（制冷及低温工程专业论文）冰箱压缩喷射混合制冷循环系统实验及数值研究.pdf

中南大学硕十学位论文 摘要 摘要 在2 l 世纪的能源危机中，冰箱的节能对于经济发展、环境保护和能源安全 具有重要的意义。本文在前人研究的基础上，改进了冰箱压缩喷射混合制冷循 环系统，优化了冰箱喷射器的设计方法，根据系统性能要求制作出节能效果较 好的冰箱喷射器样品及冰箱样机。 对冰箱压缩喷射混合制冷循环系统进行了理论研究，对不同连接形式的冰 箱压缩喷射混合制冷循环系统进行了实验研究，得出以下结论：( 1 ) 两蒸发器 并联的冰箱压缩喷射混合制冷循环系统，两台样机的耗电量分别为0 7 7 5 k w h d a y 和0 7 4 8k w h d a y ，均未能在降低耗电量上体现出优势；( 2 ) 两蒸发器 串联的冰箱压缩喷射混合制冷循环系统，两台不同毛细管流量的冰箱样机耗电 量分别为0 7 6 0k w h d a y 和0 7 6 8k w h d a y ，同样存在耗电量偏高的缺点；( 3 ) 两蒸发器并联的冰箱压缩喷射混合制冷循环交叉回热系统，能有效地减小系统 中因节流所带来的冷量损失，样机的耗电量为0 6 5 5k w h d a y ，实现整机降低耗 电量7 7 5 。 对冰箱喷射器的性能进行了数值研究，表明：( 1 ) 在工作喷嘴的出口处， 存在以中心线为对称轴的两个旋涡；( 2 ) 在热力参数方面，存在一最佳工作流 体压力b 讲，f _ o 0 6 6 1 2m p a ，对应最大的喷射系数u - - - - o 5 6 8 ；存在一最佳引射流体 压力嘧0 0 4 8 3 7m p a ，对应最大的喷射系数u - - o 5 6 4 ；( 3 ) 在几何参数方面， 存在一个最佳的喉管面积比峭2 5 ，对应于最大的喷射系数u - - o 5 6 1 ；存在一 个最佳工作喷嘴出e l 与混合室入口截面的距离狩1 4 7 8 ，喷射系数达到最大 值u - - o 5 6 3 ；混合段的锥度对冰箱喷射器性能影响较小，在0 = 5 0 - - 1 0 0 之间，喷 射系数并无明显变化，且保持一个较大的值。 采用改进型的回( 排) 气增压节能装置的冰箱可以实现降低耗电量3 3 6 8 o ，带排气增压节能装置的冰箱比带回气增压节能装置的冰箱具有更大的节 能降耗优势。 关键词压缩喷射混合制冷，冰箱，喷射器，喷射系数 中南大学硕十学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h e21 班c e n t u r ye n e r g yc r i s i s ，e n e r g y - s a v i n go fh o u s e h o l d r e f r i g e r a t o ri sv e r y i m p o r t a n tf o re c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g ys e c u r i t y t h i sd i s s e r t a t i o ni st os t u d yc o m p r e s s i o n i n j e c t i o nh y b r i dr e f r i g e r a t i o nc y c l es y s t e m o nt h eb a s i so f p r e v i o u ss t u d i e s ，o p t i m i zt h ed e s i g no fr e f r i g e r a t o r - e j e c t o r t h er e s u l t s m a n u f a c t u r e dr e f r i g e r a t o r - e j e c t o rs a m p l ea n dr e f r i g e r a t o rp r o t o t y p ei n t os u p e r i o r e n e r g y s a v i n ge f f e c ta c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f t h es y s t e mp e r f o r m a n c e t o a c h i e v et h e o b j e c t i v e s ，t h e o r e t i c a ls t u d y a n d e x p e r i m e n t o n c o m p r e s s i o n i n j e c t i o nh y b r i dr e f r i g e r a t i o nc y c l es y s t e mo fr e f r i g e r a t o rw e r ec a r r i e d o u tr e s p e c t i v e l y , t h er e s u l t sc o n c l u d et h a t ：( 1 ) f o rt h ec o m p r e s s i o n i n j e c t i o np a r a l l e l h y b r i dr e f r i g e r a t i o nc y c l es y s t e m ，t w or e f r i g e r a t o re x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e s e n e r g y c o n s u m p t i o na r e0 7 7 5k w h d a ya n d0 7 4 8k w h d a yr e s p e c t i v e l y , w h i c hf a i l t o r e f l e c to nt h ee n e r g y s a v i n g a d v a n t a g e s ( 2 ) f o rt h ec o m p r e s s i o n i n j e c t i o ns e r i e s h y b r i dr e f r i g e r a t i o nc y c l es y s t e m ，t w or e f r i g e r a t o re x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e sw i t h d i f f e r e n tc a p i l l a r yf l o we n e r g yc o n s u m p t i o na r e0 7 6 0k w h d a ya n d0 7 6 8k w h d a y r e s p e c t i v e l y , s i m i l a r l yt h e r ea r ed i s a d v a n t a g e so fl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ( 3 ) f o rt h e c o m p r e s s i o n i n j e c t i o nh e a t - e x c h a n g eh y b r i dr e f r i g e r a t i o nc y c l es y s t e m ，t h el o s so f h e a ti nt h et h r o t t l e p r o c e s s i n g c a nb e e f f e c t i v e l yd e c r e a s e d ，t h er e f r i g e r a t o r e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e se n e r g yc o n s u m p t i o ni s0 6 5 5k w h d a y , w i t hr e d u c i n g e n e r g yc o n s u m p t i o nb y7 7 5 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo f r e f r i g e r a t o r - e j e c t o rw a ss t u d i e d ， t h er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) i nt h eo u t l e to fn o z z l e ，t h e r ea r et w ov o r t i c e so nt h ec e n t e r l i n ef o rt h ea x i so fs y m m e t r y ( 2 ) i nt h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r s ，t h e r ei so n eo p t i m a l p r e s s u r eo fp r i m a r yf l u i d ，i e 刎0 6 6 12m p a ，c o r r e s p o n d i n gt ot h em a x i m u m e n t r a i n m e n tr a t i ou = o 5 6 8 ，a n do n eo p t i m a lp r e s s u r eo fs e c o n d a r yf l u i d ，i e 峙0 0 4 8 3 7m p a ，c o r r e s p o n d i n g t ot h em a x i m u me n t r a i n m e n tr a t i ou - - o 5 6 4 ( 3 ) i n g e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，b e i n go n eo p t i m a lt h r o a ta r e ar a t i o 断6 2 5 ，c o r r e s p o n d i n gt o n 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a x i m u me n t r a i n m e n tr a t i ou - - o 5 61 ，t h e r ei so n eo p t i m a lc r o s s s e c t i o nd i s t a n c e o fn o z z l ee x i tb e t w e e nm i x i n gc h a m b e re n t r a n c e 疋矿1 4 7 8 ，c o r r e s p o n d i n gt ot h e m a x i m u me n t r a i n m e n tr a t i o 甜。0 5 6 3 ，t h ea n g l eo fm i x i n gs e c t i o nh a san e g l i g i b l e e f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo fr e f r i g e r a t o r - e j e c t o ra n de n t r a i n m e n tr a t i oh a sn o n o t i c e a b l ec h a n g ew h i c hm a i n t a i n sa r e l a t i v e l yh i g hv a l u ew i t h0 = - 5 0 1o o t h em o d i f i e ds u c t i o n ( o rd i s c h a r g e ) b o o s t e re n e r g y s a v i n gd e v i c e sw e r eu s e d ， t h er e f r i g e r a t o rc a nr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o nb y3 3 6 - - - - 8 o ，w h a t sm o r e ，t h e r e f r i g e r a t o rw i t ht h ed i s c h a r g eb o o s t e re n e r g y - s a v i n gd e v i c eh a sa d v a n t a g e i n r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nt h a nw h i c ho n ew i t ht h es u c t i o nb o o s t e re n e r g y s a v i n g d e v i c e k e yw o r d sc o m p r e s s i o n i n j e c t i o nh y b r i dr e f r i g e r a t i o n ，h o u s e h o l dr e f r i g e r a t o r ， e je c t o r ，e n t r a i n m e n tr a t i o i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者躲监日期：牛年互胜日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：蛆 导师签名 日期：丝啦年互月生日 中南大学硕士论文第一章绪论 1 1 本文的研究背景 第一章绪论弟一早三百下匕 目前，我国用能产品量大面广，而能源利用效率只有3 2 左右，比国外先进 水平低l o 多个百分点，故节能潜力巨大，其节能效果和经济效益也将非常显著。 仅以电冰箱为例，我国每年电冰箱销售量9 0 0 多万台，如果每台电冰箱节电 0 1 k w h d a y 1 0 0 l ，全国每年节电量价值将达l o 亿多元。按照目前的电力消费水 平和生产能力估计，中国未来1 0 年生产的冰箱在其预期使用寿命中，将消耗6 0 1 0 亿度电，需要增加5 7 0 0m w 的发电能力，这将大大超过我国目前的发电负荷， 所以冰箱的节能不仅对经济而且对环境保护均具有深远的意义。提高冰箱的能效 比，也已经受到世界各国政府和冰箱生产企业的普遍重视。因此，在2 l 世纪的 能源危机中，冰箱是否节能对于能源安全同样具有重要的意义。 随着经济的发展，人们对制冷系统功能的需求也日益多样化，现在很多制冷 系统有两个以上的蒸发器，即具有两个以上的蒸发温度，比如：家用冰箱一般具 有冷冻室和冷藏室，小型冷藏车既要满足冷藏功能的要求，又要满足驾驶室空调 的要求，很多冷库都有两个以上的冷藏温区。双蒸发温度的制冷系统传统的做法 是在高蒸发温度的蒸发器后设一蒸发压力调节阀，使高温蒸发压力在经过蒸发压 力调节阀后节流到低温蒸发压力，再进入压缩机。由于蒸发压力调节阀的存在， 使制冷剂的能量除了因膨胀阀节流损失一部分外，蒸发压力调节阀的节流还要损 失一部分，因此这种制冷系统的制冷性能系数是很低的。在能源日渐紧缺的今天， 这种制冷系统己不能满足需要，探寻具有更高效率的双温制冷系统成为亟待解决 的问题。 另外一方面，在普通的双温冰箱中，经毛细管节流后的制冷剂依次进入冷冻 室和冷藏室的蒸发器，通过同一个蒸发温度( 约为2 9 ) 来分别维持冷冻室温 度( 1 8 ) 和冷藏室温度( 5 c ) ，太大的传热温差就会造成冷藏室中大量的可 用能损失，而这种情况对于大冷藏室的双温冰箱则更严重。 1 2 喷射器的研究进展 1 2 1 喷射器理论的研究进展 喷射器是利用射流紊动扩散作用，来传递能量和质量的一种流体机械混合反 应设备。由于喷射器简单、实用，它不直接消耗机械功或电能来提高流体的压力、 温度等参数，无任何可动部件，目前在动力工程、石油、化工、冶金、轻工、纺 中南人学硕十论文 第一章绪论 织、供热、制冷等领域得到了广泛的应用。 喷射器通常可以实现两方面的功“f i g ：一方面是在引射流体入口处制造低压、 低温环境，实现抽吸功能，可用作真空泵；另一方面是在扩压室出口处，提供高 压( 高温) 的条件，实现压缩功能，可作为升压或者压缩设备。 作为一种真空获得设备，喷射装置在工业上的应用已经有一百多年的历史。 早在1 8 2 0 年，s t e p h e n s o n 就将喷射器用于蒸汽动力的火车上以提高气体的排气 量。t h o m p s o n 在18 5 2 年左右利用喷射泵来输送液体水，b u n s e n 等人用相似的 方法创造出了真空。1 9 世纪8 0 年代，德国学者佐伊纳( z e u n e r ) 和兰金( r a n k i n ) 的著作奠定了喷射器的理论基础l l 捌，基于对两股流体的混合应用动量方程的 z e u n e r - r a n k i n 理论被广泛地引用在后来的著作中，并且被实验证实了。然而佐 伊纳和兰金的理论并不能完全解决喷射器设计过程中诸如选择适宜的剖面形状、 确定喷射器的轴向尺寸等这样的问题。 在一维设计理论研究进展方面，首先提出的是定压混合理论。自从1 9 3 9 年 德国的f l u g e l 制造出第一台公认的喷射器以来【3 】，喷射器得到了极为广泛的应 用，最初所有设计都是以实验结果为依据。k e e n a n 和n e u m a n n 4 j 首先在这基础 上迈出了强有力的一步，他们采用一维的质量、动量及能量守恒方程对一台无扩 散段的简化的喷射器进行了研究，所得出的性能曲线与实验结果相吻合。而后 e l r o d l 5 l 在f l u g e l 和k e e n a n 等人研究成果的基础上，提出了一种简化的设计方 法，并将喷射器的效率定义为实际喷射系数与理想喷射系数的比值。尽管他在文 中声称若采用他所提出的计算方法可以取得与其它一些研究者的实验值更为一 致的结果，然而却未见具体阐述。 喷射器一维空气动力学分析方法的主要困难在于对混合过程的动量守恒方 程提出一种合理的解析解。k e e n a n 和n e u m a n 等人【6 】随后完善了他们先前的理 论，先后提出了两种比较可行的计算方法，即定常面积混合理论和定压混合理论。 前者认为工作流体和引射流体的混合过程是在截面积不变的情况下完成的 ( a = c o n s t a n t ) ，而后者则认为两股流体的混合近似为一种等压过程( 咖= o ) 。 k e e n a n 等人【6 】的研究成果第一次对喷射器给出了完整的理论分析和实验研 究，奠定了喷射器一维设计理论的基础。他们在定压混合理论的基础上，假设工 作流体和引射流体具有相同的分子量和比热容，工作流体和引射流体以及混合后 的流体在任意横截面具有均匀的物性分布，喷嘴和扩散器旱面的过程都是等熵过 程，不计壁面阻力，在理想气体的基础上，运用质量、动量及能量守恒方程计算 工作过程，推导出了具有最大压缩比( 慨) 或最大喷射系数( 甜) 的喷射器几 何参数的优化设计公式。同时他们也将喷射器的效率定义为实际喷射系数与理想 喷射系数之比。 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 定压混合理论被广泛应用于喷射器设计的同时也带来了许多实际问题，最主 要的问题是混合阶段流动过程的复杂性，确切地说是如何确定混合室形状，以保 证定压混合过程的有效性和充分性。k e e n a n 等人忽略了喷嘴和扩散器的效率是 因为这样可以使问题简化，况且当时也无法知道喷嘴和扩散器的效率，同样，工 作流体和引射流体的流动过程也忽略了速度系数。前苏联热工研究所考虑了喷嘴 和扩散器的效率以及工作流体和引射流体的速度系数，对混合室入口段各种不同 剖面形状的研究表明：锥形入口段具有最大的速度系数1 7 1 。 k e e n a n 等人的方法可以避免使用一些经验常数，但有时实际的压缩比和喷 射系数仅为计算值的8 0 左右，而当调整喷嘴到适当的位置后，实际的喷射系数 可能为计算值的1 2 0 。h o g g a r t h l 8 1 在他的文章中指出，在非设计工况下，适当 改变喷嘴与混合室的相对位置有可能改善喷射器的性能，然而他并没有进一步提 出一种计算在给定工况下喷嘴出口与混合室入口距离的方法。 当工作流体处于超音速而背压较低时，所有喷射器都会发生壅塞现象 9 1 ，而 k e e n a n 等人的方法并不能预测喷射器的等容量( c o n s t a n tc a p a c i t y ) 1 0 - 1 2 j 这一特 性。m u n d a y 和b a g s t e r l l 3 j 提出的理论认为：工作流体从喷嘴喷射出来后并没有立 即与引射流体混合，而是继续旋转向前，对引射流体来说正好形成了一个收缩通 道，引射流体就好像在收缩喷嘴罩流动一样，在某一有效截面上达到音速而形成 了壅塞现象，只有通过这一有效截面以后，工作流体和引射流体才开始混合。他 们进一步认为：发生壅塞的引射流体的有效面积是一个与运行工况无关的常数， 可以由实验测定。h u a n g 等人1 1 4 】利用m u n d a y 和b a g s t e r 的方法计算了这个有效 面积后发现它并不是一个常数，而是随运行工况变化而变化的。随后h u a n g 等 人【1 5 1 将有效面积与喷嘴面积比表达成第二喉管与喷嘴面积比，工作流体与引射 流体压力比，极限背压与引射压力比等3 个特征参量的函数式，并根据1 5 台r 1 4 1 制冷喷射器的实验结果获取函数中的经验系数，继而获取喷射器的喷射系数。 r o g d a k i s 和a l e x i s 等人【1 6 1 基于m u n d a y 等人的理论，在n h 3 一h 2 0 喷射器实验结 果的基础上，对第二喉管与喷嘴的面积比提出了一种修正的计算方法。c h o u 和 y a n g 等人【l7 】认为喷射器内流体可能发生壅塞的位置有三：其一是混合段入v i 截 面，其二是第二喉管出口( 扩散段入口) 截面，其三则是介于前两者之间的某一 截面。第一种壅塞主要是由于喷射器的结构参数引起的，第二种壅塞则是因为工 作流体与引射流体之间的相互作用，而第三种壅塞则是湍流混合的结果。他们同 时指出：第一种壅塞所能得到的抽空效果最佳，而第三种壅塞状态设计难度最大， 因此第二种壅塞是一个比较可行的折衷方案。前苏联热工研究所运用空气动力学 的分析方法得出了引射流体达到音速的第二极限状态( 壅塞现象) ，并指出对于 在工作介质为大膨胀比而引射流体为大压缩比的条件下，喷射器的效率是以引射 中南人学硕十论文第一章绪论 流体在混合室达到临界速度( 即第二极限状态) 为界限的i 。 d o t t e r w e i c h 和m o o n e y 等人l l 8 j 建立了以流体的焓值变化为基础的能量守恒 表达式。由于不用考虑喷射器内的激波以及壅塞现象，这种计算方法大为简化。 他们假设混合过程中动量不变，并依照假设推导出了一种模型，然而该模型并未 考虑混合过程中的不可逆因素。随后g u p t a 和p a n d u 等人【1 9 2 0 对这两种模型进行 了比较，结果发现d o t t e r w e i c h 等人的模型与p o w e r 等人【2 卜2 4 】的实验资料更为吻 合。王权，向雄彪等人【2 5 1 对索科洛夫的计算方法进行了简化处理，推导出了一 种计算喷射系数的简便方法。徐海涛，桑芝富等人1 2 6 l 进一步发展了这类模型。 在对蒸汽喷射器的工作过程进行深入分析的基础上，从热力学参数的角度出发， 建立了蒸汽喷射器喷射系数计算的理想模型、动量守恒模型及动能守恒模型。采 用i a p w s i f 9 7 公式计算水蒸汽热力参数，对喷嘴、混合段及扩散段的效率对单 级蒸汽喷射器的火用效率的影响做了分析。他们指出：采用动量守恒模型计算喷射 系数及压缩压力，动能守恒模型分析喷射器的火用效率能取得令人满意的结果。 随后提出了定常面积混合理论。k e e n a n 等人【6 j 在研究定压混合理论的同时也 研究了定常面积混合过程，但他们同时又指出采用定压混合理论设计的喷射器具 有更好的工作性能。正因为如此，定常面积混合理论的研究在相当长的一段时间 内处于停滞状态。 l u k 和k o u 等人【2 7 】提出了一种与前人完全不同的解析方法，他们将速度的 非均一性考虑进了控制方程。比较有意思的是，他们并没有采用求解二维问题的 方法，而是将1 2 条控制方程通过一些数学变换缩减到一条关于工作流体压力的 隐式方程，其它参数则通过工作流体压力来求得。文中同时对采用均一压力和非 均一压力的两种方法进行了比较，结果发现，前者所产生的类似于激波的突变过 程在后者结果中显著变缓。这种方法后来被广泛用于喷射式制冷系统的分析，结 果表明制冷效率取决于喷射器的结构参数，适当增加喷射器出口截面的面积可以 改善喷射器和制冷系统的性能。 k e e n a n 等人【6 1 的理论认为在第二喉管末端流体将经历一个压力突增过程( 激 波) ，从而由超音速变为亚音速。在这一过程中流体的总压会有一定的不可逆损 失，为了避免这种损失，提出了等动量变化率( c o n s t a n tr a t eo f m o m e n t u mc h a n g e ， c r m c ) 的设计思想，即认为在扩散段流体的动量变化率保持不变，由此可以计 算出扩散段的截面形状。尽管这种设计方法非常巧妙地避免了混合过程中激波的 产生，然而从加工制造方面考虑，该方案并不可行。更为致命的是，特定的尺寸 只对应于特定的操作参数，当运行工况发生改变时，按c r m c 方法设计的喷射 器同样会产生激波和总压损失。由此看来，提高喷射器运行效率最为有效的途径 是使之能对工况的改变作出快速响应，并能自动调节相关尺寸使之适应新的操作 4 中南大学硕士论文第一章绪论 条件。遗憾的是，在喷射器的内在机理尚不明了的今天，这也只能仅仅是个设想。 在二维设计理论研究进展方面，近半个世纪以来，研究者们提出了各种各样 的二维模型试图对喷射器的工作过程尤其是混合过程作更为精确的描述。 c o f f 和c o o g a n l 2 8 】首先考虑了喷射器的二维特征，他们将t o l t m i e n 关于自由 淹没平面射流的解( 射流流体与外界大气具有相同的压力和密度) 用来分析工作 流体与引射介质的混合过程，尽管这种模型相对简单并且取得了较为合理的结 果，然而这完全依赖于由实验所确定的经验常数值。 m i k h a i l l 2 9 】认为当两股流体在一个截面积不变的混合段混合时，在不同的阶 段具有不同的速度侧形。他采用余弦曲线来描述截面速度分布，通过求解不同阶 段的动量线性积分方程取得了轴线上的速度衰减规律和压力分布情况。同时他指 出假想的余弦分布与实验结果相当一致。 h e d g e s 和h i u t 3 0 引l 终于将喷射器的研究翻开了新的一页，他们发展了一种有 限差分程序对喷射器内的流动过程作了数值模拟，这也是后来为大家所熟知的计 算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 方法在喷射器研究中的首次 探索。尽管当时的方法还略显粗糙且有较多简化，然而由于该法是通过数值求解 偏微分方程来实现的，因此它不必像先前的积分方法那样预先给定速度分布和温 度分布，并且由该方法得出的结果与初始条件无关，同先前的积分方法相比是个 里程碑式的飞跃。 商用计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 软件的涌现使得 喷射器内复杂的超音速流动与混合过程的研究成为可能。徐海涛【3 2 1 采用大型计 算流体软件f l u e n t 分别对大膨胀比，大压缩比的蒸汽喷射真空泵及大膨胀比， 中等压缩比的蒸汽喷射式热泵内的超音速流动过程进行了数值模拟。计算并分析 了各种参数对喷射器实际操作性能的影响。他还根据喷射器内的物理现象及喷射 系数的变化规律将蒸汽喷射器的操作状态分为临界状态、亚临界状态和回流状态 三类，同时指出临界点为最佳工作点。 1 2 2 喷射器实验的研究进展 研究者们在进行理论分析的同时，也作了大量的实验研究工作。喷射器的壁 面静压是一个相对比较容易测定的物理量，h e d g e 和h i l l t 3 0 】采用两种不同锥度的 喷嘴( 分别是4 4 0 和1 2 0 ) 对喷射器内的速度及壁面静压分布作了测定，结果表 明锥度对喷射器的性能影响并不大。 w a t a n a b e 做了一些实验以分析喷嘴位置及扩散段长度对喷射器性能的影响， 他发现喷嘴相对于混合室存在一最佳位置，此时喷射器具有最高的喷射系数，扩 散段长度的增加能提高扩散段的效率但不利于喷射器效率的提高，但他同时又指 5 中南大学硕士论文第一章绪论 出喷嘴位置对喷射器工作的影响超出了当时的理论范围。前苏联热工研究所的实 验结果证实了w a t a n a b e 的发现，即喷嘴的出口至混合室入口距离有一最佳距离。 同时发现该距离略小于最佳距离时对喷射器的性能影响不大，而当这个距离大于 最佳距离时，喷射器的工作性能迅速恶化。他们认为这是因为自由流束带入到混 合室的气体要比喷射器能通过的多，因而有一部分气体从混合室倒流入接收室， 从而增加附加损失所致【7 】。刘志强等人【3 3 j 作了与之相类似的研究，指出喷射器的 火用效率随引射比的增大而提高，其值达0 5 0 - - - 0 5 5 。 m a t s u o 等人1 3 4 , 3 5 】对具有矩形截面混合室和矩形截面喷嘴的喷射器进行了研 究，他们采用不同的喷嘴及不同的沙值( y 表示混合室喉管截面与喷嘴喉管截面 的面积l l ) 组合以观察它们对喷射器操作性能的影响。他们发现，给定一个沙值， 存在一个最佳的压力比( p p p ) ，可以满足引射流的流量最大而压力比p 卯c 最 小；给定一个固定马赫数，存在一个最优的面积比删，可以满足( 辟耳) 倒值 最小。同时，他们依据实验中测量到的压力数据和拍摄到的纹影照片将喷射器的 工作性能曲线分成五类。n a h d i 等人【3 6 】也观察了面积比对喷射器操作性能的影 响，同m a t s u o 等人不同的是，他们采用圆形截面替代矩形截面以便有可变的面 积比沙。结果表明：最大喷射系数和压力比砟，护c 随面积比的变化而变化，在所 有这些条件中存在一个最优面积比和最大的喷射系数。 c h a n g 等人【3 7 】采用一种新型的花瓣型喷嘴藉以提高喷射器的效率，他们对制 冷喷射器的实验结果表明对于( 第二喉管与喷嘴) 面积比较大的喷射器而言，采 用花瓣型喷嘴能取得高于采用普通锥型喷嘴的喷射系数和压缩比。 d e s e v a u x 3 8 】采用激光对定常面积混合空气喷射器内的混合过程进行了一系 列有益的探索，所得出的混合段激波结构的照片对理解喷射器的混合过程具有很 大的价值。他得出的一些实验结果指出：工作流体自喷嘴喷射以后不断膨胀压缩， 形成了逐渐衰减的准周期性流动结构。遗憾的是，d e s e v a u x 仅研究了定常面积 混合喷射器内的流动状况，也未对操作工况变动时激波的运动规律作出阐述。 在苏联和其他国家，对蒸汽引射器( 大膨胀比和大压缩比喷射器) 进行了广 泛的试验和理论研究。在汽轮机的冷凝装置上应用蒸汽引射器，以及在空气调节 系统上运用蒸汽引射制冷装置，是推动这些研究工作的促进因素 7 1 。 在我国现阶段，喷射器主要应用在喷射式制冷系统和供热系统中。其中，天 津大学的张于峰【3 9 l 于1 9 9 6 年对使用喷射器的喷射式制冷系统进行了研究。随后 孙洲阳【4 0 l 又提出了复合喷射制冷循环的技术。常州市锅炉与压力容器检验所的 王小林、瞿建国【4 1 l 对在供热系统中应用喷射器进行了可行性研究。但是，对喷 射器本身的研究并不是很多，武汉水利电力大学的陆宏圻教授多年来对射流泵有 较为深入的研究，在他的带领下，他们研发出来的新型可调脱碳喷射器已经成功 6 中南人学硕士论文第一章绪论 应用于多家化工企业，取得了显著的节能效果。鞍山钢铁学院的刑桂菊、李文忠， 南京工业大学的张少维、徐海涛等人也在试图通过改变喷射器的喷嘴形状来寻求 更好的性能【4 2 删。大连理工大学能源研究所在吸取德国喷射式热泵和蒸汽喷射器 的研究和应用方面最新成果的基础上，开发了全套喷射式热泵性能分析、结构设 计软件，开展了喷射器的一维和多维分析计算和实验研究工作【4 5 j 。大连理工大 学李海军等人【4 6 】通过求解二维n s 方程来模拟蒸汽喷射器内复杂的流动混合过 程，对蒸汽喷射制冷系统中喷射器内特殊流动现象进行了研究。上海交通大学的 季建刚、王如竹等人1 4 7 ，4 8 j 基于热力学原理并引入气体动力学函数，建立了蒸汽 喷射压缩器的计算模型，进行了蒸汽喷射压缩器特性计算与分析，并对其变工况 特性进行了较详细的分析。 1 3 冰箱压缩喷射混合制冷循环系统的研究进展 国外的许多研究者们对喷射式制冷系统也进行过大量的研究工作，s o m i i n d i s a w a s 等人【4 9 】使用一个适用于两相流体的喷射器作为节流膨胀装置，对喷射制 冷循环的性能进行了实验研究。a s e l v a r a j u 等人1 5 0 】对制冷剂工质为r 1 3 4 a 的蒸 汽喷射制冷系统进行了实验研究。g i u s e p p eg r a z z i n i 等人1 5 l 】则对蒸汽喷射循环中 最优化目标函数的影响因素作了阐述和求解。g i a n f r a n c o a n g e l i n o 等人【5 2 】对可调 式喷射制冷循环中最优的热力参数作了探讨和研究。 另外，俄罗斯科学家k o u 和l a l l l 5 3 j 提出了两蒸发器并联的压缩喷射混合制 冷循环并进行了实验研究，但未见理论分析。k o m h a u s e r 【5 4 l 曾提出一种蒸汽压缩 喷射混合制冷循环系统，用以回收因节流而损失的能量。 国内对蒸汽压缩喷射混合制冷循环研究起步较晚，近年来，一些研究者将 喷射器引入蒸汽压缩制冷循环，构成压缩喷射混合制冷循环，并已初步证实有 较明显的节能效果。苏跃红等人1 5 5 5 6 j 通过理论计算得出了以下两个主要结论： ( 1 ) 混合制冷循环的压缩机进气压力明显高于简单循环，所以压缩机功耗将 减小，加之节流损失的降低，混合循环的制冷量将增加； ( 2 ) 混合制冷循环的性能系数随着冷藏室制冷量占冰箱总制冷量的比值的 增大而变得越来越显著，这说明了对于大冷藏室的双温冰箱采用混合制冷循环是 非常有利的，反之，当冷藏室制冷量占冰箱总制冷量的比值小于0 2 时，几乎收 不到什么节能效果。 另外，根据他们的设计方案，进行了双温冰箱两蒸发器并联的混合循环系统 的实验研究。其所述系统如图1 1 所示。 在其实验过程中，由冰箱压缩机起动时刻开始记录各个压力表的读数及冷冻 室和冷藏室的温度随时间的变化，同时测定耗电量。实验所显示的两个蒸发温度 7 中南火学硕士论文第一章绪论 图卜1两蒸发器并联的混合循环实验系统1 5 s 5 6 l 图1 - 2 两蒸发器串联的混合循环实验系统1 5 5 挪】 和喷射器出口压力相对于冷冻室蒸发压力的提高，肯定了混合循环的节能作用。 另外，为了研究两蒸发器串联的压缩喷射式混合制冷循环的性能参数一般 略高于两蒸发器并联的混合循环这个结论在实用性方面是否有其优点，他们还通 过实验来了解了具体的情况。双温冰箱两蒸发器串联的混合制冷循环系统如图 1 2 所示。 这个系统的实验结果显示冷藏室蒸发压力的稳定性明显改善，而且实验过程 未发生回霜问题，说明蒸发器串联方案的变工况调节能力较强；不过，冷冻室降 温略慢，造成这种现象的原因在于，在串联方案中制冷剂是依次通过冷藏室蒸发 器和冷冻室蒸发器的。 8 中南大学硕十论文 第一章绪论 郭健翔等人【57 l 介绍了双温冰箱冷藏室蒸发器和冷冻室蒸发器并联工作及串 联工作的两种压缩喷射式混合制冷循环方式，通过理论计算比较了它们的性能， 在回热情况下，双温冰箱压缩喷射式混合制冷循环的冷藏室蒸发器和冷冻室蒸 发器串联工作方式的性能优于并联工作方式，同时讨论了不同回热方案对压缩 喷射式混合制冷循环性能的影响，回热的影响不仅与制冷剂性质有关，而且与蒸 发器联结方式及回热方案密切相关。由于在冷藏室制冷量占冰箱总制冷量的比值 一定的情况下，不同回热方案导致了两个蒸发器回路中流量的重新分配，压缩机 进口压力随之改变。因此，随着回热温度的提高，蒸发器串联工作方式的循环 c o p 略有下降，而蒸发器并联方式的几种回热循环的c o p 变化情况不同，其中 以冷冻室侧的回热方式最有利。因此，在设计回热方式时，采用尽量兼顾冷冻室 侧的回热办法，对于同样的回热温度和冷藏室制冷量占冰箱总制冷量的比值，循 环的性能将更高。另外，蒸发器两种联结方式的循环性能差别随着回热度提高而 减小，在一定的回热温度下两种性能将基本一致，即在一定的不均衡回热情况下 这两种循环方式的性能基本上是一致的。 另外，郭健翔等人【5 7 】还在k o r n h a u s e r 循环基础上作了改进，他们对各自循 环所作的理论计算结果证明，混合循环性能系数相对简单蒸汽压缩循环有不同程 度的提高。 西安交通大学通过实验测试的方法试验了一种新型压缩喷射制冷循环系 统，收到了一定的节能效剁5 8 】。其实验装置系统及测点布置如图1 3 所示。 a ：热电偶 图1 - 3 新型混合循环实验装置系统及测点布置刚5 8 l 上海交通大学的刘敬辉、陈江平、陈芝久等人【5 9 1 ，对压缩喷射混合制冷循 环的热力学分析方法进行了探讨，同时也对9 种常用制冷剂的压缩喷射混合制 9 中南人学硕士论文 第一章绪论 冷循环的制冷性能进行了理论分析，并对回气增压技术装置喷嘴设计方法进行了 初步的探讨。他们所进行的实验研究证明，采用压缩喷射混合制冷循环的实验 装置，在与原系统最优充灌量相同的条件下，测试了不同喷嘴出口直径下新循环 系统的冷却速度曲线和耗电量。结果表明，在出口直径d = o 3 - - 0 4 m m 内，新混 合制冷循环系统有较为显著的节能效果。中南大学曹立宏【删对这种冰箱压缩喷 射混合制冷循环系统进行过较详细的理论研究，通过对该种混合循环系统的理论 计算和火用分析等手段，得出了该种冰箱压缩喷射混合制冷循环系统性能系数 c o p 具有比传统简单循环系统高8 8 6 , - - - - 9 9 3 的节能优势。表1 1 给出了在理 想状态下冰箱压缩喷射混合制冷循环系统与传统简单循环系统制冷性能对比的 情况。 表1 1理想状态下混合循环系统与传统简单系统制冷性能对比f 6 0 1 注：本表数据是根据某一型譬冰箱并n i 理想设计t 况下计算所得 1 4 本文的研究意义 喷射器虽然结构简单，但其设备内部流体的流动过程非常复杂，综合以上国 内外关于喷射器相关领域的大部分研究，都或多或少地存在一些缺点和问题：首 先，关于喷射器的研究大都是基于理论与经验相结合为主，还没有开展较好的现 场实验研究，并且根据经验公式设计出来的喷射器误差较大；其次，对喷射器的 研究，主要是集中在一些科研、设计单位和高等院校当中，而这些研究机构的不 足之处在于，相关研究经费的不足，加上喷射器的加工涉及到精细程度较高的数 控机床，研究者们并没有很好地与相关的加工企业进行合作，进而导致其加工的 困难；最后，关于冰箱压缩喷射混合制冷循环系统的研究，大部分研究者们也 是停留在理论研究阶段，还有就是对这种混合循环系统进行过不同程度的实验研 究，但是由于没有和相关的应用企业进行紧密合作等条件的限制，造成相关实验 设备比较简陋，很难保证系统的性能和实验测试数据的准确性，这些因素均会使 得实验研究的效果存在不尽令人满意的地方。 本文就是在总结了这些相关研究的基础上，进一步提出冰箱压缩喷射混合 制冷循环系统，对冰箱压缩喷射混合制冷循环系统进行理论和实验研究，并对 冰箱喷射器的性能进行了数值研究，最后对冰箱喷射器的结构进行了改进。 冰箱蒸汽压缩制冷循环系统中引入结构简单、成本低廉、无运动部件、不直 1 0 中南大学硕士论文 第一章绪论 接消耗机械能的喷射器，构成的冰箱压缩喷射混合制冷循环是一种较为有效的 节能方式。一方面回收了部分节流膨胀过程损失的能量；另一方面减少了蒸发器 温差的不可逆损失。而且，冰箱压缩喷射混合制冷循环对原蒸汽压缩制冷循环 改动较小，只引入了一个冰箱喷射器，易于实现。 1 5 本文的主要研究内容 本文就是在前人的这些研究基础上，把冰箱压缩喷射混合制冷循环这种新 型系统的研究继续推进下去，进一步对其展开探索。本文的主要研究内容如下： 第一章论述相关的研究进展情况，总结归纳研究者们在研究过程中存在的一 些问题，提出了本文的研究意义。 第二章对冰箱压缩喷射混合制冷循环系统进行理论研究，根据冰箱系统实 际运行工况，设计冰箱喷射器的初步结构尺寸。 第三章对三种不同连接形式的冰箱压缩喷射混合制冷循环系统进行实验研 究，根据系统性能要求对冰箱喷射器结构尺寸进行调整和修改。 第四章对冰箱喷射器性能进行数值研究，分析不同参数对冰箱喷射器性能的 影响。 第五章针对实验、数值计算结果和现实应用价值，对冰箱喷射器的结构进行 改进。 第六章是全文的工作总结及今后工作的展望。 中南人学硕士论文第二章冰箱压缩喷射混合制冷循环