（人机与环境工程专业论文）蒸发压缩喷射制冷循环中喷射器结构及特性分析.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fa e r o s p a c ee n g i n e e “n g a n a l y s i so ns t r u c t u r ea n d p e r f l o r m a n c eo ft h e e j e c t o r i nv a p o r c o m p r e s s i o n p r o j e c t i o n r e f r i g e r a t i o ns y s t e m a t h e s i si n a e r o s p a c es c i e n c ea n dt e c h n 0 1 0 9 y b y n a m e w | a n gq i a n a d v i s e db y p r o f e s s o rz h a n gd a li n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g d e c ，2 0 0 9 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明 引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印 件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 垂丛 日期： 2 应：主：2 南京航空航天人学硕十学位论文 摘要 在蒸发压缩制冷系统中川喷射器作为膨胀设备可以既经济义有效地提高系统性能。喷射器 的主要性能参数为喷射系数，合适的喷射系数能显著提高系统性能。目前对丁喷射器的研究主 要有理论计算、数值模拟和试验研究这二种方法，其中试验研究最为基础，应用最j “泛。本文 以理论计算为基础，采h j 数值模拟和试验相结合的方法，对喷射器进行设计选型和性能验证试 验，进而对使用喷射器的制冷系统进行试验分析。 本文的研究j ：作主要包括以- 卜儿个方面：1 利川已有喷射器的计算方法设计计算山喷射器 的初始结构参数，并以此为基础提供儿组土喷嘴、混合室以及扩压室结构参数值以供选择。2 利刖数值模拟研究方法对喷射器进行建模和数值计算，分析得出其内部流场速度和压力分布情 况。对比土喷嘴、扩乐室扩散角、混合室直径及k 度等参数对喷射器性能的影响，并通过改变 j ：作流体的进口压力进一步验证所得结论。3 根据选耻结果制作试验件，并在研制的r 1 3 4 a 制 冷系统试验台上使心定型的喷射器，考察其对制冷系统性能的影响。 关键词：喷射器，喷射系数，数值模拟，试验研究，制冷系统 n 南京航空航天人学硕十学位论文 目录 注释表v i i i 第一章绪论l i 1 研究背景。l 1 2 国内外研究现状1 1 3 喷射器相关2 1 3 1 喷射器原理图及其l ：作过程。3 1 3 2 喷射器结构5 1 4 使用喷射器作为膨胀设备的r 1 3 4 a 制冷循环6 1 5 跨临界c 0 2 蒸气压缩喷射制冷循环7 1 6 本文的主要i ：作1o 第二章喷射器的理论模型1 2 2 1 气体动力函数12 2 2 可达喷射系数的确定l3 2 3 基本结构的确定17 2 3 1 横截面尺寸l7 2 3 2 混合室入口段剖面形状17 2 4 计算结果18 第三章喷射器结构的数值模拟研究，。1 9 3 1 网格生成技术与l c e m c f d 简介【3 m 3 3 1 1 9 3 2f l u e n t 简介2 1 3 2 1f l u e n t 求解概述2 l 3 2 2 湍流数值计算的理论基础2 1 3 2 3f l u e n t 中包含的湍流模型2 2 3 2 4f l u e n t 中离散控制方料的方法。2 3 3 3 喷射器结构的建模2 4 3 3 1 物理模刑2 4 3 3 2 网格划分2 4 3 3 3 边界条1 j ，i ：的设定2 5 蒸发压缩喷射制冷循环中喷射器结构及特性分析 3 3 4 湍流模型的选择2 6 3 4 数值模拟结果及分析2 6 3 4 1 喷射器内部流动分析2 6 3 4 - 2 混合室直径的影响2 8 3 4 3 混合室长度的影响3 3 3 4 4 土喷嘴及扩压室扩散角的影响3 6 3 4 5 变! i ：况情况下喷射器内部流动3 9 3 5 结论4 1 章蒸发压缩制冷系统试验研究4 2 4 1 试验装置4 2 4 1 1r 1 3 4 a 制冷循环系统4 2 4 1 2 跨临界c 0 2 蒸气压缩喷射制冷循环系统4 6 4 2 喷射器试验件4 7 4 3 试验结果及分析4 8 章总结与展望5 2 6 1 本文小结5 2 6 2 展望5 2 文献! ；4 ! ；7 期间的研究成果及发表的学术论文5 8 ! ；9 南京航空航天人学硕十学位论文 图表清单 图1 1 喷射器简图3 图1 2 圆柱形混合室入口和山口截面上的速度示意图4 l ! j1 3 喷射器l ：作过程的f s 图。4 图1 4 喷射器部件幽5 图1 5 不同喷嘴直径对喷射系数的影响6 图1 6 喷嘴直径变化时制冷系统c o p 的变化6 图1 7 试验装置示意图6 图1 8 跨临界c 0 2 蒸气压缩喷射制冷循环原理| ! i 7 图1 9 压缩喷射循环能效比随系统蒸发温度的变化8 图1 1 0 压缩喷射循环能效比随气体冷却器山口温度的变化8 图l i ll 系统c o p 随赍射系数的变化8 图1 12 系统c o p 随高压侧压力的变化8 图1 1 3 系统c o p 币i 喷射系数随喷射器扩压效率的变化9 i ! c i1 1 4 系统c o p 和喷射系数随喷射器喷嘴效率的变化9 图1 - 1 5 蒸发温度对系统性能及其提高程度的影响9 图1 1 6 气体冷却器内压力对系统性能及其提高程度的影响9 i 鳘i1 1 7 气体冷却器山口温度对系统性能及其提高科度的影响1 0 图l 。1 8 过热度对系统性能及其提高科度的影响1 0 图2 1 扩张式喷嘴。l7 图3 1 l c e m c f d 中块结构化网格生成过稃实例2 0 i ! 臼3 2 定义。形网格对网格质域的影响2 0 图3 3 喷射器物理模刑2 4 图3 4 喷射器网格划分2 5 图3 5 士喷嘴内部及山口速度场2 6 幽3 6 混合室及扩压室速度场2 7 图3 7 士喷嘴内部及山口压力场2 8 图3 8 混合室内流场流动方向上的压力变化2 8 l j c j3 9 直径8 m m 时混合室内速度场2 9 v 蒸发压缩喷射制冷循环中喷射器结构及特性分析 图3 1 0 直径8 m m 时扩压室局部速度矢量图2 9 图3 1 1 直径8 m m 时混合室内流场流动方向上流体中心压力变化3 0 图3 12 直径lo m m 时混合室内速度场3 0 图3 1 3 直径1 2 m m 时混合室内速度场。3 l 图3 14 直径l4 m m 时混合室内速度场3l 图3 1 5 直径1 6 m m 时混合室内速度场3 l 图3 1 7 不同直径时混合室内流场流动方向上流体中心的压力变化3 2 图3 1 8 直径为8 m m 时不同长度的速度场3 4 图3 1 9 直径为1 2 m m 时不同长度的速度场3 4 图3 2 0 混合室直径为8 m m 时k 度对流体中心压力变化的影响3 6 幽3 2 l 混合室直径为1 2 m m 时k 度对流体中心压力变化的影响3 6 图3 2 2 直径分别为8 m m 和1 2 m m 时喷射系数随混合室k 度的变化3 6 图3 2 3 土喷嘴扩散角为5 0 时速度分布及局部欠量图3 7 图3 2 4 主喷嘴扩散角为1 0 0 时速度分布及局部矢鼙图。3 7 图3 2 6 扩压室扩散角为5 0 时速度矢量图3 8 图3 2 7 扩压室扩散角为1 0 0 时速度欠革图3 8 图3 2 8 扩散角分别为5 0 和l o o 时喷射系数随混合室长度的变化3 9 图3 2 9 不同混合室直径时混合室速度场4 0 图3 3 0 不同混合室直径时土喷嘴速度欠量图4 0 图4 1 图例说明。4 2 图4 2r 1 3 4 a 制冷系统装置示意图4 3 图4 3 水系统装置示意图4 4 图4 4 测试台水系统实物幽4 5 图4 5r 1 3 4 a 制冷系统装置示意图( 改) 4 6 图4 6 跨临界c 0 2 蒸气压缩喷射制冷循环装置示意图4 6 图4 7 喷射器装配c a d 图4 7 图4 8 喷射器装配c a d 图( 改) 4 7 图4 9 试验什实物图( 改) 4 8 图4 1 0 测试台运行上况水系统测试参数采集图。4 9 图4 1 1 膨胀阀i ：作时，蒸发循环系统测试参数采集图4 9 图4 1 2 引射器联合辅助蒸发器 作时，蒸发循环系统测试参数采集图。5 0 图4 1 3 引射器：作时，蒸发循环系统测试参数采集图5 l v l 南京航空航天人学硕十学何论文 图4 1 4 引射器i ：作时，混合室流向压力分布图5 1 表2 1 喷射器尺寸18 表3 1 不同直径时的喷射系数3 3 表3 2 喷射系数变化3 9 表3 3 试验1 j ，l ：尺寸4 l v i i 蒸发压缩喷射制冷循环中喷射器结构及特性分析 英文字母 g 流颦 p ，p乐力 丁热力学温度 r 摄氏温度 尺气体常数 厂面积 d直径 i焓 注释表 ( 若文中另有说明，则以文中为准) 希腊字母： 元 折算等熵速度 f 相对温度 n 相对压力 相对比容 v i 下标： p c 2 s 临界参数 。l ：作流体参数 混合流体参数 混合室进口参数 s 截面上参数 国 p 占 缈 0 h 1 3 绝热指数 k 度 喷射系数 速度 折算质苗速度 速度系数 比容 熵 速度 密度 相对密度 速度系数 滞止参数 引射流体参数 一i ：作喷嘴出口参数 混合室出口参数 七 ， ” 口 g k v s 南京航空航大人学硕十学何论文 第一章绪论 1 1 研究背景 由丁c f c s 对丁臭氧层和人气变暖的重要影响，保护环境、实现c f c s 替代成为全世界共 同关注的问题。1 9 9 1 年6 月，我国在修改的蒙特利尔议定f 5 上签字，成为缔约国之一。1 9 9 2 年5 7 月编制了“中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案”，并于1 9 9 3 年1 月经国务院批准。 这样，按国家方案逐步淘汰消耗臭氧层物质已经成为一项我国必须承担的国际责任。 c f c s 替代的首要原冈是冈为它们破坏臭氧层，而h f c 系列冷媒冈为对臭氧层没有破坏力 成为替代c f c s 的重要，i ：质，其中，r 1 3 4 a 已被人规模生产使朋与研究：自然冷媒r 7 4 4 ( c 0 2 ) 无毒不燃且更加绿色环保，也成为当前研究的热点。 节流损火是传统的蒸发压缩制冷循环的热动能损欠中的一种，特别是在使川c 0 2 作为制冷 剂的循环系统中，由于c 0 2 的低临界点，膨胀阀：1 了流前后两端的气体分别处丁超临界和弧临界 状态，压著较人，损火更加显著i 。为了降低这项损火，人们尝试了各种不同的设备和技术以 代替传统设备。喷射器是这样一种设备，它刚高压的i ：作流体引射低压的引射流体从而在扩压 室山口处得剑压力居中的混合流体；它结构简单、成本低、无运动部件、对两相流i ：况适应性 好，这些优点使得它成为制冷系统中膨胀1 = 流装置的有力竞争者。 特定的i ：作条件卜，喷射器中主要部件截面尺寸及长度影响着喷射器的j ：作性能：而对某 喷射器而言，循环系统中蒸发压力、温度、冷凝压力、温度等各系统部件i ：作参数对喷射器的 性能也有不同程度的影响。喷射器的主要性能参数为喷射系数，合适喷射系数的喷射器能显著 提高系统性能，冈此，对系统中的喷射器进行结构性能分析有助丁研究制冷系统的性能影响冈 素，对提高系统效率有一定的指导作用。 1 2 国内外研究现状 国内外对喷射器的研究以前土要集中在能源、石化等人型i ：科领域的虑川，而喷射器作为 膨胀设备虑川丁制冷系统中相对而言研究得比较少。目前喷射器的研究方法主要有三种：理论 计算、试验以及数值模拟。 喷射器的理论设计计算主要可以归纳为三种方法一经验系数法、气体动力函数法和经典热 力学法，每种方法都有其各白的优缺点。e 爿索科洛大和h m i 书格尔1 2 l 在j 1 5 中详细介2 “了各种 形状赍射器的气体动力函数计算法；张丁峰【3j 通过建立合理的物理平l j 数学模型，计算双相流在 流动的全过稗中的压力、温度、速度、干度及流动截面积的变化状况，得剑喷射器的整个儿何 尺寸和极限的压缩比所对应的喷射系数。 l 蒸发压缩喷射制冷循环中喷射器结构及特性分析 喷射器的试验研究主要是使用不同的制冷剂，改变主次流进口状态以及出口背压，考察这 些参数对喷射器性能的影响程度，进而了解系统性能的影响冈素。s o m c h a iw o n g w i s e s 和s om i i n d i s a w 硒【4 ，5 】介绍了两相喷射器制冷循环的性能试验数据，指出该循环相比一般制冷循环而言， 制冷量和c o p 都有所提高；p r a i t o o nc h a i w o n g s a l 6 j 等川试验的方法研究了两相喷射器作为膨胀 设备的制冷系统的性能，指出了喷嘴喉部直径对性能参数、制冷剂的土流质量流率、次流质量 流率等的影响；a s e i v a r a j u 和a m a n 一用试验验证了一个蒸气喷射制冷系统的性能，系统用 r 1 3 4 a 作为j ：作介质，制冷量0 5 k w ，研究了蒸发和冷凝温度对系统性能的影响。 一维理论分析基础上对喷射器进行二维的流场数值模拟是目前研究喷射器的主流方法。过 去，喷射器的设计及分析的理论基础是由k e e n a n 和n e u m a n n l 8 j 提山的一维气体动力理论，后米 为了解决土喷嘴，混合室及扩压室中的损火效率问题对该理论进行了修改【9 1 。但是喷射器只有 在设计点( 临界背压) 运行时，这项理论只有才能用丁预测喷射器的性能，而且，喷射器的几 何尺寸影响也考虑不剑。随着数值方法的快速发展，一些研究人员试着将c f d 川于模拟喷射器 内部流动f l o 1 。t s r i v e e r a k u l 【1 2 1 3 l 等研究了c f d 在预测制冷装置中喷射器性能方面的作用，用 试验数据验证了c f d 结果，证明c f d 不仅仅是预测性能的有效i ：具，而且有助丁了解喷射器 内部的流动和混合过程；s z a b o i c sv a 曙a 1 1 4 j 等川轴对称c f d 模型，根据定义第一次确定了初级 喷嘴、接受室、混合室和扩压室的效率，在不同的运行条件卜计算了喷射器效率，发现当喷嘴 效率可看做常数时，喷射器其他部件的效率取决于运行条件。 在国内也有一些研究人员在这方面取得了一些进展。刘忠强i l 副等总结了气体喷射器一维设 计理论研究的进展，分别介绍了定压混合理论、定常面积混合理论及其实验研究情况：李素芬 【l6 】等针对不同边界条件和结构尺寸的喷嘴流场，探讨了热力参数和儿何参数对流场特性的影响 规律，分析了喷嘴内影响喷射器性能的激波产生的因素，并建立了喷射器喷嘴内超音速流动的 数学模型和计算方法：张博【1 7 1 8 1 等采用二维轴对称流动模型，计算分析了吸入通道内同流现象、 喷射器“恒能力”现象与静压力在轴线上分布情况之间的关系，探讨了1 ：作压力对喷射器性能的 影响，义通过求解_ 二维n s 方程，对以水蒸气为一j ：质的喷射器内流场进行数值模拟，分析湍流模 型及l ：作参数的影响得出喷射器设计的优化方案。 1 3 喷射器相关 在喷射器中，不同压力的两股流体相互混合，并发生能避交换，以形成一股压力居中的混 合流体，其中压力较高的流体称为：j ：作流体，压力较低的流体为引射流体。提高引射流体的压 力而不直接消耗机械能是喷射器最主要最根本的性质。 喷射器的主要部什包括主喷嘴( j i ：作喷嘴) ，接受室，混合室以及扩压室，其i ：作过程人致 可分为三个阶段：( 1 ) 工作流体形成高速射流，将压力能转化为动能阶段；( 2 ) 一i ：作流体与引 2 南京航空航大人学硕+ 学位论文 射流体的混合阶段，两种流体进行质域、动量以及能培的交换，引射流体的速度被提高， ：作 流体则携带引射流体进入扩散段；( 3 ) 压缩阶段，及扩压室中的两股流体一边继续进行能蛰交 换，一边逐渐压缩，将动能转化为压力能，并将混合流体排山喷射器。 本文研究的是带圆杵形混合室喷射器，试验表明，圆柱形混合室与其他形状的混合室相比 较能很人程度上恢复压力。 1 3 1 喷射器原理图及其工作过程 工作i 雌 引射漉 图1 1 喷射器简图 如图l - l 所示为喷射器的原理图，在原理i ! i 的下方指明了喷射器内部静压力的变化。j ：作 流体以压力所和速度q ，进入土喷嘴，在喷嘴中，：l ：作流体的压力从p ，j 降剑脚i = p ，而速 度从q ，增加到啡l ，且嘶1 人丁在喷嘴的临界截面上气体具有的临界速度。j ：作流体以速度坼l 从喷嘴出来进入接受室，再把以压力p 进入接受窒的气体从接受室中吸走。 随着离喷嘴距离的增加，流动着的流体的质量流域依靠引射流体的加入而不断地增加。在 离喷嘴山口截面某一距离时，向混合室流动的流体将充满着接受室的整个无界面。在该截面上， 流体的质培流馘达到g ，+ g 值，速度场沿半径方向具有较人的不均匀性，在流束的边界上流 体的速度是不人的，但在流水的轴线上，流体的速度接近丁j l ：作流体从喷嘴中流山的速度川。 流体继续向前流动时，被流体- l i 有的截面积取决丁喷射器流通部分的断面，冈为兀截面右边的 喷射器的任何截面都被流体所充满，兀截面是接受室的终截面，也是混合室的始截面。混合室 的主要部分是一个石 以截面组成的圆柱体，流体要通过一个截面从以减小剑六的混合室入 口段，在这段上，流体的速度将增加，压力要降低。在混合室圆柱形部分的入口截面2 2 上， 流体的压力等丁岛。 圆枉形混合室的两个端截面( 入口和山口截面) 上的速度场示意丁| 玺| 1 2 。在混合室的入口 截面上，速度场很不均匀，可以假设在入口截面上流体是由两股共轴流体所组成：质越流埘为 3 蒸发压缩喷射制冷循环中喷射器结构及特性分析 g p 和较人的平均速度啤2 的中心流体；质繁流量为g 打和很小的速度2 的周围流体。在混合 室的出口截面上，流体具有足够均匀的速度场。在圆柱形混合室中，流体速度均匀的过程伴随 着压力从混合室入口的仍提高到易，接着流入扩压室中，压力从岛提高到鼠，速度从皑降 到嗷，混合流体在鼠压力下以速度皑，从喷射器中流出。 - 1n f ， 3 - 一一 g i三爿 7 一、 i f g ，三，2 二爿 f ，j = 3 一j g 。 i f _ 1“ 3 图1 2 圆柱形混合窒入口和出口截面上的速度示意图 喷射器的t 作过程用焓熵图表示在幽1 3 上。在喷射器前。i i 作流体的状态h j 彳点来确定， 引射流体的状态川d 点来确定。在无损火的理想喷射器中，在f s 图上压缩流体的状态用直线 爿d 与j r = 常数直线的交点c 来确定，这点的熵是t ，。通过c 。点所作的等压线决定了在理想 喷射器后压缩流体的压力所。喷射器的实际过程具有损失，冈此在实际喷射器后压缩流体的 熵值& ，比& j 人，而压缩流体的压力鼠比丘低。喷射器中损火愈小，压缩流体的压力n ，愈接 近丁五，。 s 图1 3 喷射器r 作过程的f s 图 进入喷射器的i ：作流体，在喷嘴里和在混合室的入口段上压力从佛膨胀到仍，在膨胀末 了，1 j 作流体的状态h jr 点米确定。在混合室的入口段上，引射流体从压力p ，膨胀剑压力仍。 4 南京航空航天人学硕十学位论文 在膨胀末了，引射流体的状态川m 点米确定。在混合室里，进行混合流体速度的均衡和压力 的提高。在混合室末端，流体的状态h je 点米确定。流体继续流入扩压室，在扩压室中，动能 转化为势能或热能，扩压室后流体的状态川c 点米确定。 1 3 2 喷射器结构 通过上。1 了对喷射器i ：作原理及i ：作过程的分析可知，喷射器的土要截面积和轴向尺寸影响 着喷射器的性能发挥。图1 4 所示为喷射器土要部1 i ，| ：结构图。其中图( a ) 为土喷嘴结构简图， 图( b ) 为结构总图。土喷嘴的喉部直径d 胪，喉部扩散角喁，出口直径d 户i ，喷嘴山口至混合 室进口距离，i ，混合室直径以等儿何尺寸均对喷射系数的提高有着重要的影响。 ( a ) 土喷嘴结构简图 一0 【1 j ( b ) 结构总图 图1 4 喷射器部什图 季红军1 1 9 】等选用k 吨模型，川c f d 技术对喷射器进行模拟，研究了不同的喷嘴何置对喷射 器的影响。选择喷嘴山口距离混合室入口距离分别为o l l m m 时，发现在7 m m 时能够达剑一 个最人的喷射系数，当人丁这个位置时会造成i ：作蒸汽同流，喷射系数降低；当小丁这个位置 时，虽然喷嘴山口的压力变化不会太人，但是i ：作蒸汽进入混合室前没有足够的距离米引射蒸 汽，喷射系数同样也会降低。 千金锋等利刚二维轴对称，真实气体模刚对喷射式制冷空凋系统的喷射器进行c f d 计 算，以求得剑在不同喷嘴直径条1 i ，i ：卜喷射器性能的变化和制冷系统性能的变化情况。在计算r 况+ 卜，存在一最优值使此时的喷射系数和系统c o p 最人，人丁该值时，喷射系数和c o p 随着 5 蒸发压缩喷射制冷循环中喷射器结构及特性分析 喷嘴直径的增加而减少，小于该值时，喷射器出现倒流现象，而且随着直径的减小，倒流加剧 ( 图1 5 1 6 ) 。 吨5 皇i - l5 - i 噍s 2 - 各o l - 2 it i毒5 stt 1 l5 50 5t 一 一i 任_d h ，- 图1 5 不同喷嘴直径对喷射系数的影响图1 6 喷嘴直径变化时制冷系统c o p 的变化 张博等采用二维轴对称可压缩流动模型对喷射器性能与结构的关系进行了研究，计算结 果与试验结果对比表明，二维流动模型能够获得足够的计算精度，可以川来进行喷射器结构与 j i ：作特性、性能之间关系的计算研究，同时研究了喷射器一个比较重要的设计参数：喷嘴出口 到混合室进口距离，结果表明，在接近原设计值的时候喷射器可以获得更好的性能，并且偏小 对喷射器性能造成的影响要小于偏人的时候；在i ：作参数一定时，混合室人小对喷射器内部流 场以及喷射器性能有直接影响。 刘敬辉等通过对喷射器混合室直径的确定方法以及不同制冷上况下喷射器的j 1 ：作特性 的探讨得出这样的结论：在混合室直径一定的情况- 卜，喷射器的背压随着喷射系数的增加而减 小，喷射系数存在一个最人值，当喷射系数超过最人喷射系数时，喷射器没有升压作用：对于 一定喷射系数的制冷系统，存在一个最佳喷射器混合窒直径，使得压缩喷射混合制冷的性能最 优。 1 4 使用喷射器作为膨胀设备的r 1 3 4 a 制冷循环 装有喷射器的r 1 3 4 a 制冷循环装置简图如图 1 7 所示，整个循环装置的运行条件与传统的空调装 置类似。与标准的制冷系统相比，土要的改进是增 加了一个两相喷射器以及一个汽液分离器。喷射器 出口的制冷剂经过气液分离器后分为两路：饱和蒸 气进入压缩机，饱和液体进入蒸发器蒸发制冷。压 缩机出口的高温高压气体。经过冷凝器降温后作为 工作流体进入喷射器的喷嘴：蒸发器出口的气体作 为引射流体进入喷射器。 6 图1 7 试验装置示意图 h a n e i i 和k o m h a u s e 一2 3 1 对某一两相喷射器进行试验，采州r 1 3 4 a 作为制冷剂评估了制冷循 南京航空航天人学硕+ 学何论文 环的c o p ，发现c o p 可以提高3 9 7 6 。 1 5 跨临界c o 。蒸气压缩喷射制冷循环 跨临界c 0 2 循环系统的高压侧压力在1 0 m p a 左右，低压侧压力在3 4 m p a ，在简单系统 中通过节流元件的压著达7 m p a ，且过热损火和1 了流损火都比较人。尽管采用同热循环并调_ 1 芎 最佳压缩比可得剑较人c o p ，但仍比常规循环的制冷系数低约2 5 。喷射器具有结构简单、成 本低、无运动部件、适应两相流i ：况等优点，是目前研究跨临界c 0 2 循环系统时川丁降低1 ，流 阀压力损火的首选。 系统j ：作原理如图1 8 所示。喷射器山口( 状态8 ) 的制冷剂为气液两相混合物，经过气液 分离器后分为两路：一路饱和蒸气( 状体9 ) ，一路饱和液体( 状态1 0 ) 。饱和蒸气在内部换热 器内进一步冷却空气冷却器山口气体后过热( 状态1 ) ，进入压缩机；压缩机山口( 状态2 ) 的 高温高压气体，经过空气冷却器及内部热交换器冷却至状态4 ，此时的高压气体作为l ：作流体 进入喷射器的喷嘴，压力能转化为动能，膨胀降压升速至喷嘴山口状态5 ；同时，饱和液体通 过：1 ，流阀+ 肖流降压进入蒸发器蒸发制冷，蒸发器山口( 状态1 2 ) 的气体作为引射流体进入喷射 器，与j f ：作流体混合，经过混合窒与扩压室，动能转化为压能，减速升压。 燕发曩 1 5 1 3 ” 压力 ( - ，9 7 5 3 1 o1 004 比量( i u 蛔1 ( a ) 组什i 鳘i( b ) 压焓图 图1 8 跨临界c 0 2 蒸气压缩喷射制冷循环原理幽 该循环与简单循环相比只增加了一个喷射器。喷射器的作用是：同收一部分膨胀过科的 动能。利用它做功，提高压缩机入口压力，压比降低，：1 ，省压缩机输入功：通过降低膨胀阀 的入口压力，从而降低膨胀过氍的1 y 流损火。 s t e f a ne l b e l 和p e g ah r n j a k l 2 4 j 刚试验结果证明了在跨l i 台i 界r 7 4 4 系统中使川喷射器，其制冷 鼙和c o p 相对于无喷射器的系统都有不同程度的提高，同时，分析试验过程去定域评估诸如喷 嘴和扩压器尺寸等的改变对系统性能的影响，试验也证实了和在使川膨胀阀的简单循环中一样， 控制喷射器的高压进口部分可以发抨最佳系统性能。 7 蒸发压缩喷射制冷循环中喷射器结构及特性分析 马一太【2 5 j 等在对系统进行热力学分析的基础上，建立了c 0 2 跨临界压缩喷射制冷循环的 效率分析模型，结果表明，与简单循环以及带理想膨胀机循环相比，蒸发温度和气体冷却器出 口温度两t 况的变化对该循环系统性能的影响程度相对较大( 图1 9 1 1 0 ) ；喷射器的喷射系 数受出口背压影响很大，其出口背压的可变幅度很小，在合理的喷射器出口背压下，c 0 2 跨临 界压缩喷射制冷循环可以得到较高的循环性能；在较低蒸发温度下，该系统可以明显降低压缩 机出口温度，有利丁系统稳定运行。 蒸发曩，童仡 4 弗飕息膨胀扫l 循环 1 愿鳙喷射倒斥系统 + 麓本循环 气体降卸嚣出口疆鹰虎 + 带理想膨胀机循环 + 压缩喷射锚玲乐统 十基奉饭环 图1 9 压缩喷射循环能效比随系统蒸发温度图1 1 0 压缩喷射循环能效比随气体冷却器出 的变化口温度的变化 刘军朴【2 6 】等针对蒸气压缩喷射制冷循环进行了理论分析和计算，并与相同j ：况下的简单蒸 气压缩制冷循环进行比较，讨论了采h j 不同制冷剂时喷射系数及喷射效率对循环性能的影响， 计算结果指出，根据喷射系数的人小新循环较简单循环有不同程度的提高，喷射系数小时，采 用喷射器代替膨胀阀对系统性能的提高较人；在相同喷射系数下，跨临界c 0 2 系统的性能的改 善最为显著。 邓建删2 7 】等使川动量守恒和能昔守恒方程建立了喷射器模删，同时考虑了系统稳态下喷射 器出口干度和喷射系数的耦合关系，比较了不同的c 0 2 冷却放热压力、蒸发温度、喷射器喷嘴 效率和扩压效率等对理论循环性能的影响。 8 誊 图1 1 l 系统c o p 随喷射系数的变化 ，m h 图1 1 2 系统c o p 随高乐侧压力的变化 南京航空航天人学硕十学位论文 o 5o 60 7 0 8 o 91 o 仇 + 凡- 8m p l ：+ 凡- 9m p l ：+ 儿l o m p 图1 1 3 系统c o p 和喷射系数随喷射器扩压效 k3 8 2 i o8 x o - 6 0 4 o 2 仉 + 凡s m p b ；+ ，| 一9 m p 矗十 i o m p a 图1 1 4 系统c o p 平i i 喷射系数随喷射器喷嘴效 率的变化率的变化 理论分析表明：循环中要考虑稳定系统需要的喷射系数和喷射器山口干度的耦合关系，优 化的喷射系数能显著改善制冷循环性能，蒸发温度和c 0 2 冷却放热压力对系统性能的影响比较 人，如图1 11 1 1 2 所示，系统性能参数和喷射器喷射系数对喷射器的喷嘴效率和扩压效率的 变化不敏感，如图1 1 3 1 1 4 所示。 李涛等讨论了系统稳定运行时的蒸发温度、气体冷却器内压力及其出口温度、过热度等 3 2 j z i 1 3 _ 2 j 2 i i ( a ) 蒸发温度对系统性能的影响( b ) 蒸发温度对系统性能提高的影响 图1 1 5 蒸发温度对系统性能及其提高程度的影响 s91 011 2- 3i l ， ，p ，m p - ( a ) 气体冷却器内压力对系统性能的影响 p i i m h ( b ) 气体冷却器内压力对系统性能 提高程度的影响 图1 1 6 气体冷却器内压力对系统性能及其提高科度的影响 9 i-l囊，1苦一 芒i-o毒羹 蒸发压缩喷射制冷循环中喷射器结构及特性分析 因素对系统性能的影响。结果表明，当t 作流量同扩压段出口蒸气流鼍相等时系统能够稳定运 行。升高蒸发温度能提高系统性能，但蒸气压缩喷射循环相对简单循环性能系数的提高程度变 小( 图1 1 5 ) ；气体冷却器内压力存在最优值，但降低压力能够增人系统性能的改善程度( 图 1 1 6 ) ：升高气体冷却器出口温度会降低系统性能，但蒸气乐缩喷射循环相对简单循环性能系 数的提高程度先增大，然后迅速减小( i 鳘i1 1 7 ) 。与 k 。， ( a ) 气体冷却器山口温度对系统性能的影响 ，r 声， ( b ) 气体冷却器出口温度对系统性能 提高程度的影响 图1 1 7 气体冷却器出口温度对系统性能及其提高程度的影响 k ， ( a ) 过热度对系统性能的影响( b ) 过热度对系统性能提高程度的影响 图1 1 8 过热度对系统性能及其提高样度的影响 1 6 本文的主要工作 本文主要研究内容是蒸发压缩制冷循环中喷射器的结构与性能。文中首先采用数值模拟的 方法对特定下作条件卜的喷射器结构进行设计和对比，在此基础上选择较优的参数加t 试验件， 设计搭建试验台，对喷射器进行试验研究，进一步了解喷射器性能与制冷系统性能之间的相互 关系。主要1 ：作包括以r 几个部分： 1 介纠喷射器的i ：作原理以及使川喷射器作为膨胀装置的r 1 3 4 a 制冷系统和跨临界c 0 2 蒸 气压缩喷射制冷循环系统相关，并对它们各自国内外研究的结果进行了综述。 2 利用气体动力学函数法确定喷射器的基础理论模型，为数值模拟建立基础。 3 利用数值模拟的方法对喷射器进行建模和数值计算，分析其内部流场速度及压力分布情 况。对比了主喷嘴、混合室以及扩压室等结构几何参数及【作参数对喷射器性能参数喷射系数 l o j 3 2 2 l 1 0 o j i i-_ ，l-e童咤，毒善 2 2 2 2 南京航空航天人学硕十学位论文 的影响。并最终选定一组较优的参数作为试验件加i ：的依据。 4 依据数值模拟的结果加i ：试验件，对研制的r 1 3 4 a 制冷系统试验台进行试验研究，在系 统中使川定型的喷射器，考察其对制冷系统性能的影响。 蒸发压缩喷射制冷循环中喷射器结构及特性分析 第二章喷射器的理论模型 本文采用的是气体动力学函数法对喷射器的结构进行理论计算。气体动力函数法是建立在 气体动力学理论基础上的，根据能量守恒的基本定律，引进等熵速度、折算速度、相对温度等 动力函数经理论推导及必要的经验修正完善起来的一种计算方法。 2 1 气体动力函数 在计算喷射器的时候，应用气体动力学函数是方便的【2 ，2 9 1 ，冈为气体动力学函数将气体的 折算等熵速度与热力学参数联系起米了。 气体在等熵流动时的速度与临界速度之比叫做折算等熵速度： 五：堕( 2 1 ) 口 其中吃为等熵速度，m s ；q 为临界速度，眺。 气体的临界速度，是一种等丁当地声速的实际速度，可刚卜式来确定： 1 2 口2厝瓜= 厝 ( 2 2 ) 卜列气体动力函数是最常州的： 1 函数f ( 旯) 相对温度，即在给定截面上等熵流动气体的绝对温度丁与滞i ：绝对温度 瓦之比： f ：三：l 一盟力2( 2 3 ) 瓦 七十l 2 函数兀( 旯)相对压力，即在给定截面上等熵流动气体的静压力p 与滞i ：压力p o 之 比： 兀= 去= ( - 一等旯2 尸 旺4 ， 3 函数占( a )相对密度，即在给定截面上等熵流动气体的密度p 与滞j = 流体的密度岛 之比： 南京航空航天人学硕+ 学位论文 占：卫：r l 一盟旯： 西占：卫：fl 一盟旯2r 风 l 七+ 1 ( 2 5 ) 4 函数( 旯) 相对比容，即在给定截面上等熵流动气体的比容，与滞i 卜气体的比容v 0 之 比： ：兰：l ( 2 6 ) ( 一篇旯2 ) 古 口：里：竺卫丛：丝 ( 2 7 ) a p n p op s 同时从流体的连续性条1 ；，l ：得剑，函数g 等丁流体的临界截面积与给定截面的面积之比： 2 2 可达喷射系数的确定 ，二 口= 卫 l ( 2 8 ) 气体动力函数法对过程做了如下处理： ( 1 )假设i ：作流体和引射流体在进入混合室之前，在土喷嘴出口截面至混合室入口截面这一 段上不相混合，混合室入口处i ：作流体与引射流体为两股同轴流体( i ! f j1 1 2 1 1 3 ) 。 ( 2 ) 混合室中冈磨蹭而引起的动馘用仍修正，引入一系列的速度系数仍、仍、纸对不等 熵膨胀和压缩过稗进行修正。 ( 3 ) ：l ：作流体，引射流体的进口速度以及混合流体的山口速度与混合室中流体的速度相比很 小，可以忽略不计。 对混合室的圆柱形部分建立动龄方科式，动域的变化等丁力的冲越： 仍( g ，】啤2 + g i ，2 ) 一( g p + g ，) 鸭= ( 岛一肼2 ) 乃2 + ( 岛一p i ，2 ) 厶2 ( 2 9 ) 其中仍为混合室的速度系数。 在喷射器的圆柱形混合室的代表性截面上流体的速度表达式表示如卜： 1 入口截面上i ：作流体的速度： q ，2 = 仍口，j ，2 ( 2 1 0 ) 1 3 蒸发压缩喷射制冷循环中喷射器结构及特性分析 其中