出口温度控制在43 °C±0.3 K。喷射器性能以压力比、压力提升、质量引射比和喷射器效率等参数评估。

研究结果

喷射器喷嘴调节与压力提升的关系

实验结果表明，在低压提升工况下，压力提升范围为2.2至5.0 bar。通过调节喷射器主动喷嘴（motive nozzle）的有效流通面积，可以显著影响压力提升能力。相对喷嘴面积的减小导致驱动质量流量降低，但同时提高了压力提升。这一关系在不同蒸发温度下均保持一致，表明可变几何喷射器能够通过喷嘴调节适应不同的运行条件。

喷射器效率与运行参数的相关性

在所测试工况下，喷射器效率最高达38.5%。研究发现，喷射器效率与质量引射比（mass entrainment ratio）密切相关，而质量引射比又受喷嘴调节和蒸发条件的影响。较低的蒸发温度导致驱动质量流量增加，但引射流量相对减少，从而影响整体效率。研究还发现，偏离设计点运行时，喷射器效率有所下降，这凸显了主动控制喷嘴几何的必要性。

制热容量与制热COP的变化规律

在所测试工况下，制热容量范围为28.6至39.1 kW，制热COP范围为3.91至5.44。蒸发温度升高时，制热容量和COP均呈现增加趋势。喷嘴调节对制热容量的影响表现为：增大喷嘴面积提高驱动质量流量，从而增加气体冷却器中的热量释放，但同时也增加了压缩机功耗，导致COP变化并非单调。研究指出，存在一个最优喷嘴位置使得COP最大化，该最优位置随蒸发条件变化。

气体冷却器出口温度趋近控制策略

研究人员提出并评估了一种气体冷却器出口温度趋近（outlet-temperature-approach）控制策略，以气体冷却器出口与温水入口之间的温差作为反馈变量进行气体冷却器压力调节。该策略的核心在于维持气体冷却器内部正温差分布，避免因压力过低导致的温度交叉（temperature crossover）现象。实验表明，该控制策略能够有效维持气体冷却器的热力可行性，并支持系统在不同蒸发条件下的稳定运行。研究还通过温度-焓图说明了气体冷却器压力对温度匹配的影响，80 bar(a)时出现内部温度交叉，而提高至90 bar(a)则消除了该问题。

讨论与结论

研究结果表明，可变几何喷射器在跨临界R-744热泵中能够有效回收节流损失并提升系统性能，但其性能高度依赖于运行工况和喷嘴调节。低压提升运行模式下，喷射器的主要目标并非最大化压力提升，而是在输送较高引射质量流量的同时产生适度的压力提升，这一运行理念与高压提升模式存在本质区别。气体冷却器压力调节与喷射器喷嘴调节的协调运行是实现系统最优性能的关键。出口温度趋近控制策略提供了一种实用的反馈机制，能够根据实际热力状态动态调整气体冷却器压力，避免温度交叉并确保热交换的可行性。

研究结论可归纳为：可变几何喷射器通过连续调节主动喷嘴面积，能够在不同蒸发条件下维持有效的压力提升和较高的喷射器效率；气体冷却器出口温度趋近控制策略能够有效支持气体冷却器压力调节，确保系统在偏离设计点工况下的稳定运行；系统级分析表明，喷射器调节、气体冷却器热力运行与整体热泵性能之间存在紧密耦合，需综合考虑以实现最优COP。本研究为跨临界R-744热泵中可变几何喷射器的控制与运行提供了实验基础，对实际系统的设计和优化具有重要参考价值。