第三讲喷射式制冷

1、喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院蒸汽喷射式制冷是一种以热能为动力的制冷方式。与溴蒸汽喷射式制冷是一种以热能为动力的制冷方式。与溴化锂吸收式制冷机相类似，都是依靠热能而工作的，但化锂吸收式制冷机相类似，都是依靠热能而工作的，但蒸汽喷射式制冷机只用单一物质为制冷剂。虽然从理论蒸汽喷射式制冷机只用单一物质为制冷剂。虽然从理论上谈可应用一般的制冷剂，如氨、氟利昂等，但到目前上谈可应用一般的制冷剂，如氨、氟利昂等，但到目前为止，只有以水为制冷剂的蒸汽喷射式制冷机得到实际为止，只有以水为制冷剂的蒸汽喷射式制冷机得到实际应用。当用水为制冷剂时所制取的低温必须在应用。

2、当用水为制冷剂时所制取的低温必须在0 0 以上，以上，故蒸汽喷射式制冷机目前只用于空调装置或用来制取某故蒸汽喷射式制冷机目前只用于空调装置或用来制取某些工艺过程需要的冷媒水。些工艺过程需要的冷媒水。 喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院蒸汽喷射式制冷循环工作原理如图蒸汽喷射式制冷循环工作原理如图6 65 5所示。所示。 蒸汽喷射式制冷循环基本工作过程是：锅炉蒸汽喷射式制冷循环基本工作过程是：锅炉A A提供的高提供的高温高压水蒸汽称为工作蒸汽。工作蒸汽被输送至蒸汽喷射器温高压水蒸汽称为

3、工作蒸汽。工作蒸汽被输送至蒸汽喷射器( (主喷射器主喷射器) )，在喷嘴，在喷嘴B B中绝热膨胀并迅速降压而获得很大的中绝热膨胀并迅速降压而获得很大的流速流速(1000m(1000ms s以上以上) )；在蒸发器；在蒸发器E E中由于制取冷量中由于制取冷量Q0Q0而汽化而汽化的水蒸汽被引入喷射器的混合室的水蒸汽被引入喷射器的混合室C C中，与绝热膨胀后的高速中，与绝热膨胀后的高速工作蒸汽混合，一同进入扩压管工作蒸汽混合，一同进入扩压管D D。混合蒸汽在扩压管中将。混合蒸汽在扩压管中将速度能转变为压力能二被压缩到相应的冷凝压力速度能转变为压力能二被压缩到相应的冷凝压力pkpk然后进入然后进入冷凝

4、器冷凝器H H向环境介质放出热量向环境介质放出热量QkQk。由冷凝器引出的凝结水分。由冷凝器引出的凝结水分为两路，一路经节流器为两路，一路经节流器I I节流降压至蒸发压力节流降压至蒸发压力p0p0后在蒸发器后在蒸发器E E中汽化吸热，另一路经凝水泵中汽化吸热，另一路经凝水泵F F送回锅炉继续加热循环。送回锅炉继续加热循环。 喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院 蒸汽喷射式制冷利用制冷剂在低压下的相变汽化吸热蒸汽喷射式制冷利用制冷剂在低压下的相变汽化吸热来制取冷量，与其他制冷循环相比，具有如下特点来制取冷量，与其他制冷循环相比，具有如下特点: : 1)1)蒸

5、汽喷射式制冷机的设备结构简单，金属耗量少，造蒸汽喷射式制冷机的设备结构简单，金属耗量少，造价低廉，运行可靠性高，使用寿命长，一般不需要备用设价低廉，运行可靠性高，使用寿命长，一般不需要备用设备。备。 2)2)制冷系统操作简便，维修量少。制冷系统操作简便，维修量少。 3)3)蒸汽喷射式制冷循环耗电量少，特别适用于有较多工蒸汽喷射式制冷循环耗电量少，特别适用于有较多工业余汽的场合，能节约能源。业余汽的场合，能节约能源。蒸汽喷射式制冷循环的特点蒸汽喷射式制冷循环的特点 喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院4)4)蒸汽喷射式制冷以水作为制冷剂，根据需要可使制冷剂与

6、蒸汽喷射式制冷以水作为制冷剂，根据需要可使制冷剂与载冷剂合为一体，或者采用开式循环形式。由于水具有汽载冷剂合为一体，或者采用开式循环形式。由于水具有汽化潜热大，无毒等优越性，所以系统安全可靠。化潜热大，无毒等优越性，所以系统安全可靠。 5)5)用水作为制冷剂制取低温时受到水的凝固点的限制。为了用水作为制冷剂制取低温时受到水的凝固点的限制。为了获得更低的蒸发温度获得更低的蒸发温度t0t0，正在研制以氨、氟利昂为制冷剂，正在研制以氨、氟利昂为制冷剂的蒸气喷射式制冷机。另外将蒸汽喷射器与活塞式制冷压的蒸气喷射式制冷机。另外将蒸汽喷射器与活塞式制冷压缩机、吸收式制冷压缩机等串联，用以作为低压机，也能缩

7、机、吸收式制冷压缩机等串联，用以作为低压机，也能获得较低的蒸发温度获得较低的蒸发温度t0t0。6)6)蒸汽喷射器的加工精度要求较高，循环中的工作蒸汽消耗蒸汽喷射器的加工精度要求较高，循环中的工作蒸汽消耗量较大，制冷循环效率较低。这一切都限制了蒸汽喷射式量较大，制冷循环效率较低。这一切都限制了蒸汽喷射式制冷的实际应用。制冷的实际应用。喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院太阳能喷射式制冷系统太阳能喷射式制冷系统喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院蒸汽

8、喷射泵主要由工作喷嘴、混合室及扩压管三部分组蒸汽喷射泵主要由工作喷嘴、混合室及扩压管三部分组成成, , 其基本结构见图其基本结构见图1 1。在结构上。在结构上, ,工作喷嘴采用了缩放工作喷嘴采用了缩放喷嘴的结构形式喷嘴的结构形式, , 这种结构可以在其出口获得超音速气这种结构可以在其出口获得超音速气流。在混合室与扩压管之间还设有一段等截面的喉管流。在混合室与扩压管之间还设有一段等截面的喉管, , 其作用是使工作蒸汽和被抽吸气体充分混合其作用是使工作蒸汽和被抽吸气体充分混合, , 以减少突以减少突然压缩损失和余速动能的损失。然压缩损失和余速动能的损失。喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程

9、学院中南大学能源与科学工程学院工作过程膨胀增速阶段膨胀增速阶段p p点截面到点截面到 2 2点截面为工作蒸汽在工作喷嘴内的膨胀增速阶点截面为工作蒸汽在工作喷嘴内的膨胀增速阶段。较高压力的工作蒸汽在工作喷嘴入口段。较高压力的工作蒸汽在工作喷嘴入口p p点处以低于声速点处以低于声速的气流速度进入蒸汽喷射泵的工作喷嘴。在工作喷嘴的渐缩的气流速度进入蒸汽喷射泵的工作喷嘴。在工作喷嘴的渐缩段流动时段流动时, , 其压力不断减小其压力不断减小, , 速度不断增加。在工作喷嘴的速度不断增加。在工作喷嘴的喉部喉部( ( 最小截面处最小截面处, 1 , 1 点点) , ) , 气流速度达到音速气流速度达到音速,

10、 , 即马赫数即马赫数等于等于1 1。工作蒸汽在进入工作喷嘴的渐扩段后。工作蒸汽在进入工作喷嘴的渐扩段后, ,压力进一步下压力进一步下降降, , 气流速度进一步增加气流速度进一步增加, , 达到超音速状态达到超音速状态, , 在工作喷嘴出在工作喷嘴出口截面处口截面处, , 工作蒸汽的气流速度可达工作蒸汽的气流速度可达900 1200m / s 900 1200m / s 。喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院混合阶段混合阶段2 2点截面到点截面到3 3点截面为工作蒸汽与被抽吸气体的混合阶段。工作蒸汽在工作喷嘴点截面为工作蒸汽与被抽吸气体的混合阶段。工作蒸汽

11、在工作喷嘴出口截面处所形成的高速气流会在工作喷嘴出口附近形成低压区域出口截面处所形成的高速气流会在工作喷嘴出口附近形成低压区域, , 压力相对压力相对较高的被抽吸气体就会在压力差的作用下较高的被抽吸气体就会在压力差的作用下, , 被吸入到混合室。被抽吸气体在被吸入到混合室。被抽吸气体在e e点被吸入抽气器点被吸入抽气器, , 从从e e点流动到点流动到3 3点的过程中点的过程中, , 速度不断增加速度不断增加, , 压力在压力在e e点到点到2 2 点段不断下降到工作蒸汽在工作喷嘴出口截面处点段不断下降到工作蒸汽在工作喷嘴出口截面处( 2( 2点点) ) 的压力。此后在混合的压力。此后在混合室

12、段和喉管前段室段和喉管前段( 2( 2到到4) 4) 混合物的压力就一直保持恒定值混合物的压力就一直保持恒定值, , 即即P2 = Ps = P3 = P2 = Ps = P3 = P4P4。在混合室的前段。在混合室的前段( 2( 2到到 s), s), 工作蒸汽与被抽吸气体开始混合。在高速工作工作蒸汽与被抽吸气体开始混合。在高速工作蒸汽流的携带作用下蒸汽流的携带作用下, , 被抽吸气体的速度不断增加并达到超音速状态被抽吸气体的速度不断增加并达到超音速状态( (在在s s点截点截面处达到音速面处达到音速) )。而工作蒸汽因此速度不断下降。而工作蒸汽因此速度不断下降, , 在混合室的后段在混合室

13、的后段( s( s到到3) 3) 的的某一截面处工作蒸汽与被抽吸气体的流动速度达到相等某一截面处工作蒸汽与被抽吸气体的流动速度达到相等, , 之后保持恒定。在混之后保持恒定。在混合室的后段合室的后段( s( s到到 3) , 3) , 工作蒸汽与被抽吸气体充分混合工作蒸汽与被抽吸气体充分混合, , 混合物的压力在其混合物的压力在其进入喉管时已保持恒定。这里需要特别说明的是进入喉管时已保持恒定。这里需要特别说明的是s s点截面的位置并不是固定的点截面的位置并不是固定的, , 而是随着抽气器运行条件的变化而变化的。而是随着抽气器运行条件的变化而变化的。喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学

14、院中南大学能源与科学工程学院压缩阶段压缩阶段3 3点截面到点截面到c c点截面为工作蒸汽与被抽吸气体的混合物的压缩阶点截面为工作蒸汽与被抽吸气体的混合物的压缩阶段。混合物在喉管内流动的过程中段。混合物在喉管内流动的过程中, , 会在喉管内的某一截面会在喉管内的某一截面( 4( 4点点) ) 产生激波的现象产生激波的现象, , 激波会导致混合物压力的突升激波会导致混合物压力的突升( (从从P4 P4 升高到升高到P5 ) P5 ) 和气流速度的突降和气流速度的突降( (从超音速从超音速v4 v4 降到亚音速降到亚音速v5 )v5 )。当混合物从喉管流入到扩压管内后当混合物从喉管流入到扩压管内后,

15、 , 其部分动能转化为压能其部分动能转化为压能, , 从而使其流速进一步降低从而使其流速进一步降低, , 压力进一步上升至需达到的压力值压力进一步上升至需达到的压力值PcPc。喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院数学模型数学模型( 1) ( 1) 将蒸汽喷射泵内流动的工质当作理想气体处理。将蒸汽喷射泵内流动的工质当作理想气体处理。( 2) ( 2) 工质在蒸汽喷射泵内的流动是一维稳态绝热流动工质在蒸汽喷射泵内的流动是一维稳态绝热流动, , 工作工作蒸汽在工作喷嘴内的流动是一个等熵膨胀过程蒸汽在工作喷嘴内的流动是一个等熵膨胀过程, , 工作蒸汽与被工作蒸汽与

16、被抽吸气体的混合物在扩压管内的流动是一个等熵压缩过程。抽吸气体的混合物在扩压管内的流动是一个等熵压缩过程。( 3) ( 3) 工作蒸汽与被抽吸气体在混合室内开始混合。工作蒸汽与被抽吸气体在混合室内开始混合。( 4) ( 4) 工作蒸汽与被抽吸气体具有相同的比重和热比容。工作蒸汽与被抽吸气体具有相同的比重和热比容。( 5) ( 5) 工作蒸汽和被抽吸气体都处于饱和状态工作蒸汽和被抽吸气体都处于饱和状态, , 且它们在进入且它们在进入蒸汽喷射泵时的速度可忽略不计蒸汽喷射泵时的速度可忽略不计, , 混合物从扩压管排出时的速混合物从扩压管排出时的速度可忽略不计。度可忽略不计。喷射式制冷喷射式制冷 中南

17、大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院蒸汽喷射泵内的质量平衡方程蒸汽喷射泵内的质量平衡方程被抽吸气体与工作蒸汽的质量流量比被抽吸气体与工作蒸汽的质量流量比: :为了便于分析和计算为了便于分析和计算, , 可用马赫数来描述工质的流动过程。可用马赫数来描述工质的流动过程。工作蒸汽在工作喷嘴出口截面处工作蒸汽在工作喷嘴出口截面处( 2( 2点点) ) 所达到的马赫所达到的马赫工作喷嘴效率一般取值范围为工作喷嘴效率一般取值范围为0.75 0.90.75 0.9(1)(2)(3)喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院被抽吸气体在工作喷嘴出口截面处被抽吸气体在

18、工作喷嘴出口截面处( 2( 2点点) )所达到的马赫数所达到的马赫数: :由于抽气器内的混合过程定义为一维稳态绝热过程由于抽气器内的混合过程定义为一维稳态绝热过程, , 所以此过所以此过程满足动量和能量守恒定律。通过动量和能量守恒方程的联立程满足动量和能量守恒定律。通过动量和能量守恒方程的联立, ,其中上标为其中上标为* * 的参数的参数M M* * 称为速度系数称为速度系数, , 它是流体速度与临界它是流体速度与临界速度速度( (或临界声速或临界声速) ) 之比。它与马赫数之间关系式为之比。它与马赫数之间关系式为M M* *e2e2、M M* *p2 p2 及及M4 M4 都是通过上式都是通

19、过上式 计算得到的计算得到的(4)(5)(6)喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院喉管内激波前后马赫数之间的关系式喉管内激波前后马赫数之间的关系式激波前后压力比可通过动量守恒方程导出激波前后压力比可通过动量守恒方程导出通过上述对蒸汽喷射泵内工作过程的具体描述和分析通过上述对蒸汽喷射泵内工作过程的具体描述和分析, , 可知可知P2 P2 = P3 = P4= P3 = P4。上式。上式 就是在这个前提下得到的。就是在这个前提下得到的。(7)(8)喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院扩压管内的压力升高比为扩压管内的压力升高

20、比为扩压管效率扩压管效率 一般其取值范围为一般其取值范围为0.7 0.90.7 0.9工作喷嘴喉部工作喷嘴喉部( 1( 1点点) ) 截面面积为截面面积为(9)喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院工作喷嘴喉部工作喷嘴喉部( 1( 1点点) ) 与喉管与喉管( 3( 3点点) ) 截面面积比为截面面积比为: :工作喷嘴出口工作喷嘴出口( 2( 2点点) ) 与工作喷嘴喉部与工作喷嘴喉部( 1( 1点点) ) 截面面积比为截面面积比为: :喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学能源与科学工程学院在给定相关初始压力、质量流量、质量流量比及其它已知的原始数在给定相关初始压力、质量流量、质量流量比及其它已知的原始数据和初始参数的前提下据和初始参数的前提下, ,根据上述所建立的数学模型根据上述所建立的数学模型, , 利用计算机利用计算机采用迭代计算的方法采用迭代计算的方法, , 即可获得抽气器设计的一些重要尺寸参数即可获得抽气器设计的一些重要尺寸参数喷射式制冷喷射式制冷 中南大学能源与科学工程学院中南大学