蒸汽噴射制冷循環(huán)的實驗研究噴嘴的幾何形狀對系統(tǒng)性能的影響

1、蒸汽噴射制冷循環(huán)的實驗研究：噴嘴的幾何形狀對系統(tǒng)性能的影響摘 要：本文介紹了一項蒸汽噴射制冷的實驗研究，構(gòu)建一個1kw冷凍能力的試驗用冰箱并測試。該系統(tǒng)使用各種測試溫度和各種主要噴嘴進行測試。鍋爐飽和溫度范圍從110到150，蒸發(fā)器溫度固定在7.5。八種不同幾何形狀的主要噴嘴被用于試驗。六個噴嘴的喉部直徑范圍從1.4mm到2.6mm，出口馬赫數(shù)均為4.0。另外兩個噴嘴喉部直徑均為1.4mm，但馬赫數(shù)不同，分別為3.0和5.5。實驗結(jié)果表明，主要噴嘴的幾何形狀對噴射器的性能具有重要影響進而可影響到系統(tǒng)的COP值。關(guān)鍵詞：制冷 噴射器 蒸汽噴射 1 介紹在許多工業(yè)過程中，系統(tǒng)環(huán)境排出的熱量被浪費，

2、如果用熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)將這些廢物熱轉(zhuǎn)化為有用的冷量，那么就可減少從公共事業(yè)公司購買的用于普通制冷循環(huán)的電能。使用最廣泛的熱驅(qū)動制冷循環(huán)是吸收式制冷循環(huán)和蒸汽噴射式制冷循環(huán)1。這兩種熱驅(qū)動制冷循環(huán)都是用低品位的熱能外加少量必需的電能驅(qū)動工作流體循環(huán)和控制系統(tǒng)。吸收式制冷系統(tǒng)的COP值要優(yōu)于蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)。然而，噴射式制冷在構(gòu)成，運行和控制方面相對簡單。它只使用單組分工質(zhì)（只用一種制冷劑）。而且，噴射制冷系統(tǒng)是唯一可以使用水（最為環(huán)保和便宜的制冷劑）的制冷系統(tǒng)，把水作為系統(tǒng)的單一組分工質(zhì)。蒸汽噴射制冷的系統(tǒng)性能強烈依賴于安裝的噴射器。在過去，一個小型蒸汽射流被用于實驗研究。研究出運行溫度和主要噴

3、嘴位置2,3的影響。一些研究人員用CFD技術(shù)解釋噴嘴里的過程4,7。小型蒸汽噴射制冷機也適用于使用太陽能8,9。在本文中，研究的是主噴嘴的幾何形狀（噴嘴面積比）和工作條件對噴射器性能的影響。組建一臺試驗用蒸汽噴射制冷機。蒸汽噴射器用八種不的主噴嘴進行測試。噴嘴喉部直徑分別為1.4，1.7，2.0，2.3，2.4和2.6mm。噴嘴面積比為7:1（馬赫數(shù)3），20:1（馬赫數(shù)4），和88:1（馬赫數(shù)5.5）。蒸汽噴射制冷機的運行環(huán)境被設定為了使系統(tǒng)利用工業(yè)生產(chǎn)過程中的廢熱在正常條件下產(chǎn)生通常的制冷效果。鍋爐溫度設定為110至150。蒸發(fā)器溫度固定在7.5。測試結(jié)果表明，主噴嘴的喉部直徑和面積比對噴

4、射器性能具有重要影響。2 背景一個蒸汽噴射器的圖解如圖1所示。來自鍋爐的高壓蒸汽，稱為初級流體，通過主噴嘴擴大（體積）和加速。這就使得超音速主流體在噴嘴出口平面和后面的混合室中形成了一個壓力非常低的區(qū)域。這個低壓區(qū)把從蒸發(fā)器（制冷效果產(chǎn)生的地方）來的二次流體引向混合室。主流體和次流體之后在混合室混合。由于主流體的高動量，混合流仍處在超音速區(qū)。在混合室的后部，正常沖擊，一系列的斜沖擊，或者假沖擊會減少4,5,10。沖擊產(chǎn)生了主要的壓縮效果和流動速度從超音速到亞音速的突然下降。流體的進一步壓縮是通過在亞音速擴壓器的淤塞來實現(xiàn)的。蒸發(fā)器的排氣壓力與冷凝器的飽和壓力相等。一個用來描述噴射器性能的重要參

5、數(shù)是夾帶比：Rm=次流體的質(zhì)量流量主流體的質(zhì)量流量在蒸汽噴射制冷循環(huán)，如圖2所示，噴射器把產(chǎn)生制冷效果的蒸發(fā)器中的低壓飽和水蒸氣吸入，作為二次流體。它使用鍋爐中高溫高壓的飽和蒸汽作為主流體。噴射器將廢氣排入冷凝器，在那里通過避免使熱量散到環(huán)境中而將熱蒸汽被冷凝成液體。蒸汽噴射制冷循環(huán)性能由蒸汽噴射制冷性能系數(shù)來定義：因為在鍋爐中的焓變與在蒸發(fā)器中的焓變沒有太大差別，所以可以假設：圖3表示一個典型的噴射器性能曲線。在鍋爐和蒸發(fā)器溫度固定而冷凝汽壓力變化的條件下，噴射器的性能曲線分為三個區(qū)域：阻流，非阻流，和逆流1。在阻流區(qū)域，噴射器在低于臨界壓力（臨界背壓）下工作。噴射器吸入固定量的二次流體使得

6、夾帶率為一個常數(shù)。這是由于流動阻塞在混合室。在這個區(qū)域里，橫向撞擊形成了一個壓縮效果，被認為出現(xiàn)在混合室的喉部（等面積管段）。沖擊的位置依賴于背壓。當背壓增加時，沖擊會在不干擾混合過程的條件下向蒸汽流上部移動（主噴嘴方向）。在非阻流區(qū)域，噴射器的背壓值高于臨界壓力。當壓力增加時，夾帶率明顯下降。流體的阻塞不在混合室。橫向沖擊被認為向上游移動進入混合室（管道匯聚部），擾亂了主流和二次流的混合過程。在逆流區(qū)域，噴射器的背壓比壓力分界點處的壓力高。在這個區(qū)域，混合流反向流回二次流入口，因此噴射器最終會發(fā)生故障。圖4顯示，工作壓力對射流噴射器性能的影響基于實驗數(shù)據(jù)1。當主流壓力（鍋爐飽和壓力）下降時，

7、通過主噴嘴的臨界質(zhì)量流量減少。因為，混合室里的流量是一定的，當臨界質(zhì)量流量減少時，更多的二次流被夾帶進來。這樣，夾帶率的值就增加了。然而，噴射器將在低臨界壓力下工作。這是因為混合流的動量也在減少，結(jié)果使得臨界背壓降低。當二次流的流體壓力（蒸發(fā)器飽和壓力）增加時，臨界背壓和夾帶比都會增加。由于二次流體壓力也就是噴射器上游壓力的增加，更多具有較高壓力的流體被推進噴射器。因此，就導致了一個較高的噴射系數(shù)和臨界背壓。3 實驗裝置3.1實驗蒸汽噴射制冷機圖5表示蒸汽噴射制冷機的原理圖。在這個系統(tǒng)中，用電加熱器作模擬熱源和冷卻負荷。鍋爐和蒸發(fā)器的外殼是由從3.5英寸到8英寸的304不銹鋼管（附表40）和焊

8、接在頂部和底部的法蘭盤構(gòu)成的。鍋爐的最大供熱能力是8kW。蒸發(fā)器的設計是基于噴霧和落下的霧膜柱。一個2kW的加熱器被用來模擬冷卻負荷。加熱器功率用電子設備的方法來控制。為了保證只有干蒸汽進入主噴嘴，用一個500W（功率可調(diào)）的過熱器使來自鍋爐的飽和蒸汽過熱1-2。冷凝器由殼體和冷凝盤管組成而且使用水冷卻。使用兩臺機械泵，氣動隔板泵被用作鍋爐給水泵。磁耦合離心泵被用來加快蒸發(fā)器蒸發(fā)速度。噴射器的主流和二次流壓力用分別預設鍋爐和蒸發(fā)器的飽和溫度來進行控制。噴射器的背壓用調(diào)整冷凝器中冷水流速來進行控制。主流和二次流的質(zhì)量流量是通過測量水位的降低來獲得的，在鍋爐和蒸發(fā)器中在穩(wěn)定運行的某個時間間隔分別使

9、用附加視鏡來觀察。冷凝器中（背壓）和蒸發(fā)器中（二次流壓力）的飽和壓力用絕對壓力傳感器來測量（0-250mbar-abs）。所有不確定度為±0.25%的壓力傳感器分別使用一個雙級液環(huán)真空泵和一個用于測量絕對零度和大氣壓值的標準水銀氣壓計來校準。如圖5所示，用不確定度為±0.5的K型熱電偶來檢測溫度變化的具體位置。每個探頭檢測到的信號連接到補償和信號放大電路。所有探針都使用精密玻璃溫度計仔細校準。根據(jù)在穩(wěn)定運行的某一時間間隔中鍋爐和蒸發(fā)器視液鏡中水位下降可能的測量誤差，主流和二次流的流量計算不確定度分別為±4.5%和±6.5%。因此，夾帶率的計算最大不確定度

10、為±8%。3.2實驗蒸汽噴射器如圖6所示，實驗噴射器由四部分組成，主噴嘴，混合室，等面積喉部和亞音速擴壓器。每個部件設計成易安裝和互換。在這個研究中只使用一個固定的混合室。使用八個直徑不確定度為±0.05 mm的主噴嘴。噴嘴D1.4M4, D1.7M4, D2.0M4, D2.3M4, D2.4M4和D2.6M4有不同的喉部直徑和同為20:1的面積比（出口面積/喉部面積）。所有這些噴嘴的馬赫數(shù)都是4.0。出口馬赫數(shù)用以下方程式計算11：噴嘴D1.4M3, D1.4M4, and D1.4 M5.5的喉部直徑都是1.4mm但它們的噴嘴面積比分別是7:1，20:1和88:1。它

11、們的出口馬赫數(shù)分別是3.0,4.0和5.5。在測試中，所有噴嘴的NXP值定為23mm。NXP（噴嘴出口位置）定義為主噴嘴和混合室之間的距離2。NXP為0指噴嘴出口平面就是混合室入口平面。當噴嘴出口平面在混合室內(nèi)時NXP為正，反之為負。4 實驗結(jié)果4.1通過噴嘴主流體的臨界質(zhì)量流量在這些測試中，蒸發(fā)器通過關(guān)閉連接在噴射器入口和蒸發(fā)器出口的球閥使其與系統(tǒng)隔開。主流的臨界質(zhì)量流量是鍋爐在預設的飽和溫度下運行時，一個有限時間間隔通過觀察鍋爐視液鏡中液位下降速率獲得。結(jié)果顯示在圖7。結(jié)果表明，對于一個特殊的噴嘴，當鍋爐中飽和溫度和壓力增加時，主流的流動速率增加。使用較大噴嘴(D1.4M4,D1.7M4,

12、 D2.0M4)時，流動速率也會增加。然而，流速與噴嘴面積比無關(guān)(D1.4M3, D1.4M4, and D1.4M5.5)。從圖表中可以看出，通過噴嘴D1.4M3 和D1.4M5.5的臨界質(zhì)量流量與D1.4M4略有差異,這可能是因為噴嘴的制造誤差。在所有情況下，臨界質(zhì)量流量與噴嘴的下游壓力（冷凝器壓力）無關(guān)。4.2主要流體壓力的影響在這些實驗中，使用噴嘴D1.7M4。喉部直徑是1.7mm而計算出口馬赫數(shù)是4.0。鍋爐飽和溫度范圍是130,140和150。蒸發(fā)器溫度固定在7.5。圖8顯示了主流壓力（鍋爐飽和壓力）對二次流壓力（噴射器吸氣壓力）的影響。在測試過程中，噴射器通過關(guān)閉連接噴射器入口和

13、蒸發(fā)器出口的閥來與系統(tǒng)隔開。測量噴射器吸入壓力。這個壓力代表了對于特定鍋爐和冷凝器溫度的最低冷卻溫度（蒸發(fā)器飽和溫度）。這個測試沒有夾帶二次流體，因此夾帶率為0。參考圖8，在低冷凝壓力和鍋爐飽和溫度為150時，吸氣壓力保持在比當?shù)氐陀?4mbar的冷凝器壓力高2.73.2mbar的值。當冷凝器壓力增加到高于44mbar時，吸氣壓力也隨著冷凝器壓力而增加。在冷凝器壓力為66mbar時，吸氣壓力為10mbar,對應的飽和溫度為7.5.如圖9所示，這個冷凝器壓力就是擊穿壓力。冷凝壓力進一步增加，吸氣壓力幾乎與之同步增加。正如圖8所示，這條線幾乎與蒸發(fā)壓力=冷凝壓力線平行。當鍋爐飽和溫度降低到140和

14、130時，會得到類似的曲線?？梢钥闯?，低冷凝壓力下的最小吸氣壓力與鍋爐壓力變化無關(guān)。事實上，這是因為噴嘴排出的主流在所有情況下的馬赫數(shù)都是4.0。出口馬赫數(shù)于1噴嘴面積比無關(guān)。所有噴嘴的面積比都為20:1。因此，每個試驗的出口平面靜壓都相等。圖8中曲線之間的差別是，低鍋爐溫度下的最小吸氣壓力曲線在比較高鍋爐溫度低的冷凝壓力下開始增加（從最小值開始）。這是由通過主噴嘴的臨界質(zhì)量流速的差異造成的，鍋爐壓力越高，臨界質(zhì)量流速越高，反之越低。即使對于所有情況排出主噴嘴的流體速度相等，隨著質(zhì)量流量和流速的增加的動量（或動能），是不同的。圖9顯示主流壓力對夾帶比的影響。對于一個固定的鍋爐溫度，為了使噴射器

15、在阻流和非壅塞流動區(qū)域工作，冷凝器飽和壓力會進行調(diào)整直到達到冷凝器故障點。當由于鍋爐壓力增加而使主流質(zhì)量流量增加時，在阻流區(qū)域，噴射器的二次流夾帶量減少。因為當主流質(zhì)量流量增加時，混合室的流動面積是固定的，那么二次流的流動面積（混合室壁和主流射流核心形成的環(huán)形區(qū)域）就會減少。鍋爐壓力增加時夾帶比降低。然而，混合室中混合流的動量應為大量主流的進入會增加。噴射器可以在更高的冷凝壓力下工作。4.3 主噴嘴喉部直徑的影響在這些測試中，鍋爐和蒸發(fā)器飽和溫度分別固定在150和7.5。使用噴嘴D1.4M4,D1.7M4和D2.0M4。所有的噴嘴都有一個相同的面積比20:1，產(chǎn)生相同的出口馬赫數(shù)4.0。圖10

16、顯示固定鍋爐壓力下主噴嘴喉部直徑對二次流最低壓力（噴嘴吸入壓力）的影響，和對夾帶比的影響，如圖11所示。可以看出圖10與圖8相似，圖11與圖9相似。這意味著，使用一個大直徑主噴嘴與高鍋爐壓力時噴射器工作對噴射器性能具有相同影響。對于所有出口馬赫數(shù)為4.0的噴嘴來說，得到相似的最低吸氣壓力。喉部直徑大的噴嘴比較小的提供更大的主流質(zhì)量流量；因此，二次流在混合室的較小流動面積導致了更低的夾帶比。然而，在噴嘴出口，主流產(chǎn)生了更大的動量和動能。這就造成了更高的臨界冷凝壓力，類似于鍋爐飽和壓力升高的情況。4.4噴嘴出口馬赫數(shù)的影響在這些測驗中，在鍋爐飽和溫度為150而蒸發(fā)器溫度為7.5的條件下使用噴嘴D1

17、.4M3, D1.4M4和D1.4M5.5。這些噴嘴的喉部直徑都是1.4mm。它們可達到相同的臨界質(zhì)量流量但出口馬赫數(shù)不同。圖12表示了出口馬赫數(shù)對最低二次流壓力（噴嘴吸入壓力）的影響，圖13表示了對夾帶比的影響。從圖12可以看出，當主流出口馬赫數(shù)增加時最低二次流壓力降低。 噴嘴D1.4M3是5.5mbar，D1.4M4是3.2mbar，而D1.4M5.5是2.2mbar。在用噴嘴D1.4M5.5的試驗中，最低二次流壓力恒為2.2mbar直到冷凝器壓力達到44mbar。吸入壓力的提高比在用噴嘴D1.4M3和D1.4M4時更劇烈。從圖13中可以看出，在阻流區(qū)域中的夾帶比與噴嘴出口馬赫數(shù)的變化無關(guān)

18、。所有的噴嘴夾帶相同量的二次流體。然而，臨界冷凝壓力隨馬赫數(shù)增加。對于噴嘴D1.4M3，臨界冷凝壓力為38mbar。對噴嘴D1.4M4，臨界冷凝壓力為44mbar。對噴嘴D1.4M5.5，臨界冷凝壓力為54mbar。這是由于主流體的動量，馬赫數(shù)越高，流體動量越高。這表明，主流的馬赫數(shù)應該盡可能的高。然而，噴嘴的出口最大馬赫數(shù)受限于噴嘴出口直徑和表1所示的鍋爐壓力。表1中，噴嘴面積比用等式（4）求得，而膨脹比由 8 計算噴嘴出口壓力從圖12查出，馬赫數(shù)為6.0的則從外部文獻查得。對于馬赫數(shù)為6.0的情況，噴嘴出口直徑是16mm，與混合室的喉部直徑（19mm）一樣大。這將會在混合室入口阻塞二次流。

19、這樣，實際上，噴嘴就設計成保證出口馬赫數(shù)在4.0到5.5之間。出口馬赫數(shù)大于5.5的噴嘴就會有一個很大的出口區(qū)域用來阻礙混合室入口的二次流。4.5 固定質(zhì)量流量的主噴嘴的喉部直徑的影響在這些測試中，蒸發(fā)器溫度固定在7.5。使用噴嘴D1.4M4, D1.7M4, D2.0M4, D2.3M4, D2.4M4, 和 D2.6M4。這些噴嘴具有不同的喉部直徑但具有相同的面積比。它們的出口馬赫數(shù)同為4.0。在這些測試中，調(diào)整鍋爐飽和溫度使得臨界質(zhì)量流量逐漸穩(wěn)定在4.6 ± 0.05 kg/h，如表2所示。因為射出每個噴嘴的主流的馬赫數(shù)和質(zhì)量流量都是固定的，對所有噴嘴來說主流的動量相等。那么可

20、以預測，所有噴嘴的夾帶比和臨界冷凝壓力將是非常相似的。然而，測驗結(jié)果卻不是這樣。圖14顯示了二次流最低壓力的變化而圖15顯示了夾帶比的變化。從圖14可以看出，在使用大噴嘴時，最低吸氣壓力下降而且保持一個較高的冷凝壓力不變（這與使用有較高馬赫數(shù)的情況相似）。從這個實驗可以推斷，使用高鍋爐壓力的大噴嘴性能優(yōu)于高鍋爐壓力的小噴嘴。從圖15看出，使用低鍋爐壓力的大噴嘴時，夾帶比會略微下降但是臨界冷凝壓力則會升高。圖15中的結(jié)果可從圖16中看出，使用大噴嘴夾帶率會略有降低。有趣的一點是，當噴嘴從D1.4M4 換為D2.0M4時，臨界冷凝壓力略成線性增加。當使用D2.3M4時，臨界冷凝壓力很快達到最大值。而使用噴嘴D2.4M4和D2.6M4時，臨界冷凝壓力很快下降。夾帶率的輕微下降會形成一個大的主流核心，這會引起二次流的一個較小的有效流動區(qū)。臨界冷凝壓力的提高會引起較低的二次流夾帶?？墒?，夾帶比只是略有下降。如果這是主要原因，那么臨界冷凝壓力不應該大幅度增加?？赡苁侵髁骱投瘟髟诨旌鲜一旌线^程中的其他原因。為了解釋這種現(xiàn)象，可使用CFD技術(shù)驚進行更深入的研究。5 結(jié)