兩段式噴嘴引射器及其引射制冷系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究

任立乾 郭憲民 李添龍

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

目前，回收制冷循環(huán)高壓工質(zhì)的膨脹能量主要有兩種方法，一種是用膨脹機(jī)代替膨脹閥[1-2]，輸出的功可以用來驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇或壓縮機(jī)，這種方法尚有許多技術(shù)難題需要解決[3]；另一方法是用引射器代替膨脹閥[4]，工質(zhì)在引射器中先將高壓工質(zhì)膨脹能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，然后將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能來加以回收。這樣不但降低了節(jié)流過程中流動(dòng)損失產(chǎn)生的熱量，同時(shí)可提高壓縮機(jī)的吸氣壓力，從而提高制冷系統(tǒng)性能。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者把引射器應(yīng)用到制冷系統(tǒng)中，并對(duì)其做了大量的研究工作。G K Alexis[5]對(duì)以R134a為工質(zhì)由太陽能驅(qū)動(dòng)的噴射制冷循環(huán)進(jìn)行了研究；V M Nguyen等[6]在英國(guó)地區(qū)的辦公室建立了上述引射制冷循環(huán)系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；D W Sun[7]對(duì)蒸汽引射制冷循環(huán)進(jìn)行數(shù)值模擬來預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能，得出了最佳的引射器幾何尺寸。馬一太等[8]以CO2-NH3為工質(zhì)的壓縮噴射復(fù)疊循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明在低冷凝溫度、高引射流體溫度工況下，該制冷循環(huán)性能較高。李素芬等[9]研究了變邊界條件和變噴嘴幾何尺寸對(duì)引射器內(nèi)部流場(chǎng)的影響，探討了幾何參數(shù)和熱力參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響。

上述這些研究工作均是針對(duì)拉法爾噴嘴引射器的引射制冷系統(tǒng)，本文在不同工況和不同尺寸條件下，對(duì)兩段式噴嘴引射器在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

R134a兩相流引射制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、引射器、氣液分離器、儲(chǔ)液罐及其他附件組成。該實(shí)驗(yàn)裝置可測(cè)量?jī)上嗔饕渲评湎到y(tǒng)性能及引射器引射比等參數(shù)，同時(shí)可測(cè)量傳統(tǒng)系統(tǒng)的性能，以便對(duì)二者進(jìn)行比較。系統(tǒng)工作原理詳見參考文獻(xiàn)[10]。

圖1中同時(shí)標(biāo)示出了壓力、溫度及流量測(cè)點(diǎn)。制冷劑及水系統(tǒng)的溫度用鉑電阻溫度傳感器，精度為±0.1 ℃；制冷系統(tǒng)壓力傳感器精度為±0.1%FS；渦輪流量計(jì)的精度為±0.5%R；R134a流量測(cè)量采用精度為±0.1%R的流量計(jì)測(cè)量。

圖1 R134a制冷系統(tǒng)裝置示意圖

流經(jīng)冷凝器的冷卻水由冷水機(jī)組冷卻，并通過電加熱器調(diào)節(jié)其溫度，流經(jīng)蒸發(fā)器的冷凍水須由加熱器調(diào)溫，兩路水的流量均用電磁閥來控制，這樣可以提供穩(wěn)定的冷凝壓力、過冷度、蒸發(fā)壓力及過熱度。通過計(jì)算水側(cè)的換熱量得出蒸發(fā)器的換熱量，也可通過R134a制冷劑的焓差和其質(zhì)量流量計(jì)算制冷量，再根據(jù)壓縮機(jī)的耗功計(jì)算系統(tǒng)的COP，通過被引射流質(zhì)量流量與主引射流質(zhì)量流量之比算出引射比。

兩段式噴嘴及引射器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。由于汽液兩相流中汽、液相密度相差很大，造成拉法爾噴嘴內(nèi)部汽液相速度相差較大，液滴直徑較大，導(dǎo)致引射器的引射比較低[2]。而對(duì)于兩段式噴嘴引射器，工質(zhì)在流經(jīng)第一段噴嘴時(shí)，制冷劑先加速，然后在擴(kuò)張段減速，這個(gè)過程中制冷劑產(chǎn)生壓降并汽化，制冷劑經(jīng)過第二段噴嘴時(shí)速度增加，制冷劑液滴破碎，從而使其接近均質(zhì)流的狀態(tài)，達(dá)到與單相流相近的引射效率，大幅提高了引射器的性能。

圖2 兩段式噴嘴及引射器示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證兩段式噴嘴引射器的性能及其影響因素，分別對(duì)使用兩段式噴嘴引射器和拉法爾噴嘴引射器的兩相流引射制冷系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。引射器設(shè)計(jì)成可拆裝結(jié)構(gòu)，在兩種引射器比較實(shí)驗(yàn)時(shí)只需替換噴嘴，這樣保證了其它部件的統(tǒng)一性。兩段式噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2(b)所示，其喉部面積列于表1中。

本文分別對(duì)使用不同幾何尺寸噴嘴引射器的系統(tǒng)在不同工況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。引射器噴嘴試件幾何尺寸如表1所示。

表1 引射器噴嘴幾何尺寸

2.1 不同喉部面積引射器性能比較

分別對(duì)表1中試件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖3為在蒸發(fā)溫度為1 ℃、冷凝溫度為45 ℃的工況條件下引射器噴嘴喉部截面積對(duì)引射比及系統(tǒng)性能的影響。

圖3 COP和引射比隨噴嘴喉部截面積的變化

從圖3中可以看出，對(duì)于兩段式噴嘴引射器和拉法爾噴嘴引射器，其引射比均隨噴嘴喉部截面積的增加而升高，而兩段式噴嘴引射器的引射比高于拉法爾噴嘴引射器的引射比，最大提高了約18%。拉法爾噴嘴引射器制冷系統(tǒng)的COP隨著噴嘴喉部截面積的增加先升高后降低，在噴嘴喉部截面積為2.84 mm2時(shí)達(dá)到最大值；兩段式噴嘴引射器制冷系統(tǒng)的COP隨著噴嘴喉部截面積的增加而降低，但始終高于拉法爾噴嘴引射器制冷系統(tǒng)的COP，最大提高了約12%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示COP提高主要是由于是兩段式噴嘴引射器引射比較大，其制冷系統(tǒng)中通過蒸發(fā)器的制冷劑流量大于拉法爾噴嘴引射器制冷系統(tǒng)中的流量，因而其制冷量增大，而壓縮機(jī)耗功幾乎不變。

2.2 不同冷凝溫度條件下兩種引射器性能比較

圖4所示為使用5號(hào)試件的引射制冷系統(tǒng)COP及引射器引射比在蒸發(fā)溫度為1 ℃條件下隨冷凝溫度的變化情況。

圖4 COP和引射比隨冷凝溫度的變化

從圖4中可以看出，兩段式噴嘴引射器與拉法爾噴嘴引射器的引射比隨冷凝溫度的升高先增大后減小，均在冷凝溫度為45 ℃時(shí)引射比達(dá)到最大值；系統(tǒng)COP隨著冷凝溫度的升高而減小，且兩段式噴嘴引射器的引射比及其制冷系統(tǒng)的COP均高于拉法爾噴嘴引射器的引射比及其制冷系統(tǒng)的COP。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)與制冷系統(tǒng)COP隨冷凝溫度的變化趨勢(shì)不同，拉法爾噴嘴引射器和兩段式噴嘴引射器的引射比均在冷凝溫度為45 ℃達(dá)到最大值，造成這種現(xiàn)象的原因可能是隨著冷凝溫度增加，引射器噴嘴進(jìn)出口壓差增大；當(dāng)冷凝溫度低于45 ℃，噴嘴進(jìn)出口壓差較小，引射器內(nèi)流動(dòng)未出現(xiàn)激波或激波的強(qiáng)度較弱，噴嘴出口工質(zhì)流速隨壓差增大而增大，引射器的引射比隨之增大；而當(dāng)冷凝溫度高于45 ℃時(shí)，噴嘴內(nèi)部激波強(qiáng)度增大，隨著冷凝溫度的上升，產(chǎn)生激波的位置向噴嘴喉部位置靠近，引射器的引射比隨之減小。冷凝溫度升高，壓縮機(jī)耗功逐漸增大，則系統(tǒng)的COP呈下降趨勢(shì)。

2.3 不同蒸發(fā)溫度條件下兩種引射器性能比較

圖5所示為在冷凝溫度為50 ℃工況下，引射器引射比和系統(tǒng)COP隨蒸發(fā)溫度的變化曲線。

圖5 COP和引射比隨蒸發(fā)溫度的變化

從圖中可以看出，拉法爾噴嘴引射器的引射比隨蒸發(fā)溫度的升高先增大，并在蒸發(fā)溫度為3 ℃時(shí)引射比達(dá)到最大值；在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，兩段式噴嘴引射器的引射比也在蒸發(fā)溫度為3 ℃時(shí)達(dá)到最大值，這是由于噴嘴進(jìn)出口壓差隨蒸發(fā)溫度的變化引起的，其機(jī)理與上述冷凝溫度的影響相似。拉法爾噴嘴引射器與兩段式噴嘴引射器制冷系統(tǒng)COP的變化趨勢(shì)基本一致，隨著蒸發(fā)溫度的升高系統(tǒng)制冷量增大，而壓縮機(jī)耗功變化不大，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)的COP升高。同時(shí)，可以看到兩段式噴嘴引射器制冷系統(tǒng)的COP和引射器的引射比均高于拉法爾噴嘴引射器。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明兩段式噴嘴引射器性能優(yōu)于拉法爾噴嘴引射器。如前所述，這可能是因?yàn)楣べ|(zhì)經(jīng)過兩段式噴嘴后汽液相混合比較均勻，并且液滴更加細(xì)微，相間阻力減小，使得流動(dòng)接近均質(zhì)流，從而提高了引射效率。使用CFX軟件對(duì)噴嘴內(nèi)部進(jìn)行的數(shù)值模擬結(jié)果[11]亦顯示與拉法爾噴嘴相比，兩段式噴嘴內(nèi)部及其出口界面上R134a工質(zhì)的氣相分?jǐn)?shù)比較均勻，引射器的引射比較大，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。

3 結(jié)論

本文對(duì)使用兩段式噴嘴引射器和拉法爾噴嘴引射器的兩相流引射制冷系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，比較了兩種引射器在不同喉部截面積及工況條件下的引射比及制冷系統(tǒng)性能，得出如下結(jié)論：

1)在固定工況條件下，不同幾何尺寸的兩段式噴嘴引射器的引射比均高于拉法爾噴嘴引射器的引射比，最大提高了約18%，兩種引射器的引射比均隨噴嘴喉部截面積的增大而增大；兩段式噴嘴引射器引射制冷系統(tǒng)的COP隨著第一喉部截面積的增大而減小，拉法爾噴嘴引射器引射制冷系統(tǒng)的COP隨噴嘴喉部截面積的增大先增加后減小，而兩段式噴嘴引射器引射制冷系統(tǒng)的COP始終高于拉法爾噴嘴引射器引射制冷系統(tǒng)的COP，最大提高了約12%。

2)在蒸發(fā)溫度為1 ℃的工況條件下，兩段式噴嘴引射器和拉法爾噴嘴引射器的引射比均在冷凝溫度為45 ℃時(shí)達(dá)到最大值。相比于拉法爾噴嘴引射器，兩段式噴嘴引射器的引射比提高了15.17%。

3)在冷凝溫度為50 ℃的工況條件下，蒸發(fā)溫度為3 ℃時(shí)兩段式噴嘴引射器的引射比取得最大值，比拉法爾噴嘴引射器引射比的最大值提高了5.09%。

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