（动力机械及工程专业论文）喷射器与太阳能喷射式制冷系统研究.pdf

摘要 随着人们生活水平的提高，空调的使用r 益广泛。与此同时，大量使用机械压缩制 冷系统带来电能消耗、环境污染问题也向人类可持续发展提出了挑战。利用太阳能等可 再生资源来满足人们需求是众多可供选择方案中最直接的解决办法。由于可以利用低温 热源驱动，并且本身结构简单、运行可靠，因此喷射式制冷系统近年来在国际上获得了 比较多关注。 本文对太阳能喷射式制冷系统进行了比较系统的研究，通过性能分析、数值模拟、 实验验证等方法对太阳能喷射式制冷系统的运行性畿、特性等方面进行了探讨。运用基 础能量消耗方法，研究了太阳能增压喷射式制冷系统的运行性能。并且，着重针对太阳 能喷射式制冷系统的核心部件喷射器进行了结构设计、性能分析、流场计算等多方 面研究。设计并调试安装了一套太阳能喷射式制冷系统实验台，提出了新型太阳能双喷 射式制冷系统。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 在对一维气体喷射器性能计算和结构设计方法进行分析和改进的基础上，综 合大连理工大学多年研究成果，编制多种工质的气体喷射器设计和性能分析软件。研究 喷射器性能、设计结构与工作参数变化关系。 ( 2 ) 通过求解喷射器二维轴对称、可压缩流动模型，对喷射器内部流场和喷射器 运行性能2 吕j 的关系进行了研究。并且，通过蒸汽喷射器性能实验台，比较了试验数掘 和数值结果结果，证明了二维流动模型对喷射器工作特性可行性和准确性。研究了喷射 器结构变化对内部流场的影响，以及引起的喷射器性能变化关系。 ( 3 ) 利用数值模拟方法，比较研究了多种制冷剂和增压器在喷射式制冷系统中的 使用陛能，以及蓄热器在太阳能喷射式制冷系统中的应用和对性能的影响。结合中国北 方某城市在夏天太阳能辐射数值，给出了以r 1 2 3 为制冷剂的太阳能喷射式制冷系统在 这种条件下的运行结果。模拟运行结果表明，采用2 0 i n 2 平板真空管集热器，太阳能喷 射式制冷系统从上午1 0 点运行到下午4 点期间，可以满足供6 0 一7 0 m 2 ( 采用增压器) 或者2 0 - - 3 0 m 2 ( 不采用增压器) 住宅空间制冷空调要求。系统最大制冷能力1 8 k w 、 平均c o p 为0 2 5 9 ( 不采用增压器) 或者最大制冷能力5 2 k w 、平均c o p 为o 7 7 7 ( 采 用增压器) ( 4 ) 建立了以电加热模拟太阳能辐射的喷射式空调系统实验台，研究了喷射式制 冷系统的工作特性和影响因素，咀及制冷剂r 1 2 3 的运行性能。通过调节电加热器的功 率，模拟了太阳辐射强度随时问的变化情况，模拟集热器面积1 0 m 2 。系统可以提供1 5 的冷却水，全天平均c o p 为o 2 0 ，系统最大制冷能力为0 4 k w 。 ( 5 ) 在研究了气液喷射器的工作原理和性能分析方法以后，利用气液喷射器可 以将吸入口液体升压到高于工作压力的特性，提出了以气液喷射器替代机械泵的新型 双喷射式制冷系统。研究了这种新型制冷系统的可行性以及工作特点和工作性能。模拟 了太阳能双喷射式制冷系统的运行，结果表明，太阳能双喷射式制冷系统的c o p 和制 冷量比太阳能喷射式制冷系统平均低大约2 0 ，但是系统不消耗电能。 关键词：太阳能喷射器制冷系统双喷射式制冷系统 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h es t a n d a r do fl i v i n g ，a i r - c o n d i t i o n e rh a sb e e nm o r ea n dm o l e p o p u l a r i z e d ，a t t h es a m et i m e ，m e c h a n i c a lc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t o r sc o n s u m eab i gq u a n t i t y o fe l e c t r i cp o w e ra n di n d i r e c t l ym a k et h ep o l l u t i o np r o b l e ms e v e r e ，w h i c hb r i n gf o r w a r da g r e a tc h a l l e n g et o t h eh u m a n ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a m o n gt h ev a r i o u ss o l u t i o n s ，t h e u t i l i z a t i o no fs o l a r e n e r g y a n do t h e rr e g e n e r a t i v e e n e r g y f o r r e f r i g e r a t i o n i so n eo ft h e p r o m i s i n gc h o i c e s b e c a u s e o fi t s a b i l i t y t ou t i l i z et h e 1 0 w - t e m p e r a t u r e t h e r m a le n e r g y r e s o u r c e s ，a n di t ss i m p l es t r u c t u r ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，t h ee j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e mh a s g a i n e dm u c h a t t e n t i o n i nt h i s p a p e r , t h es t u d y o ft h e p e r f o r m a n c ea n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h es o l a re j e c t o r r e f r i g e r a t i o ns y s t e ma n di t sk e yc o m p o n e n t ，t h ee j e c t o r , i sc a r r i e do u t ，w h i c hi sa i m e d t os o l v e s o m ec h i e ft e c h n i c a lp r o b l e m s a ne j e c t o rr e f r i g e r a t i o ne x p e r i m e n t a ls e tw a sd e s i g n e da n d b u i l t a n dan e ws o l a rb i e j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw a sw o r k e do u t t h ef o l l o w i n ga r et h e m a i nc o n t e n t s ： 1 b a s e do nt h eo n ed i m e n s i o n a l p e r f o r m a n c ea n a l y z i n ga n ds t r u c t u r ed e s i g n i n gm e t h o da n d t h ea c h i e v e m e n to ft h ed a t i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y , ap a c k a g eo fs o f t w a r ef o rt h e p e r f o r m a n c ep r e d i c t i n ga n ds t r u c t u r ed e s i g n i n gw a sm a d e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e o p e r a t i o n c o n d i t i o na n dt h ee j e c t o rp e r f o r m a n c ea n dt h e d e s i g n i n gs t r u c t u r ew a ss t u d i e d 2 t h r o u g hs o l v i n gt h et w o d i m e n s i o na x i a l s y m m e t r yf l o wm o d e l ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ef l o wf i e l da n dt h e p e r f o r m a n c e o ft h ee j e c t o rw a ss t u d i e d a n e x p e r i m e n t s e tw a sb u i l t t op r o v et h ea c c u r a c yo ft h em o d e l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s a n dt h ef l o wf i e l dw a ss t u d i e d t h ef l o wf i l e da n dt h ep e r f o r m a n c ea td i f i e r e n te j e c t o r s t r u c t u r ew a ss t u d i e d 3 t h ep e r f o r m a n c eo fs e v e r a lr e f r i g e r a n t sa n dt h et h e r m a ls t o r a g eo ft h es o l a r e j e c t o r r e f r i g e r a t i o ns y s t e mw e r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h es o l a rr a d i m i o nd a t ao f a c i t yi nn o r t h c h i n a , t h es i m u l a t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo fas o l a re j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw a s c a r r i e do u t i nw h i c hr 1 2 3w a st a k e na st h er e f r i g e r a n t 1 1 1 eo p e r a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a t w i t has o l a rc o l l e c t o ro f2 0s q u a r e m e t e r , t h ec o o l i n g c a p a c i t yo ft h es o l a re j e c t o r r e f r i g e r a t i o ns y s t e mc o u l dm e e tt h ed e m a n do f al i v i n gh o u s eo f6 0t o7 0s q u a r e m e t e r ( w h e n t l l eb o o s t e rw a s p r e s e n t ) o ro f 2 0 t o3 0 s q u a r e - m e t e r ( w h e nt h eb o o s t e rw a sa b s e n t 、 f r o mlo a mt o4 p m t h em a x i m u mc o o l i n gc a p a c i t yw a s1 8 k ww i t hc o p o f02 5 9w h e n t h eb o o s t e rw a sa b s e n t ，o rt h em a x i m u m c o o l i n gc a p a c i t yw a s5 2 k ww i t hc o p o f0 ，7 7 7 w h e nt h eb o o s t e rw a s p r e s e n t ： 4 a n e x p e r i m e n ts e to f s o l a re j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw a sb u i l t , i no r d e rt o s t u d yi t s p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ek e yi n f l u e n c ef a c t o r s i nw h i c hr 1 2 3w a st a k e na st h e r e f r i g e r a n t t h r o u g hr e g u l a t i o no f t h eh e a t e rp o w e r , t h es o l a rr a d i a t i o nv a r y i n gw i t ht h e t i m ew a ss i m u l a t e d t h ec o l l e c t o rw a s10s q u a r em e t e r n i er e f r i g e r a t i o ns y s t e mc o u l d p r o v i d et h ec o o l i n gw a t e ro f1 5 t h es y s t e mc o p w a so 2 0 t h em a x i m u m c o o l i n g c a p a c i t yw a s 0 4 k w 5 a f t e r s t u d yo f w o r k i n gp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c eo f t h ev a p o r - l i q u i de j e c t o r b a s e do ni t s i m p o r t a n tc h a r a c t e rt h a ti t sd i s c h a r g e dp r e s s u r ec a ne x c e e dt h ep r e s s u r eo ft h ew o r k i n g v a p o r , an e wb i - e j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d , i nw h i c ht h em e c h a n i c a lp u m p i sr e p l a c e db ya v a p o r l i q u i de j e c t o r t h ep e r f o r m a n c e o ft h ev a p o r 。l i q u i de j e c t o ra n dt h e f e a s i b i l i t y o ft h en e wb i e j e c t o r r e f r i g e r a t i o ns y s t e m w e r e s t u d i e d a l t h o u g h t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t ht h es o l a re j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e mt h es o l a r b i - e j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e ml o s e s2 0 c o p , i t c o i i s l m l 2 e sn oe l e c t r i c i t yp o w e ra n dh a s n om e c h a n i c a l c o m p o n e n t k e y w o r d s ：s o l a re n e r g y , e j e c t o r , r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，b i e j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 第l 章绪论 1 绪论 太阳是每时每刻都在进行核聚变的反应堆，每秒约有6 5 7 1 0 4 吨氢通过热核反应变 成6 3 5 1 0 4 吨氦，质量亏损4 0 0 万吨，产生能量3 9 1 0 5 3 k w ，这些能量以电磁波的形 式穿越太空射向四面八方，而地球只接收到太阳总辐射量的2 0 亿分之一，就是1 7 3 1 0 ”k w 。经过地球大气层的衰减，最后约8 5 1 0 ”k w 到达地球表面。这个能量相当于 全世界全年发电量的几十力倍。太阳中氢的储备足够维持6 0 0 亿年。从这个意义上来说， 太阳能是取之不尽、用之不竭的。 人类对于能源资源的丌发和利用经历了三个主要时期，即柴草时期、煤炭时期、石 油和天然气时期，现在又将进入一个新的时期，太阳能、核能发挥重要作用的多元化新 能源时期。据美国m a r c h e t i n 对世界一次能源替代趋势的研究结果表明【i ( 如图1 1 ) ， 到2 0 5 0 年后，核链将占第一位，太阳能占第二位。2 l 世纪术，太阳能将取代核能占第 一位。这种发展趋势的本质，是能源发展从资源型向技术型转化的过程，从粗放型利用 向高效率利用的转变过程，从污染环境到保护环境的提高过程。 占 能 源 百 分 比 j 娅；一i 7 叭；少 义i 塔 图l l 世界一次能源消耗趋势 5 0 在我国，有限的资源承载着巨大的人口和环境压力，虽然在近几年经济结构调整过 程中能源供需矛盾有很大缓解，但从长远看，能源供应不足仍将是制约我国经济发展的 重要因素之一。我国现存的石油、天然气等燃料的可采储量尚可维持数十年，煤炭资源 多一些，也不过2 0 0 多年的可采量，因此利用太阳能就更具有其现实意义。 1 1太阳能空调系统研究进展 当前，国际上民用空调所消耗的电能约占国民总电耗的5 0 ，许多国家都在加紧进 行太阳能空调技术的研究，包括联合国在内的一些国际组织和发达国家政府都先后制订 出一系列新措施来促进以太阳能为主的绿色能源空调尽快开发成功、推广、普及。可以 说，目前太阳能空调尤其是经济、家用型太阳能空调，已属于国际性的技术竞争热点。 据调查，已经或者了f 在建立太阳能空调系统的国家和地区有意大利、西班牙、德国、美 国、r 本、韩国、新加坡、香港等。这是由于发达国家的空调能耗在民用能耗中占有相 当大的比重。利用太阳能驱动空调系统对于节约常规能源、保护自然环境及走可持续发 展道路都具有十分重要的意义。随着我国居民生活水平的不断提高，近几年空调用电大 幅度增长，空调热有增无减，电耗大和l 喷污染问题越来越严重，研制开发节电型绿色 人连理t 人学博 j 学位论文 空调成为一项十分迫切的重要课题。为了进一步拓宽太阳能的应用范围，使其在节能和 环保中发挥更大的作用，我国在“九矗”期间丌展了太阳能空调技术研究，旨在通过技 术攻关和系统示范，解决太阳能空调中的技术难题，从而为尽早实现太阳能空调的商业 化打下技术基础。 太阳能空调系统是以太阳能作为空调原动力的空调系统。实现太阳能制热、制冷根 本上要解决两个问题能量的获得和能量的转换利用。 1 1 1 太阳能作为空调能源的有效利用方式 根据太阳能转换成最终能量形式的不同，利用太阳能进行空调可以有两条途径：一 是利用光伏发电技术产生电能，以电能驱动常规的压缩式空调系统；二是进行光热转换， 用太阳能集热器收集到的热量作为能源驱动空调系统。 在太阳能光电转换技术中，太阳能电池的材料是主要问题。目前以半导体硅、锗等 材料为主，主要进行工艺研究。需要解决的主要问题是效率和成本问题。如图1 - 2 1 2 l 所 示。可以看到，虽然半导体太阳能电池的实验室效率已经超过了2 0 ，但是制造成本依 然比较高，难以大规模地投入生产和使用。因此，虽然太阳能电池驱动的制冷系统的结 构简单，但是由于成本和效率的问题，在目前的技术条件下还不具有实际可行性。 e - 5 1 4 效率 0 3 0 2 0 i c ； 1 1 锄 1 0 e )0 2 年代 图l - 2 太阳能电池效率的提高 收集太阳辐射能，将其转换为热能的设备是太阳能集热器。太阳能集热器主要有汇 聚型和平板型两种结构。汇聚型集热器可以将平行光汇聚到一点或者一线，从而在接收 器获得较高的温度。但是由于汇聚型集热器不能利用散射光，系统需要较大的反射面积， 还需要安装太阳跟踪系统：并且聚焦点的温度高，散热损失也比较大，从而系统效率比 较低。抛物线槽型集热器在目前被研究得比较多，s d o d c h 等【3 1 开发了太阳能直接蒸汽 发生器就是采用了这种型式。如果制冷剂能够直接流经集热器获得加热后进行制冷循 环，就可以省去换热器，并提高效率。n e s r c e ng h a d d a r l 4 实验研究了这种可能性，他利 用的是热管型集热器，制冷剂为r l l 。一般情况下，平板型集热器的工作温度不会高于 8 0 9 0 ，温度越高集热器效率越低。由于平板型集热器的承压性比较差，因此不能直 接利用制冷剂流经集热器收集能量，需要使用水收集能量，然后通过换热器将能量传递 给制冷系统。近年来，随着研究的深入，高效率的中高温真空管平板型集热器已经开始 商业化。这种集热器大多以水作为工质，可以生产饱和水蒸气。n b e n z 和t b e i k i r c h e r 【5 】 研制成了一种中低温高效平板集热器，可以在1 5 0 依然以4 5 的热效率运行。 第1 章封 论 1 1 2 太阳能空调系统的制冷方式介绍 现在我们经常见到的太阳能热利用方式多为采暖、热水供应等，实际上在夏季，人 们在需要一定热水的同时，更加需要制冷。因此，在太阳能热利用领域，需要丌发能够 更好满足人们要求的太阳能制冷热空调系统。 除了利用光伏发电的压缩式空调系统外，太阳能空调主要有以下几种类型。 ( 1 ) 、太阳能吸收式空调。将吸收式制冷系统与太阳能集热器联合起来可以组成太 阳能吸收式空调系统。图1 3 为带有蓄热器的太阳能单效吸收空调系统示意图【6 1 。这是 一个比较简单的系统，与常规的单效制冷机不同的是使用了太阳能集热器作为热源。近 年来，l i b r - h 2 0 吸收式制冷机发展得比较快。由于l i b r - h 2 0 对环境没有损害，并且可 以使用温度比较低的热源因此以它作为制冷剂的太阳能空调系统受到了比较多的关注 1 6 - 1 0 l 。太阳能吸收式空调系统的效率主要取决于太阳能集热器和吸收式制冷机的工作效 率。对于单效吸收式制冷机而言，其典型的c o p 为o 7 o 8 ，如果增加热源( 就是太阳 能集热器) 的温度会有助于提高制冷机的c o p ，但是太阳能集热器的效率会下降，从而 导致整个空调系统的效率下降。双效吸收制冷机的效率要比单效吸收制冷机高一些，但 是其投资也会增加。一般来说，吸收式制冷机的价格要比压缩式制冷机高许多。因此， 尽管生产吸收式制冷机并没有困难，但是要使这样的系统能够实现节省能源、增加经济 效益的目标，还需要对系统进行进一步的研究和改进。例如，人们利用喷射器和吸收制 冷机组成了多种吸收喷射混合制冷系统，可以有效地提高系统性能和经济性。 制冷札 。 空调空间 一一一一1 每水链存 a 哦收器( i 。发生器( 母凝器 e 蒸炭器 图1 3 太阳能驱动的单效吸收空调系统示意图 ( 2 ) 、太阳能去湿一蒸发降温空调“5 1 。这种系统利用吸附去湿原理实现空调降温。 出于系统具有制造工艺简单、常压运行、可利用低品位热源( 5 ) 等特点，因此适 合于太阳能空调系统。目前，主要的吸附去湿方式有以下几种：固体交换轮去湿，液体 去湿和固体吸附去瀑。图1 - 4 为一个太阳能纤维带吸附去湿空调系统示意图。室内空气 的流程为：1 2 - 3 4 l ，当纤维带转到集热器底部时，吸湿剂吸附来自室内空气中的水汽， 使其变为干燥且温度较高的干热空气：这些干热气经水冷器冷却并经增湿器等焓增湿 叁垄型! 查兰蔓! ：兰垡笙苎 一 后，温度降到2 0 1 0 以下再进入室内。再生空气的流程为：5 - 6 7 - 8 ，从集热器出来的高温 高湿再生气通过热管气一气换热器预热进入集热器的室外空气。这种太阳能空调系统虽 然结构简单，但是其系统效率比较低( 如文献【1 5 】中得到的c o p 只有0 1 8 ) ，从而需要 配备的太阳能集热面积就比较大；并且此系统要求环境空气相对干燥，因此其普及和使 用受到了一定的限制。 图1 4 太阳能吸附去湿空调系统图1 1 5 1 ( 3 ) 太阳能固体吸附式空调系统。这个系统的研究近年来也比较活跃l i “j ，图1 5 给出了系统结构的示意图。固体吸附式制冷机的工作机理是：处于饱和状态的吸附剂 受热源加热时，释放出制冷壳u ，使其周围空间中的制冷剂蒸气压超过饱和蒸气压，从而 在冷凝器中冷凝为液体，流到蒸发器中储存：当吸附剂温度降低开始吸附时，其周围空 间的压强下降，蒸发器中液体蒸发，开始制冷。其主要的工作过程包括：吸附过程和解 吸附过程。目前太阳能固体吸附式空调系统遇到的问题是：吸附时的保温要求与解吸附 时的散热要求相矛盾。从图中可以看到，太阳集热器同时也作为冷凝器，这就是说在白 天吸收太阳能的时候，需要集热器尽可能保温；而在夜间需要制冷的时候，又要求冷凝 器( 集热器) 尽可能散热。并且这是一个封闭的系统，要求保持内部真空。因此，这个 问题很大程度上影响了系统的运行性能。现在其典型的过程 2 0 2 1 1 是在夏季的白天收集太 阳能、在夜间敖热进行制冷的间断性工作，这显然与空调的需求时段不一致。除此以外， 这种系统还存在着工质对的化学稳定性问题、以及真空的保持等问题，也有待于进一步 研究。 第1 章绪论 蒸发器 造择性表面，玻璃 妻需毳璧蠡譬 凝器 玻璃内誓冷凝4 、 。 l ： k 起片 1 啊一 活性炭 保温材料 辐射罩的位置 ( a j被吸附柚质制冰容器渺) 图1 5 ( a ) 太阳能驱动的吸附式制冰机示意图：( b ) 集热器一冷凝器横截面图 ( 4 ) 太阳能金属氢化物空调系统。这也是一种吸附式制冷系统，其制冷工质对为令 属氢化物氢。图i - 6 所示为系统工作原理图。它利用会属氢化物在不同温度f 放氢 和吸氢过程中吸热放热原理进行工作。两种氢化物a 和b 密封在两个容器内当氢化 物b 受热后( 8 0 ) ，氢气被释放并且被a 所吸收，吸收热由散热器带走；与此同时， 另一组金属氢化物a 在低温下( i o c ) 从环境中吸热，释放氢被b 吸收，吸收热也由 散热器带走。由于a 从环境吸热，实现了降温。为使系统能连续运行，加热与散热均要 求交替进行。美国透平公司已经研制成功了一台3 0 0 0 w 的空调系统，当太阳能供热为 9 3 时，空气可降温4 4 1 0 ，制冷机c o p 为0 6 。但是，目的令属氢化物的成本较 高，金属氢化物的吸放氢性能和寿命也需要进一步提高m 2 引。 图i - 6 太阳能会属氢化物空调系统示意图 ( 5 ) 、太阳能喷射式制冷空调系统。蒸汽喷射式制冷系统早在2 0 世纪初1 2 4 i 就已经 出现并且得到了一定的应用。但由于其自身效率比较低、水蒸气比容较大所造成的冷凝 器体积过大等原因，尤其当结构紧凑、效率高的压缩式制冷机的出现，使蒸汽喷射式制 冷系统在不久就退出了应用领域。然而，随着人们对环境和能源问题的重视，以及喷射 器自身的不断发展，近年来在国内外对于利用低品位热能的喷射式制冷空调系统的研究 又重新活跃起来1 2 5 挪j 。喷射器理论的完善、新型工质和新型系统循环的研究成果是太阳 能喷射式制冷系统发展的关键。喷射器工作原理涉及到气体动力学中关于气体湍流的混 合、卷吸和跨音速流动问题，因此，只有随着人们对于气体动力学研究的深入，以及应 用了更为科学的试验和计算机模拟才使得在喷射器的设计和控制上有了进步。应用大分 管 一- 、 黼茹 ，一手 一业一 ，k 心v蛰，蘑 人_ j 生理t 人学博l j 学位论义 子量的工质，可以有效的降低喷射器、冷凝器、蒸发器的体积，使整个系统更加紧凑， 便于系统小型化。s o k o l o v 等1 5 7 - 6 2 1 提出的增压喷射系统则促进了提高喷射制冷系效率的 研究，开拓了新的思路。 总体上来讲，不同形式的太阳能制冷空调系统虽然各自具有多种优点，但是由于经 济、技术发展水平等原因，目前无论哪一种形式的系统还都没有达到实际推广阶段。相 对而言，太阳能喷射式制冷系统由于结构简单、造价低、运行可靠等优势更加接近实际 应用的要求，从而对它的研究就更加具有现实意义。 1 2 太阳能喷射式制冷系统的研究现状 喷射式制冷循环的示意图如图1 7 所示。在发生器中，制冷剂液体被加热、升压， 高温高压的制冷剂蒸气进入喷射器后从喷嘴高速喷出形成低压，将蒸发器中的闪蒸气吸 入进入喷射器。经过了在喷射器中的混合和增压后，混合气体进入冷凝器凝结，成为制 冷剂液体。一部分冷凝液进入蒸发器蒸发完成制冷负荷：另一部分经过泵增压后回到发 生器。 图1 7 喷射式制冷系统的示意图 在喷射式制冷系统中，喷射器是整个系统的核心部件。喷射器的性能直接决定了喷 射系统的性能和稳定工作的能力。因此，喷射器的研究对于喷射式制冷系统至关重要。 1 2 1 气体喷射器的工作原理简介 气体喷射压缩器的结构示意图如图1 8 所示，在结构图下面给出了压力变化的情况。 工作气体以压力p g o速度w g o 进x i 作喷嘴。 第1 章绪论 王洚疵仁 一 图i - 8 喷射器的结构示意图 体 通过喷嘴，气体的压力从p 9 0 降到p g p s ，而速度则增加到w g l o 工作气体以速度 w 。1 从喷嘴出来进入接受室，再把压力p 。的气体吸入接受室。随着离喷嘴距离的增加， 流动着的气体质量依靠吸入气体的加入而不断地增加，在离喷嘴出口截面某一距离时， 向混合室流动的气体将充满接受室的整个截面f 4 。在截面f 4 上，气体质量流量达到m 。 十m 。值。( 其中，m 。表示： = 作气体质量流量；1 1 3 ；表示吸入气体质量流量。) 在这个截面 上，速度场沿半径方向具有较大的不均匀性。 图i - 9 圆柱型混合室入口和出口截面速度场示意图 圆柱形混合室两个端截面( 入口和出口截面) 的速度场如图i - 9 所示。在混合室出 口截面上，气体具有足够均匀的速度场。 气体喷射压缩器的工作过程用h s 图表示在图1 1 0 上。压缩器女口气体的状态用a 点 表示：焓为，压力为p g ；吸入气体的状态用d 点来表示：焓为b 压力为只。在喷 射系数如确定的条件下，喷射器出口压缩气体的焓幻根据能量守恒定律来确定： = 等 m ， 进入喷射器前，工作气体在喷嘴里和在混合室的入口段上压力从b 降低到n 。在 膨胀未了，工作气体状态用r 点确定，吸入气体状态用m 点来确定。 气体进入扩压器后，气体动能转变为势能与热能。在扩压器后气体状态用c 点来确 定，气体静压力等于如，焓等于h d ，熵等于s d 。 人连理1 1 人学博l ：学位论义 图1 1 0 在h - s 图上喷射器的工作工程 1 2 2 喷射器设计理论的发展 一、一维喷射器计算模型的发展 喷射器的基本原理在十六世纪时已经被发现，到十九世纪六十年代德国学者 c l z e u m e n 根据动量守恒原理，提出了喷射器基本理论。1 8 7 0 年，他和m r u n k i n 进一步 发展了这个理论，但是他们的理论还不能解决喷射器性能的计算问题。直到二十世纪三 十年代，流体力学和空气动力学的发展，推动了喷射器的应用和研究。 喷射器吸入流体质量流量与工作流体质量流量的比值，称为喷射器喷射系数 ；， r 。= 三( 廊，表示吸入质量流量；确，表示工作蒸气质量流量) 。喷射系数是衡量喷射器 m e 6 性能的重要指标，在喷射式带4 冷系统设计和研究中经常需要喷射系数的计算。针对喷射 器的性能人们研究比较多，在4 0 5 0 年代，k e e n a n 、n e u m a n n 和l u s t w o r k l 2 5 , 2 6 】等应用 理想气体动力模型，结合能量、质量和动量守恒定律，建立了一维模型，进行了喷射器 性能研究。在k e e n a n 的模型中，假设工作气体和吸入气体在喷嘴出口处压力达到一致、 并丌始混合，该模型被称为等压混合模型。 索科洛夫1 27 j 在动量守恒的基础上，借助气体动力函数和自由流束理论推导出了计算 喷射系数的方法。该方法还应用效率系数结合了前苏联热工研究所进行的实验结果，比 较实用。在研究中，索科洛夫分析了喷射系数随工作压力、吸入压力和出口压力变化而 变化的过程，对喷射器在临界状态下工作的特性进行了研究。王权和向雄彪【2 8 】针对蒸气 喷射压缩器工作过程进行了分析推导出一种简化的喷射系数计算方法。然而，该方法 是在应用热力学分析方法的基础上，应用索科洛夫的实验结果【27 】进行修正，从而与索科 洛夫的计算如同出一辙。沈胜强等 2 9 1 对作为热泵使用的喷射器工作性能与工质参数、结 构尺寸的关系进行了综合研究，并在此基础上提出了结构优化设计方法。e a m e s 等【3 0 1 改进了k e e n a n 的模型，在喷嘴、混合室和扩散室中引入了不可逆损失，同时用实验进 行了验证。n a r m i n eh ，a l y 等p l j 应用数学模型，在e a m e s 3 0 l 研究的基础上对喷射器的性 能和工作特性给出了更为详尽的分析。除了对蒸汽喷射器进行性能研究外，人们应用这 种方法对氟利昂工质在喷射器内的过程进行了研究。由于假设氟利昂工质为理想气体研 究的精度难以保证，因此s t o e c k e r f 3 2 1 和z e r e n ，h o l m e s 和j e n k i n s 等【3 3 】应用氟利昂工质 的物性对喷射器性能进行了研究。 第1 章绪论 这与一些试验结果 3 4 - 3 6 1 表明：不能通过持续提高工作压力或者持续降低出口压力来 持续提高喷射器的喷射系数。m u n d a y 和b a g s t e r 3 7 1 研究了这一现象，对工作蒸气和吸入 蒸气的混合问题提出了新的假设，提出了一个半经验理论。他们认为，在喷嘴的出口处， 从喷嘴出来的超音速气体和周围的吸入气体并没有立刻开始混合，而是各自保持自己的 压力继续向前流动。在这个过程中，吸入气流被加速。在混合室的某个截面处，吸入气 流达到音速，这个截面被称为有效截面。在这个地方，两股气流的压力一致，一：。立刻 开始等压混合过程。然后在等截面混合室的某个地方产生激波。激波的产生可以解释喷 射器的“恒能力”现象( 喷射系数随出口压力的下降而增加，到一定程度后保持不变) 。 m u n d a y 和b a g s t e r 的研究受到了重视【3 8 - 4 ”，在这种假设的基础上人们进行了喷射器性 能研究。黄秉钧等通过实验研究，发现m u n d a y 和b a g s t e r 在研究中假设有效界面大小 不变与事实有悖，因此提出有效界面大小可变，并且通过实验进行了证实；在此基础上， 提出了一种改进的设计方法 4 0 i 。近年来，他们在应用多个喷射器试验了多种制冷剂的基 础上，提出了适应多种工质的喷射器设计经验公式 4 1 】。并且重申了这种一维喷射器性能 分析方法1 4 “。r o g d a k i s 。卅研究了氨水流经喷射器的特性。同样应用以上假设针对空调 条件下，对吸收制冷系统的分离器和冷凝器之间加入的喷射器进行了结构优化设计和研 究。图1 1 1 为n a r m i n e 3 1 1 和r o g d a k i s 删给出的从两种假设各自得出的喷射器内压力、速 度分布图。 庄由 毫j 妻 0 图1 一1 1 以k e e n a n 和b a g s t e r 假设为基图础的喷射器内压力、速度分布示意图 ( a 图为b a g s t e r 假设，b 图为k e e n a n 假设) 围绕喷射器性能分析的研究还有很多，多数采用的都是便于实际工程应用以 k e e n a n 或者b a g s t e r 的假设为基础的一维分析和实验研究。然而，出于喷射器内部的流 动与混合过程涉及到比较复杂的跨音速流动和湍流混合、以及受限射流和自由射流的问 题，这些问题的最终解决还取决于气体动力学和流体力学在这方面的研究成果。喷射器 结构和加工工艺对喷射器的性能都有影响，而且喷射器工作工况的改变也要求喷射器的 结构( 如喷嘴的轴向位置、喷嘴喉口、混合室的截面积等) 做出相应的改变，爿有保证 喷射器工作在最佳状况。但是实际上很难做到这一点，s u n 4 3 1 ，a p h o m r a t a n a 和e a m e s l 4 4 1 ， h u a n g 和c h e n 4 5 1 进行的研究中都得出了这样的结论。 在喷射器的一维结构设计和性能计算方法中，必须通过引入经验系数或者假设来评 价喷射器结构对其工作的影响，比如已经讨论过的“等压模型”。然而，随着对喷射器 工作性能和性能预测要求的提高，一维模型山于其计算精度和提供信息有限，已经难以 满足实际需要。喷射器多维模型不能完全取代试验，但是随着模型进一步发展和完善， 在实验结果指引下。喷射器多维模型将会在喷射器的性能分析和结构设计中发挥更大作 用。 二、多维喷射器计算模型的发展 人连埋工人学博l 学位论文 由于流动过程中摩擦的存在和混合过程中工作气体与吸入气体强烈的相互作用，喷 射器内部流动过程呈现明显的二维甚至三维现象，用一维模型对喷射器旱的流动状况进 行描述，其揭示喷射器内部流动的能力受到很大的限制。近年来，随着计算机性能的大 幅度提高，尤其是个人工作站性能已经可以和以往小型机相媲美，但同时价格却下降得 非常快，这就为普遍地使用比较复杂的计算流体力学模型来更为精确研究喷射器提供了 可能。 扩散器是喷射器用以恢复压力的一个重要部件，其效率对于喷射器的整体性能有很 大的影响。对于扩散器而言，如果入口速度场均匀，那么扩散器将会得到较高的工作效 率；反之，扩散器的效率将会随着速度场不均匀程度的增加而下降【删。在喷射器中，如 果扩散器上游的混合室长度比较短，扩散器的入口条件就必须考虑到比较差的工作条 件；这时，将会严重地影响到扩散器的工作效率。设计者必须考虑：如果混合室的长度 比较短，可以减少出于混合室壁面摩擦带来的摩擦损失，但是这时进入扩散器的入口速 度场的不均匀程度必然也增加了。过长的混合室显然也不能解决问题，因为这将使混合 室壁面摩擦损失造成的影响变得突出。n e v e 4 6 主要着眼于扩散器入口流场均匀度对于扩 散器性能的影响，应用计算流体力学的方法进行了研究。他们使用了c h a m 有限公司 的商业计算流体力学软件包p h o e n i c s l 6 建立了二维轴对称模型，湍流模型使用了 k 一占模型。受当时( 1 9 9 3 年) 计算机能力的限制，他们没有考虑扩散器出口附近存在 激波的问题。在比较了运行时间与网格精度之后，采用了比较经济的3 0 ( 径向) 1 4 ( 轴向) 网格划分。计算结果显示尽管扩散器的工作受到了入口速度场不均匀度的影响， 但是对于喷射器恢复静压依然是有用和必须的。同时他们也研究了混合室长度与扩散器 入口状况的关系。 除了扩散器外，喷嘴的结构设计也非常重要。李素芬等【4 1 建立了三维可压缩模型对 喷射器中喷嘴的工作情况进行了研究。工作气体采用了理想气体模型，湍流方程采用了 标准的k 一占模型。在研究中，他们分析了喷嘴结构中喷嘴渐扩顶锥角和出口截面对流 动的影响( 如图1 一1 2 ) ，以及进口压力等工作参数对于流场的作用，分析了喷嘴中激波 在不同情况下的变化。 ? 毒 鬟 捌 向良 抽一 图1 1 2 喷嘴扩散角对于喷嘴速度场的影响【4 7 】 李素芬等【4 7j 虽然采用了可压缩模型分析了喷嘴中激波的情况，但是在发表的论文中 没有给出关于网格无关性的分析，因此网格划分得并不足够精细，在计算结果中激波的 厚度比较大。并且，对于更为重要的气体从喷嘴喷出后与吸入气体的混合过程就没有能 够进一步研究了。 对喷射器流场进行整体的计算分析是研究必然要求。通过整体计算可以得到类似于 通过实验才能得到的喷射器的工作性能，并且研究结构对性能的影响。r i f f a t 等【4 8 】使用 了商业计算流体力学软件f l u e n t 对整体的喷射器迸行了研究。在他们的研究中，为 第1 章绪论 了研究吸入口部分的流场，他们没有采用二维轴对称的喷射器结构，而是使用了三维模 型总共划分了3 6 8 5 5 个网格。由于网格的数量已经达到了当时计算机计算能力的极限 ( 3 2 m b 内存的i n d yl c 计算机) ，因此，再不能有效地在那些需要的局部进行加密网 格。从而当采用可压缩模型的时候，他们遇到了计算无法收敛的问题。他们最终采用了 不可压缩的模型，同时假设气体流动中没有发生相变。在分析中，他们发现在吸入口部 分存在着回流现象。吸入口的回流对于喷射器的工作影