蒸汽喷射制冷循环的实验研究喷嘴的几何形状对系统性能的影响

1、蒸汽喷射制冷循环的实验研究：喷嘴的几何形状对系统性能的影响摘 要：本文介绍了一项蒸汽喷射制冷的实验研究，构建一个1kw冷冻能力的试验用冰箱并测试。该系统使用各种测试温度和各种主要喷嘴进行测试。锅炉饱和温度范围从110到150，蒸发器温度固定在7.5。八种不同几何形状的主要喷嘴被用于试验。六个喷嘴的喉部直径范围从1.4mm到2.6mm，出口马赫数均为4.0。另外两个喷嘴喉部直径均为1.4mm，但马赫数不同，分别为3.0和5.5。实验结果表明，主要喷嘴的几何形状对喷射器的性能具有重要影响进而可影响到系统的COP值。关键词：制冷 喷射器 蒸汽喷射 1 介绍在许多工业过程中，系统环境排出的热量被浪费，

2、如果用热驱动制冷系统将这些废物热转化为有用的冷量，那么就可减少从公共事业公司购买的用于普通制冷循环的电能。使用最广泛的热驱动制冷循环是吸收式制冷循环和蒸汽喷射式制冷循环1。这两种热驱动制冷循环都是用低品位的热能外加少量必需的电能驱动工作流体循环和控制系统。吸收式制冷系统的COP值要优于蒸汽喷射式制冷系统。然而，喷射式制冷在构成，运行和控制方面相对简单。它只使用单组分工质（只用一种制冷剂）。而且，喷射制冷系统是唯一可以使用水（最为环保和便宜的制冷剂）的制冷系统，把水作为系统的单一组分工质。蒸汽喷射制冷的系统性能强烈依赖于安装的喷射器。在过去，一个小型蒸汽射流被用于实验研究。研究出运行温度和主要喷

3、嘴位置2,3的影响。一些研究人员用CFD技术解释喷嘴里的过程4,7。小型蒸汽喷射制冷机也适用于使用太阳能8,9。在本文中，研究的是主喷嘴的几何形状（喷嘴面积比）和工作条件对喷射器性能的影响。组建一台试验用蒸汽喷射制冷机。蒸汽喷射器用八种不的主喷嘴进行测试。喷嘴喉部直径分别为1.4，1.7，2.0，2.3，2.4和2.6mm。喷嘴面积比为7:1（马赫数3），20:1（马赫数4），和88:1（马赫数5.5）。蒸汽喷射制冷机的运行环境被设定为了使系统利用工业生产过程中的废热在正常条件下产生通常的制冷效果。锅炉温度设定为110至150。蒸发器温度固定在7.5。测试结果表明，主喷嘴的喉部直径和面积比对喷

4、射器性能具有重要影响。2 背景一个蒸汽喷射器的图解如图1所示。来自锅炉的高压蒸汽，称为初级流体，通过主喷嘴扩大（体积）和加速。这就使得超音速主流体在喷嘴出口平面和后面的混合室中形成了一个压力非常低的区域。这个低压区把从蒸发器（制冷效果产生的地方）来的二次流体引向混合室。主流体和次流体之后在混合室混合。由于主流体的高动量，混合流仍处在超音速区。在混合室的后部，正常冲击，一系列的斜冲击，或者假冲击会减少4,5,10。冲击产生了主要的压缩效果和流动速度从超音速到亚音速的突然下降。流体的进一步压缩是通过在亚音速扩压器的淤塞来实现的。蒸发器的排气压力与冷凝器的饱和压力相等。一个用来描述喷射器性能的重要参

5、数是夹带比：Rm=次流体的质量流量主流体的质量流量在蒸汽喷射制冷循环，如图2所示，喷射器把产生制冷效果的蒸发器中的低压饱和水蒸气吸入，作为二次流体。它使用锅炉中高温高压的饱和蒸汽作为主流体。喷射器将废气排入冷凝器，在那里通过避免使热量散到环境中而将热蒸汽被冷凝成液体。蒸汽喷射制冷循环性能由蒸汽喷射制冷性能系数来定义：因为在锅炉中的焓变与在蒸发器中的焓变没有太大差别，所以可以假设：图3表示一个典型的喷射器性能曲线。在锅炉和蒸发器温度固定而冷凝汽压力变化的条件下，喷射器的性能曲线分为三个区域：阻流，非阻流，和逆流1。在阻流区域，喷射器在低于临界压力（临界背压）下工作。喷射器吸入固定量的二次流体使得

6、夹带率为一个常数。这是由于流动阻塞在混合室。在这个区域里，横向撞击形成了一个压缩效果，被认为出现在混合室的喉部（等面积管段）。冲击的位置依赖于背压。当背压增加时，冲击会在不干扰混合过程的条件下向蒸汽流上部移动（主喷嘴方向）。在非阻流区域，喷射器的背压值高于临界压力。当压力增加时，夹带率明显下降。流体的阻塞不在混合室。横向冲击被认为向上游移动进入混合室（管道汇聚部），扰乱了主流和二次流的混合过程。在逆流区域，喷射器的背压比压力分界点处的压力高。在这个区域，混合流反向流回二次流入口，因此喷射器最终会发生故障。图4显示，工作压力对射流喷射器性能的影响基于实验数据1。当主流压力（锅炉饱和压力）下降时，

7、通过主喷嘴的临界质量流量减少。因为，混合室里的流量是一定的，当临界质量流量减少时，更多的二次流被夹带进来。这样，夹带率的值就增加了。然而，喷射器将在低临界压力下工作。这是因为混合流的动量也在减少，结果使得临界背压降低。当二次流的流体压力（蒸发器饱和压力）增加时，临界背压和夹带比都会增加。由于二次流体压力也就是喷射器上游压力的增加，更多具有较高压力的流体被推进喷射器。因此，就导致了一个较高的喷射系数和临界背压。3 实验装置3.1实验蒸汽喷射制冷机图5表示蒸汽喷射制冷机的原理图。在这个系统中，用电加热器作模拟热源和冷却负荷。锅炉和蒸发器的外壳是由从3.5英寸到8英寸的304不锈钢管（附表40）和焊

8、接在顶部和底部的法兰盘构成的。锅炉的最大供热能力是8kW。蒸发器的设计是基于喷雾和落下的雾膜柱。一个2kW的加热器被用来模拟冷却负荷。加热器功率用电子设备的方法来控制。为了保证只有干蒸汽进入主喷嘴，用一个500W（功率可调）的过热器使来自锅炉的饱和蒸汽过热1-2。冷凝器由壳体和冷凝盘管组成而且使用水冷却。使用两台机械泵，气动隔板泵被用作锅炉给水泵。磁耦合离心泵被用来加快蒸发器蒸发速度。喷射器的主流和二次流压力用分别预设锅炉和蒸发器的饱和温度来进行控制。喷射器的背压用调整冷凝器中冷水流速来进行控制。主流和二次流的质量流量是通过测量水位的降低来获得的，在锅炉和蒸发器中在稳定运行的某个时间间隔分别使

9、用附加视镜来观察。冷凝器中（背压）和蒸发器中（二次流压力）的饱和压力用绝对压力传感器来测量（0-250mbar-abs）。所有不确定度为±0.25%的压力传感器分别使用一个双级液环真空泵和一个用于测量绝对零度和大气压值的标准水银气压计来校准。如图5所示，用不确定度为±0.5的K型热电偶来检测温度变化的具体位置。每个探头检测到的信号连接到补偿和信号放大电路。所有探针都使用精密玻璃温度计仔细校准。根据在稳定运行的某一时间间隔中锅炉和蒸发器视液镜中水位下降可能的测量误差，主流和二次流的流量计算不确定度分别为±4.5%和±6.5%。因此，夹带率的计算最大不确定度

10、为±8%。3.2实验蒸汽喷射器如图6所示，实验喷射器由四部分组成，主喷嘴，混合室，等面积喉部和亚音速扩压器。每个部件设计成易安装和互换。在这个研究中只使用一个固定的混合室。使用八个直径不确定度为±0.05 mm的主喷嘴。喷嘴D1.4M4, D1.7M4, D2.0M4, D2.3M4, D2.4M4和D2.6M4有不同的喉部直径和同为20:1的面积比（出口面积/喉部面积）。所有这些喷嘴的马赫数都是4.0。出口马赫数用以下方程式计算11：喷嘴D1.4M3, D1.4M4, and D1.4 M5.5的喉部直径都是1.4mm但它们的喷嘴面积比分别是7:1，20:1和88:1。它

11、们的出口马赫数分别是3.0,4.0和5.5。在测试中，所有喷嘴的NXP值定为23mm。NXP（喷嘴出口位置）定义为主喷嘴和混合室之间的距离2。NXP为0指喷嘴出口平面就是混合室入口平面。当喷嘴出口平面在混合室内时NXP为正，反之为负。4 实验结果4.1通过喷嘴主流体的临界质量流量在这些测试中，蒸发器通过关闭连接在喷射器入口和蒸发器出口的球阀使其与系统隔开。主流的临界质量流量是锅炉在预设的饱和温度下运行时，一个有限时间间隔通过观察锅炉视液镜中液位下降速率获得。结果显示在图7。结果表明，对于一个特殊的喷嘴，当锅炉中饱和温度和压力增加时，主流的流动速率增加。使用较大喷嘴(D1.4M4,D1.7M4,

12、 D2.0M4)时，流动速率也会增加。然而，流速与喷嘴面积比无关(D1.4M3, D1.4M4, and D1.4M5.5)。从图表中可以看出，通过喷嘴D1.4M3 和D1.4M5.5的临界质量流量与D1.4M4略有差异,这可能是因为喷嘴的制造误差。在所有情况下，临界质量流量与喷嘴的下游压力（冷凝器压力）无关。4.2主要流体压力的影响在这些实验中，使用喷嘴D1.7M4。喉部直径是1.7mm而计算出口马赫数是4.0。锅炉饱和温度范围是130,140和150。蒸发器温度固定在7.5。图8显示了主流压力（锅炉饱和压力）对二次流压力（喷射器吸气压力）的影响。在测试过程中，喷射器通过关闭连接喷射器入口和

13、蒸发器出口的阀来与系统隔开。测量喷射器吸入压力。这个压力代表了对于特定锅炉和冷凝器温度的最低冷却温度（蒸发器饱和温度）。这个测试没有夹带二次流体，因此夹带率为0。参考图8，在低冷凝压力和锅炉饱和温度为150时，吸气压力保持在比当地低于44mbar的冷凝器压力高2.73.2mbar的值。当冷凝器压力增加到高于44mbar时，吸气压力也随着冷凝器压力而增加。在冷凝器压力为66mbar时，吸气压力为10mbar,对应的饱和温度为7.5.如图9所示，这个冷凝器压力就是击穿压力。冷凝压力进一步增加，吸气压力几乎与之同步增加。正如图8所示，这条线几乎与蒸发压力=冷凝压力线平行。当锅炉饱和温度降低到140和

14、130时，会得到类似的曲线。可以看出，低冷凝压力下的最小吸气压力与锅炉压力变化无关。事实上，这是因为喷嘴排出的主流在所有情况下的马赫数都是4.0。出口马赫数于1喷嘴面积比无关。所有喷嘴的面积比都为20:1。因此，每个试验的出口平面静压都相等。图8中曲线之间的差别是，低锅炉温度下的最小吸气压力曲线在比较高锅炉温度低的冷凝压力下开始增加（从最小值开始）。这是由通过主喷嘴的临界质量流速的差异造成的，锅炉压力越高，临界质量流速越高，反之越低。即使对于所有情况排出主喷嘴的流体速度相等，随着质量流量和流速的增加的动量（或动能），是不同的。图9显示主流压力对夹带比的影响。对于一个固定的锅炉温度，为了使喷射器

15、在阻流和非壅塞流动区域工作，冷凝器饱和压力会进行调整直到达到冷凝器故障点。当由于锅炉压力增加而使主流质量流量增加时，在阻流区域，喷射器的二次流夹带量减少。因为当主流质量流量增加时，混合室的流动面积是固定的，那么二次流的流动面积（混合室壁和主流射流核心形成的环形区域）就会减少。锅炉压力增加时夹带比降低。然而，混合室中混合流的动量应为大量主流的进入会增加。喷射器可以在更高的冷凝压力下工作。4.3 主喷嘴喉部直径的影响在这些测试中，锅炉和蒸发器饱和温度分别固定在150和7.5。使用喷嘴D1.4M4,D1.7M4和D2.0M4。所有的喷嘴都有一个相同的面积比20:1，产生相同的出口马赫数4.0。图10

16、显示固定锅炉压力下主喷嘴喉部直径对二次流最低压力（喷嘴吸入压力）的影响，和对夹带比的影响，如图11所示。可以看出图10与图8相似，图11与图9相似。这意味着，使用一个大直径主喷嘴与高锅炉压力时喷射器工作对喷射器性能具有相同影响。对于所有出口马赫数为4.0的喷嘴来说，得到相似的最低吸气压力。喉部直径大的喷嘴比较小的提供更大的主流质量流量；因此，二次流在混合室的较小流动面积导致了更低的夹带比。然而，在喷嘴出口，主流产生了更大的动量和动能。这就造成了更高的临界冷凝压力，类似于锅炉饱和压力升高的情况。4.4喷嘴出口马赫数的影响在这些测验中，在锅炉饱和温度为150而蒸发器温度为7.5的条件下使用喷嘴D1

17、.4M3, D1.4M4和D1.4M5.5。这些喷嘴的喉部直径都是1.4mm。它们可达到相同的临界质量流量但出口马赫数不同。图12表示了出口马赫数对最低二次流压力（喷嘴吸入压力）的影响，图13表示了对夹带比的影响。从图12可以看出，当主流出口马赫数增加时最低二次流压力降低。 喷嘴D1.4M3是5.5mbar，D1.4M4是3.2mbar，而D1.4M5.5是2.2mbar。在用喷嘴D1.4M5.5的试验中，最低二次流压力恒为2.2mbar直到冷凝器压力达到44mbar。吸入压力的提高比在用喷嘴D1.4M3和D1.4M4时更剧烈。从图13中可以看出，在阻流区域中的夹带比与喷嘴出口马赫数的变化无关

18、。所有的喷嘴夹带相同量的二次流体。然而，临界冷凝压力随马赫数增加。对于喷嘴D1.4M3，临界冷凝压力为38mbar。对喷嘴D1.4M4，临界冷凝压力为44mbar。对喷嘴D1.4M5.5，临界冷凝压力为54mbar。这是由于主流体的动量，马赫数越高，流体动量越高。这表明，主流的马赫数应该尽可能的高。然而，喷嘴的出口最大马赫数受限于喷嘴出口直径和表1所示的锅炉压力。表1中，喷嘴面积比用等式（4）求得，而膨胀比由 8 计算喷嘴出口压力从图12查出，马赫数为6.0的则从外部文献查得。对于马赫数为6.0的情况，喷嘴出口直径是16mm，与混合室的喉部直径（19mm）一样大。这将会在混合室入口阻塞二次流。

19、这样，实际上，喷嘴就设计成保证出口马赫数在4.0到5.5之间。出口马赫数大于5.5的喷嘴就会有一个很大的出口区域用来阻碍混合室入口的二次流。4.5 固定质量流量的主喷嘴的喉部直径的影响在这些测试中，蒸发器温度固定在7.5。使用喷嘴D1.4M4, D1.7M4, D2.0M4, D2.3M4, D2.4M4, 和 D2.6M4。这些喷嘴具有不同的喉部直径但具有相同的面积比。它们的出口马赫数同为4.0。在这些测试中，调整锅炉饱和温度使得临界质量流量逐渐稳定在4.6 ± 0.05 kg/h，如表2所示。因为射出每个喷嘴的主流的马赫数和质量流量都是固定的，对所有喷嘴来说主流的动量相等。那么可

20、以预测，所有喷嘴的夹带比和临界冷凝压力将是非常相似的。然而，测验结果却不是这样。图14显示了二次流最低压力的变化而图15显示了夹带比的变化。从图14可以看出，在使用大喷嘴时，最低吸气压力下降而且保持一个较高的冷凝压力不变（这与使用有较高马赫数的情况相似）。从这个实验可以推断，使用高锅炉压力的大喷嘴性能优于高锅炉压力的小喷嘴。从图15看出，使用低锅炉压力的大喷嘴时，夹带比会略微下降但是临界冷凝压力则会升高。图15中的结果可从图16中看出，使用大喷嘴夹带率会略有降低。有趣的一点是，当喷嘴从D1.4M4 换为D2.0M4时，临界冷凝压力略成线性增加。当使用D2.3M4时，临界冷凝压力很快达到最大值。而使用喷嘴D2.4M4和D2.6M4时，临界冷凝压力很快下降。夹带率的轻微下降会形成一个大的主流核心，这会引起二次流的一个较小的有效流动区。临界冷凝压力的提高会引起较低的二次流夹带。可是，夹带比只是略有下降。如果这是主要原因，那么临界冷凝压力不应该大幅度增加。可能是主流和二次流在混合室混合过程中的其他原因。为了解释这种现象，可使用CFD技术惊进行更深入的研究。5 结