（环境工程专业论文）利用汽车冷却废热驱动的喷射式制冷装置理论研究.pdf

摘要 随着汽车技术的发展，汽车空调技术也日益完善，性能也越来越先进。目前所应用 的基本都是蒸气压缩式空调系统，随着汽车保有量越来越大，汽车的能源消耗在总能源 消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题也成为了各国关注的焦点。同时，由于汽车 燃烧效率的低下，致使大量的能量被排放到大气中，不仅浪费能源，还会造成环境污染。 因此可以利用这些低品位的汽车废热来驱动的喷射式制冷系统是解决这些问题的途径 之一。 本文的研究目的是为制冷量为1 1 6 3 k w ，载客量为2 0 - - 3 0 人的中巴车设计一套利用 汽车冷却废热驱动的喷射式制冷系统，并对其性能进行分析：同时对其核心部件一喷射 器的性能、结构进行了重点研究。在理论研究的基础上，设计一套利用汽车冷却废热驱 动的喷射式制冷系统的实验台。本文的主要研究内容如下： 1 在一维喷射器性能分析和结构设计模型的基础上，分析了喷射器的工作特点，研 究了喷射器结构设计与工作参数之间的关系。并给出了部分结构设计的经验公式。 2 求解喷射器二维轴对称、可压缩流动模型，利用流体动力学软件f l u e n t 对喷射器 内部流场进行模拟，得出工作参数与喷射器性能的关系。同时对喷射器结构尺寸进行优 化，得出其最优值。 3 设计一套利用汽车冷却废热驱动的喷射式制冷系统，以r 1 2 3 为制冷剂，改变喷射 式系统的工作参数，得出工作参数与系统性能之间的关系。 4 在理论研究的基础上，设计以电热水箱代替发动机散热器的喷射式制冷系统实验 台，并对喷射式制冷系统装置的主要设备进行设计计算。 5 利用气一液喷射器可以将吸入口液体升压到高于工作压力的特性，提出了以气一 液喷射器作为辅喷射器替代机械泵的新型双喷射式制冷系统。 关键词：汽车空调、汽车冷却废热、喷射器、制冷系统、双喷射式制冷系统、f l u e n t 、 数值模拟 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l et e c h n o l o g y , t h ea u t o m o b i l ea i r c o n d i t i o n i n gt e c h n o l o g ya l s oc o n s u m m a t e sd a yb yd a ya n dt h ep e r f o r m a n c ei s a d v a n c e d m o r ea n dm o r e a tp r e s e n t ，t h ev a p o rc o m p r e s s i o nt y p ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi sm a i n a p p l i e s d w i t ht h eq u a n t i t yo fa u t o m o b i l ei n c r e a s e ，t h ep r o p o r t i o nw h i c ht h ea u t o m o b i l e e n e r g yc o n s u m p t i o no c c u p i e si nt h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ni sm o r ea n dm o r eh i g h ，s ot h e a u t o m o b i l ee n e r g yc o n s e r v a t i o nh a sa l s ob e c o m ea t t e n t i o nf o c a lp o i n ti nv a r i o u sc o u n t r i e s s i m u l t a n e o u s l y , a sar e s u l to fa u t o m o b i l ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yl o w , c a u s e st h em a s s i v e e r i e r g i e sa r ed i s c h a r g e dt ot h ea t m o s p h e r e ，w h i c hi sn o to n l yw a s t ee n e r g y , b u ta l s oc a nc a u s e t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h e r e f o r e ，o n ew a yt os o l v et h e s eq u e s t i o n si st h ej e t - t y p e r e f r i g e r a t i o ns y s t e mw h i c h c a l lb ea c t u a t e db yt h el o w - g r a d ea u t o m o b i l ew a s t eh e a t t h eg o a lo ft h i sa r t i c l er e s e a r c hi st od e s i g nas e to f j e t - t y p er e f r i g e r a t i o ns y s t e mw h i c hi s a c t u a t e db yt h ea u t o m o b i l ec o o l i n gw a s t eh e a tf o rt h em e d i u mb u s ，w h o s es e a t i n gc a p a c i t yi s 2 0 3 0p e r s o n sa n dt h er e f r i g e r a t i o nq u a n t i t yi s11 6 3k w , a n dc a r r yo nt h ea n a l y s i st oi t s p e r f o r m a n c e m e a n w h i l e ，a st h ec o r ep a r to ft h ej e t t y p er e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c e a n ds t r u c t u r eo fe j e c t o rh a v eb e e nr e s e a r c h e d b a s e do nt h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c h ，t h e l a b o r a t o r yb e n c ho f j e t - t y p er e f r i g e r a t i o ns y s t e mw h i c hi sa c t u a t e db yt h ea u t o m o b i l ec o o l i n g w a s t eh e a tw a sd e s i g n e d 1 b a s e do nt h eo n ed i m e n s i o n a lp 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 d ， t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee j e c t o rw o r kc h a r a c t e r i s t i c ，t h er e l m i o n s h i pb e t w e e nt h eo p e r a t i o np a r a m e t e r a n dt h ee j e c t o rp e r f o r m a n c ea n dt h ed e s i g n i n gs t r u c t u r ew a ss t u d i e da n ds o m ee m p i r i c a l f o r m u l a sa b o u ts t r u c t u r a ld e s i g nw e r eg i v e n 2 t h r o u g hs o l v i n g t h et w o - d i m e n s i o n a x i a l - s y m m e t r y f l o wm o d e la n du s i n gt h e c o m m e r c i a lc f ds c h e m ef l u e n tt os i m u l a t et h ee j e c t o ri n t e r i o rf l o wf i e l d ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e ra n dt h ee j e c t o rp e r f o r m a n c ew a so b t a i n e d m e a n w h i l e ，t h ee j e c t o r s t r u c t u r es i z ew a so p t i m i z e dt oi t so p t i m u mv a l u e 3 as e to f j e t - t y p er e f r i g e r a t i o ns y s t e mw h i c hi sa c t u a t e db yt h ea u t o m o b i l ec o o l i n gw a s t e h e a tw a sd e s i g n e d t a k i n gr 1 2 3 雏t h er e f r i g e r a n ta n dc h a n g i n gt h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e ro f j e t - t y p e r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，i no r d e dt oo b t a i n st 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 np a r a m e t e ra n dt h e i i 4 b a s e do nt h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c h ，t h ej e t t y p er e f r i g e r a t i o ns y s t e ml a b o r a t o r yb e n c hw i t h u s i n gt h ee l e c t r i ch e a t i n gt or e p l a c et h ee n g i n er a d i a t o rw a sd e s i g n e d ，a n dt h em _ a i ne q u i p m e n t so ft h e j e t - t y p er e f r i g e r a t i o ns y s t e mi n s t a l l m e n t sw e r ed e s i g n e d 5 b a s e do ni t si 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 pi 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 a sa u x i l i a r ye j e c t o r k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n i n g ；a u t o m o b i l ec o o l i n gw a s t eh e a t ；e j e c t o r ；r e f r i g e r a t i o n s 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 ；f l u e n t ；v a l u es i m u l a t i o n i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 壶0 t 纤矽叼年加日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 导师签名： 辑裂 t 嘎 、i f l 、 女1 扪研 长安大学硕上学位论文 1 1 汽车空调的发展现状 第一章绪论 1 1 1 汽车空调的历史 汽车自诞生以来，一直被人们公认为是一种不可缺少的最好的交通工具，它与人类 的生活及生产活动有密切的关系。从工农业生产、国防建设到城乡交通运输、百姓的日 常生活都离不开这种交通工具。汽车对劳动生产率的提高，人们生活的改善起着相当重 要的作用。汽车空调是汽车空气调节的简称，即采用人工制冷或采暖的方法，调节车内 的温度、湿度、气流速度、洁净度等参数指标，从而为人们创造清新舒适的车内环境。 汽车空调的历史，是从通风开始的。最初的通风很简单，就是开窗换气。1 9 2 7 年， 汽车市场上出现了第一台有空调装置的汽车。当时的汽车空调装置只不过是由一台加热 器、一个通风系统和一个空气过滤装置组成的。这种汽车空调装置是不具有降温功能的。 从制冷技术上来说，汽车空调的历史可以追溯到三十年代末期美国的几部公共汽车上， 当时的美国，可以根据用户的特殊要求给汽车安装加热装置，在欧洲，直到1 9 5 0 年， 才第一次给汽车安装了加热装置和电子新鲜空气送风机。1 9 6 3 年，德国的卡车公司也开 始在自己的卡车上安装加热装置和送风装置。1 9 5 3 年，美国把空调装置作为系列产品生 产和装配。当时，是把蒸发器安装在行李箱内，给乘客强制吹冷空气。后来才把蒸发器 和送风通道一起安装在仪表板内。汽车空调在其几十年的发展过程中，也经历了多次演 变。1 9 7 1 年，第一台加热装置和空调装置集成一体的装置推向市场。1 9 8 1 年，第一台 左右分开的空调装置面世。 现在汽车空调技术日益完善，性能越来越先进，现在汽车空调在国内外已大众化、 普及化。日木等国以整体式( 压缩机、冷凝器、暖风系统与副发动机布置在一个机架上) 和车内分体式( 蒸发器散装在车顶或后坐下，冷凝器布置在车身侧面) 为主；欧洲国家除上 述布置外，还大量发展将蒸发器、暖风系统、冷凝器置于车顶上面的顶式汽车空调。 我国的汽车空调相对起步较晚，1 9 7 1 年才开始在长春第一汽车制造厂的红旗牌轿车 上安装仿制的第一台汽车空调器。可以说在2 0 世纪7 0 年代以前，我国汽车空调行业几 乎是空白。7 0 年代末8 0 年代初，上海牌轿车安装了国产的汽车空调器，标志着国内汽 车空调已真正起步。据中国制冷空调工业协会汽车空调工作委员会的调查统计，1 9 9 3 年全国主要汽车空调生产厂家已达1 8 家，其中有1 l 家是“两器”生产厂家、7 家是压 第一章绪论 缩机生产厂家，此外还有2 0 多家配套企业尽管前期发展中存在某些问题，但是现在全 国己基本形成门类齐全，大、中、小配套的汽车空调生产体系，具备了每年可生产轿车 空调2 5 0 - - 3 0 0 万台，中型车空调l o 万台，大客车空调l o 万台的生产能力，不仅能完 全满足我国汽车工业生产发展的需要，而且还有部分企业具备了进入国际市场的能力。 到1 9 9 8 年，全国汽车空调年产量已有7 0 万台左右，总产值近6 0 亿元。如今，我国汽 车保有量己达到2 0 0 0 万辆，汽车年产量可达2 6 0 - 3 0 0 万辆，汽车空调市场有着广阔的 发展前景。 1 1 2 汽车空调的发展方向 当前，汽车空调的发展有以下四大趋势： 一、向全自动化方向发展 近年来，随着电子计算机的普及并逐渐应用到汽车空调系统，使空调的控制效果日 趋完善，空调设备的性能也不断提高。运用这种空调系统能进行全天候的空气调节、集 制冷、采暖、通风于一体，在人为设定的最佳温度、湿度及风量的情况下，该系统可根 据室内人员数量及其他情况进行多档位、多模式的微调，从而达到设定的最佳值，使车 内始终保持舒适的人工气候环境。同时还可以进行故障自动诊断和数字显示，缩短检修 和准备时间。 二、提高舒适性 当前不少汽车空调系统的制冷和采暖是各自独立的系统。每到多雨季节，车前窗玻 璃上常常蒙上雾气，要去掉雾气，必须启动冷气装置，以至于车内温度太低。为了克服 这些缺点而开发的一种全季节性的空调，集换气、采暖、除湿、制冷等所有功能于一体， 夏天由发动机驱动制冷系统，冬天由加热器制热供暖。过渡季节则通过通风换气，使车 内空气品质达到最佳状态。 三、高效节能、小型轻量化 为了进一步降低空调装置的重量和外形尺寸，国内外有关专家正在致力于改进各组 成部件的结构，改进空调装置的布局，以提高系统结构的紧凑性，提高空调装置的性能 和工作效率。 为了提高压缩机性能，目前在汽车空调装置中已采用了制冷效率高的旋转式压缩机 和三角转子压缩机，性能更为优越的涡旋式压缩机和变容量压缩机也在研究开发之中， 使其结构也越来越紧凑。在冷凝器和蒸发器方面，管片式换热器已逐渐取代管带式换热 2 牝安大学硕 学位论立 器，而目前散热性能更佳、结构更为紧凑的平行流冷凝器和层叠式蒸发器又有取代管带 式换热器的趋势。在制冷管路方面，进行优化设计使管路结构更为合理，并在管路上安 装和装配了防振橡胶以防止共振发生。 四、向环保型汽车空调发展 目前汽车空调应用最多的制冷工质r 13 4 a ，r i3 4 a 是作为从2 0 0 0 年开始被禁止使用 的r 1 2 的替代品。但r 1 3 4 a 的o d p 值虽为0 ，但其g w p 值仍然较高温室效应比较明 显，所以作为环保型汽车空调的制冷工质仍在研发之中。 1 1 - 3 汽车空谓系统的组成及特点 汽车空调作为制冷装置在汽车这一特殊运动载体的应用，其系统组成与一般家用空 调及热泵相类似。汽车空调制冷系统主要由制冷压缩机、风玲式冷凝器、直接冷却式蒸 发嚣、热力膨胀阀、储液器及连接软管组成，通过空调送风系统与汽车车室相连，由一 些必要的辅助控制设备控制系统运行，这就构成了完整的汽车空调系统，其结构简图如 图1 1 所示。 泞越薯 衅蠹 图1 1 汽车空调系统结构伺图 f i 9 1 1 a u t o m o t i v ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m 汽车空调使用的特殊性，决定了它在结构、材料、安装、布置、设计、技术要求等 方面与普通空调，如建筑物空调，有着较大的差别： ( 1 ) 在动力源方面，汽车空调比普通的房间空调要困难得多。至今为止其压缩机 不是靠主发动机就是靠辅助发动机驱动，这就决定了汽车空调用制冷压缩机只能采用开 启式的结构型式，带来了轴封要求高、制冷剂容易泄漏的问题。当制冷压缩机由汽车牛 发动机驱动时，其制冷能力随车速和负荷的变化而变化，制冷剂流量的变化幅度也随之 增大。当汽车慢速行驶或处于怠速状态时，其制玲能力较小，难以维持稳定的空调工况， 甚至于无法正常工作。 3 第一章绪论 ( 2 ) 作为空调的对象，汽车车室容积狭小，人员密集，有的还流动性较大，车身热 工性能和密封性能都较差，其热、湿负荷大，气流分布难以均匀，要求所配备的车用空 调机组制冷量要大，并能降温迅速。 ( 3 ) 当车用空调装置消耗汽车主发动机的动力时，必须考虑其对汽车动力与操纵性 能的影响，也必须考虑由于车速变化幅度大或变化频繁，给空调系统制冷剂流量控制、 制冷量控制、系统设计带来的影响。例如，考虑到汽车空调冷凝器面积受空间尺寸限制， 一般都偏小，其所处环境的温度又比较高，尤其在低速行驶时，制冷剂的冷凝温度比相 同外界气温环境的普通空调系统的冷凝温度高。为使车室降温迅速，冷气送风温度一般 要求都比普通空调要低些，因而其制冷剂的蒸发温度又比普通空调系统的蒸发温度低一 些。这样，就使得车用空调机组配备的制冷功率，应比相同容量普通空调机组的大，至 少要大一倍左右。 ( 4 ) 汽车本身结构非常紧凑，可供安装空调设备的空间极为有限，不仅对车用空调 装置的外形、体积和质量要求较高，而且对其性能和选型也会带来影响。例如，由于冷 凝器安装位置有限，会导致冷凝温度较高。又如，蒸发器受安装空间的限制，其布置方 式会五花八门，各种车型都有专门的车内蒸发器设计，要实现通用化就比较困难。 ( 5 ) 汽车是运动中的物体，要能适应道路颠簸等各种路况，对包括汽车空调系统各 组成部件在内的汽车零部件振动、噪声、安全、可靠等方面的技术要求更严格。为保证 空调系统工作的可靠性，减少制冷剂的泄漏，对压缩机的密封、制冷剂管路的连接和冷 凝器防腐蚀与防击伤等措施，都有比普通空调更高的要求。为保证汽车安全运行，汽车 空调系统的控制，也应考虑能保证司机从空调系统运行的繁琐操作中解放出来。 ( 6 ) 车用空调装置的结构、外观设计和布置，除必须与车身内饰和外观协调、统一， 保持整车的完美以外。还必须考虑其对汽车底盘、车身等结构件及汽车行驶稳定性、安 全性的影响，这是普通空调设计不会碰到的。 1 2 利用汽车废热驱动的新型汽车空调系统简介 目前应用于汽车空调的制冷方式，大部分是蒸气压缩式。其它制冷方式，如吸收式、 吸附式、蒸气喷射式、空气压缩式等，在汽车空调上应用的很少。但随着社会经济的发 展，能源消耗量急剧增加，能源供需矛盾日益突出，并造成了严重的环境问题。由于汽 车保有量越来越大，汽车的能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问 题越来越受到各个国家的关注，成为当今世界汽车工业发展的主题。调查研究表明：汽 4 长安大学硕士学位论文 车燃料燃烧所发出的能量只有三分之一左右被有效利用，其它的能量被排放到大气中， 造成了能源的浪费，并带来了不良环境影响。因而，通过有效利用汽车废热是实现汽车 节能、降低汽车能源消耗的一个有效途径。 由于汽车用发动机特殊的使用场合，汽车废热利用具有鲜明的特点和特殊的要求， 可将这些特点简单归结如下：一是汽车废热的品位较低，能量回收比较困难；二是废热 利用装置要求结构简单、体积小、重量轻、效率高；三是废热利用装置要求抗震动，抗 冲击，适应汽车运行环境；四是保证汽车使用中的安全性；五是不影响发动机工作特性， 避免降低发动机动力性能和经济性。由于汽车废热利用具有上述特点，使得研究的成果 虽多，但投入商业化生产的不多。 汽车空调一般要消耗8 1 2 的汽车发动机动力，这一方面增加了油耗，加大了 废气排放量，加剧了空气的污染；另一方面易引起水箱过热，影响汽车动力性能；同时 由于压缩式空调系统采用的制冷工质为氟利昂类化合物，导致温室效应加剧。因此，通 过回收和利用发动机排气余热来驱动制冷系统，实现汽车空调是理想的节能方案，也是 目前世界各国都在研究的课题。下面介绍几种利用汽车废热驱动的新型汽车空调系统。 1 2 1 氢化物汽车空调系统 以色列发明了一种利用汽车排气废热作动力的汽车空调。这种新型空调系统利用金 属氢化物作工质，通过在不同温度下的金属氢化物释放或吸收氢气的特点而实现制冷。 整个系统由两个容器及连接导管组成，如图1 2 所示。一个容器导管内充满粒状低温氢化 物，两个容器的内导管与外导管相连。汽车排出的高温废气进入第一个容器，使其温度 升高，当达至1 2 4 0 时，导管内的粉状高温氢化物就会释放出氢气，并通过外导管进入 第二个容器的内导管。粒状低温氢化物吸收氢气后温度升高，这时外面的空气进入第一 个容器进行冷却，降低其温度。当汽车排气停止进入第一个容器时，导管内的粉状高温 氢化物停止加热，通过外导管而吸收第二个容器释放出来的氢气。当颗粒低温氢化物释 放氢气时吸收热量，使被送入第二个容器的车内空气冷却降温，起到制冷作用。为此， 利用汽车排气对一个容器间歇加热，使工质不停的释放、吸收氢气，冷却空气，再把冷 却后的空气送回车厢，达到车内降温的目的。这种系统可用于大、小客车的空调。 由于汽车的排气量小，排气废热的放热系数小，因此余热回收装置需要较大的换热 面积。此外余热回收装置还不能增加排气背压，以免影响发动机的性能，所以这就增加 了利用汽车发动机排放的废热实现空调的难度。而利用发动机循环冷却水的余热实现汽 5 第一章绪论 车空调有着广阔的前途，但冷却水余热品位较低，如何采取措施提高余热品位，正确的 选用工质对，是研究、开发冷却水余热汽车空调的关键。 7 3 图1 2 氢化物汽车空调系统 f i 9 1 2 h y d r i d ea u t o m o b i l ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m 1 热空气2 高温氢化物3 氢气4 车内热空气进口5 冷空气出口 6 外部空气进口7 外部空气出口8 低温氢化物 1 2 2 固体吸附式汽车空调系统 固体吸附式制冷是利用某些固体物质在一定温度、压力下能吸附某种气体或水蒸 气，而另一种温度、压力下又能把它释放出来的特性，通过吸附和解吸过程导致压力变 化，从而起到压缩机的作用。该系统的原理图如1 3 所示，通过真空阀1 ，使得低温低压 制冷剂蒸气被发生器的吸附器吸附，通过高压阀2 ，使得从发生器内解吸的制冷剂蒸气 通过冷凝器冷凝成液体，再通过节流阀3 节流降压后进入蒸发器，在蒸发器内吸热气化， 产生制冷效应。为了实现对发生器间歇加热、冷却，还需有阀n 4 、5 来控制热水、冷水， 起到热压缩的作用。在固体吸附式制冷系统中，目前实验比较成功的工质对有碱金属氯 化物一氨、沸石一水和活性炭一甲醇等。 装发 耘器 3 图1 3 固体吸附制冷汽车空调系统 f i g l 。3 s o l i da d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o na u t o m o b i l ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m 1 真空阀2 高压阀3 节流阀4 控制阀 6 长安人学硕士学位论文 对于采用活性炭一甲醇工质对的固体吸附式制冷，般7 0 以上的废热即可运行。 如果将汽车发动机的循环冷却水在经排气余热回收装置进一步加热，水温可升高至1 2 0 ，然后用来做为制冷系统的驱动热源，其效果更好。但必须解决气缸水套中有可能产 生气阻而形成有关零部件局部过热、水箱以及循环水泵的气蚀等问题。 1 2 3 吸收式汽车空调系统 吸收式制冷也是以热能为动力、利用由两种沸点不同的物质组成溶液具有的气液平 衡特性来完成制冷循环。图1 4 所示为利用汽车循环冷却水余热实现汽车空调的吸收式制 冷循环系统。利用汽车循环冷却水作为热源，在发生器中加热一定浓度的溶液并使之蒸 发，于是溶液中作为制冷剂的低沸点组分大部分被蒸发出来，在风冷式冷凝器中凝结成 液体，经节流阀降至蒸发压力，然后进入蒸发器进行蒸发制冷，把车厢内的部分空气冷 却后再送回车厢，在蒸发器内产生的低压制冷剂蒸气直接进入吸收器中。另外，在发生 器中，作为吸收剂的浓溶液经控制阀后压力降低至蒸发压力，经溶液热交换器冷却后进 入吸收器，吸收从蒸发器来的低压制冷剂蒸气，使浓溶液的浓度降低而成为稀溶液。吸 收过程是一个放热过程，利用车外空气进行冷却，吸收器中的稀溶液在通过溶液泵升压 后，经溶液热交换器温度升高进入发生器，完成吸收式制冷系统。 图1 4 吸收式汽车空调系统 f i 9 1 4a b s o r p t i o nt y p ea u t o m o b i l ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m 1 2 4 喷射式汽车空调系统 喷射式制冷系统的主要特点是以喷射器代替压缩机，以消耗热能作为补偿来实现制 冷的。喷射式制冷系统除了循环泵外没有其它运动部件，而且系统中的工作蒸气与制冷 7 第一章绪论 剂是同一种物质，不需要类似吸收式制冷机中的制冷剂分离设备，因而结构较为简单， 耗功量少。 对于喷射式制冷来说，最初的蒸汽喷射式制冷系统早在2 0 世纪初就已经出现并且得 到了一定的应用。但由于其自身效率比较低、水蒸汽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，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。应用大分子量的工质，可以有效 地降低喷射器、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，上述利用废热驱动的汽车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，喷射式汽车空调系统，研究应用得更少，目前还处于模型计算阶段。但由于 其结构简单、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 3 利用汽车冷却废热驱动的喷射式制冷系统研究现状 喷射式制冷循环的示意图如图1 5 所示。在发生器中，制冷剂液体被加热、升压，高 温高压的工作蒸气进入喷射器后从喷嘴高速喷出形成低压，将蒸发器中的闪发蒸气吸入 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。一部分冷凝液经节流降压后进入蒸发器，在蒸发器中吸热气化产生制冷效应；另一 部分经过泵增压后回到发生器。 在喷射式制冷系统中，喷射器是整个系统的核心部件，是一种使热能品位和数量都 能得到合理利用的高效节能设备。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。 8 长安火学硕t 学位论文 图1 5 喷射式制冷系统的示意图 f i 9 1 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ej e t - t y p er e f r i g e r a t i o ns y s t e m 1 3 1 喷射式制冷理论循环分析及热力计算 图1 6 是相对于图1 5 的喷射式制冷理论循环的温熵图，图中7 - 3 表示流量为m 。的制 冷剂流体在蒸发器中的蒸发过程，2 - 4 和3 - 4 分别是流量为掰的工作蒸气( 状态2 ) 和流 量为m 。( 状态3 ) 的被引射蒸气的等压混合过程，混合后的状态为4 ，流量为m = m 。+ m 。 4 5 为混合蒸气在喷射器扩压室的等熵压缩过程。5 - 6 为在制冷剂蒸气在冷凝器中的等压 冷凝过程。状态6 的凝结液分成两部分：一部分( m 。) 经节流膨胀过程6 - 7 进入蒸发器； 另一部分( m ) 经液体循环泵提升压力6 8 进入发生器，在发生器中经等压加热、气化 过程8 9 1 成为高温高压工作蒸气。状态l 的工作蒸气进入喷射器的喷嘴进行等熵膨胀过 程1 2 。 t s 图1 6 喷射式制冷循环的温熵图 f i 9 1 6t e m p e r a t u r e - e n t r o p yd i a g r a mo ft h ej e t t y p er e f r i g e r a t i o nc i r c u l a t i o n 喷射式制冷由两个循环组成，一个是工作蒸气所完成的动力循环，循环过程为 9 第一章绪论 8 1 2 4 5 6 - 8 ；另一个是制冷剂所完成的制冷循环，即4 567 3 过程， 动力循环所产生的功恰好补偿7 n 冷循环所消耗的功。 在理论循环中的热力计算包括： ( 1 ) 蒸发器的制冷量 o o = m 。仇一h ，) 式中：q 0 一蒸发器的制冷量，k w ； h ，一被引射蒸气离开蒸发器时的焓值，k j k g ； h ，一进入蒸发器时的制冷剂焓值，k j k g 。 ( 2 ) 发生器中的热负荷 q l = m 。o 。一魄) 式中：q 一发生器的热负荷，k w ； h 。- - t 作蒸气离开发生器时的焓值，k j k g ； 在理论循环中， ( 1 2 ) h 。一进入发生器时液体的焓值，l 【j k g 。 m 。与m 。的关系可以由喷射器的热平衡求得： m 。j l l + 聊。呜= 如+ k ( 1 3 ) ：一m o ：型 ( 1 4 ) 。 m lh 5 一h 3 式中：u 一喷射系数，表示每单位质量工作蒸气所能引射的低压蒸气量，是衡量喷射器 性能的重要参数； h ，一混合气体进入冷凝器时的焓值，k j k g 。 ( 3 ) 冷凝器中的熟负荷 级= 。+ m 。勋；一吃) ( 1 5 ) 式中：幺一冷凝器的热负荷，k w ； h 。一冷凝液体离开冷凝器时的焓值，k j k g 。 ( 4 ) 循环泵所消耗的功 1 0 长安人学硕士学位论文 砟= m o ( h 。一吃) 式中：循环泵所消耗的功，k w 。 因的数值相对较小，可以忽略，则热平衡式简化为： ( 1 6 ) 巩= q l4 - 绒 ( 1 7 ) ( 5 ) 喷射式制冷系统的性能系数 喷射式制冷系统的性能系数表示消耗单位热能所获取的制冷量，用嗽表示： c o p ：堡：垒盘 ( 1 8 ) qh 。一 1 3 2 喷射器设计理论的发展 1 3 2 1 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 g 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。 喷射器被引射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 a = m 。埘。( m 。表示引射流体质量流量，m 。表示工作流体质量流量) ，喷射系数是衡量 喷射器性能的重要指标，在喷射式制冷系统设计和研究中经常需要喷射系数的计算。针 对喷射器的性能研究，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 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，假设工作气体和被引射气体在喷嘴出口处压力达到一致、并开始 混合，该模型被称为等压混合模型。 索科洛夫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进行修正，从而与索科洛夫的 计算如同出一辙。沈胜强等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 第一章绪论 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 等改进了k e e n a n 的模型，在喷嘴、混合室和扩压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 e h a i y 等应用数学模型，在e a m e s 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，s t o e c k e r 和z e r e n ，h o l m e s 和j e n k i n s 等对氟利昂工质在喷射器内的热力过程进行了研究。由于假设氟利昂工质为理想气体， 所以对研究的精度难以保证。 一些实验结果表明：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 研究了这一现象，对工作流体和引射流体的混合 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，所吸入的引射流体被加速。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，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，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。并在此基础上，提出 了一种改进的设计方法。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，并且重申了这种一维喷射器性能分析方 法。r o g d a k i s 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 7 为 n a r m i n e 和r o g d a k i s 给出的从两种假设各自得出的喷射器内压力、速度分布图。 (a)(” 图1 7 以k e e n a n 和b a g s t e r 假设为基础的喷射器内压力、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) 1 2 长安人学硕士学位论文 f i 9 1 7 p r e s s u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ns c h e m a t i cd i a g r a mt a k i n gs u p p o s i t i o no fk e e n a na n d b a g s t e ra sf o u n d a t i o n 伍i ga ：s u p p o s i t i o no fb a g s t e ，f i gb ：s u p p o s i t i o no fk e e n a n ) 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，由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、喷嘴喉部直径、混合室的截面积等) 做出相应的改变，才能保证 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 、a p h o r n r a t a n a 和e a m e s 、 u a n g 和c h e r t 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，例如己经讨论过的“等压模型 等。然而，随着对喷射 器工作性能和性能预测要求的提高，一维模型由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。 1 3 2 2 多维喷射器计算模型的发展 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里的流动状况进 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动力学模型来进行更为精确研究喷射器 提供了可能。 扩压室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。对于扩压室而言，如果入口速度场均匀，那么扩压室将会得到较高的工作效 率：反之扩压室的效率将会随着速度场不均匀程度的增加而下降。在喷射器中，如果扩