噴射器極限工況特性實驗研究

戴征舒陳光明張華張崢瞿悅呈李忠律

(1上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093;2浙江大學(xué)制冷與低溫研究所浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室 杭州 310027)

噴射器極限工況特性實驗研究

戴征舒1陳光明2張華1張崢1瞿悅呈1李忠律1

(1上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093;2浙江大學(xué)制冷與低溫研究所浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室 杭州 310027)

噴射器作為熱驅(qū)動噴射式制冷系統(tǒng)的核心部件，其性能會影響整個制冷系統(tǒng)的運行效率。極限工況是指噴射器從可以工作狀態(tài)到不能工作狀態(tài)的極端工況，對該工況下噴射器的特性研究具有重要意義。本文自行設(shè)計并搭建了以R134a為制冷劑的噴射式制冷系統(tǒng)極限工況的實驗裝置，分別對引射流體質(zhì)量流量為零的極限工況下不同噴射器工作流體壓力及噴射器出口背壓對縮放噴嘴出口背壓的影響規(guī)律進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明:極限工況下，噴嘴出口背壓同時受工作流體壓力和噴射器出口背壓的影響，隨工作流體壓力升高而降低，隨噴射器出口背壓升高而升高。同時，得到該噴射器在工作流體壓力為1.5～3.2 MPa，且噴射器出口背壓在0.66～0.96 MPa范圍內(nèi)的最低引射流體壓力，為工程應(yīng)用提供參考。

制冷系統(tǒng);噴射器;試驗工況;R134a

AbstractThe ejector is the key component in a heat-driven ejector refrigeration system，and its performance is of considerable importance to the system efficiency.The limiting operating condition is defined as the working condition when the secondary mass flow rate is equivalent to zero，and the performance under this working condition is important to the ejector working mechanism and application.In this study， experimental apparatus to study the ejector performance under the limiting operating condition was designed and constructed， using R134a as a refrigerant.The effects of the primary flow pressure and ejector back pressure on the back pressure of the converging-diverging nozzle were studied experimentally under the limiting operating condition， i.e.， when the secondary mass flow rate was zero.The experimental results show that both the primary flow pressure and ejector back pressure have considerable influence on the back pressure of the nozzle under the limiting operating condition.The nozzle back pressure decreases with an increase in the primary flow pressure，but increases with an increase in the ejector back pressure.In this study，detailed values were obtained for the lowest evaporating pressure of the system.The findings indicate that the primary flow pressure is in the range of 1.5-3.2 MPa and the ejector back pressure is in the range of 0.66-0.96 MPa.These results can provide guidance for ejector refrigeration system application.

Keywordsrefrigeration system;ejector;test condition;R134a

隨著低品位能源利用的興起，熱驅(qū)動噴射式制冷系統(tǒng)以體積小、結(jié)構(gòu)簡單、初投資低、運行可靠、幾乎不需要維護(hù)[1-2]等諸多優(yōu)點而備受關(guān)注。

噴射器是噴射式制冷系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響整個系統(tǒng)的運行效率。噴射系數(shù)是表征噴射器性能的重要指標(biāo)之一，定義為單位質(zhì)量工作流體通過噴射器所能卷吸的引射流體的流量，它在數(shù)值上等于引射流體的質(zhì)量流量與工作流體的質(zhì)量流量之比。在固定噴射器的工作流體壓力和出口背壓條件下，噴射系數(shù)隨噴射器引射流體壓力的增大而增大;反之，噴射系數(shù)隨引射流體壓力的減小而減小，當(dāng)引射流體壓力降低到一定值時，噴射系數(shù)為零，沒有引射流體被卷吸入噴射器，此工況稱為噴射器引射流體質(zhì)量流量為零的極限工況。極限工況對應(yīng)的引射流體壓力就是該噴射器在特定工作流體壓力和出口背壓前提下能夠工作的最低壓力。

在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，主要集中在對噴射器性能的研究[3-8]和噴射式制冷系統(tǒng)性能的研究[9-13]，對噴射器引射流體質(zhì)量流量為零的極限工況研究鮮有報道。目前，僅有極少數(shù)文獻(xiàn)[14-15]對超音速空氣介質(zhì)噴射器極限工況進(jìn)行了研究，而對噴射式制冷系統(tǒng)中以R134a為介質(zhì)的噴射器極限工況特性研究未見報道。

本文自行設(shè)計并搭建了噴射式制冷系統(tǒng)實驗裝置，對特定工作流體壓力和噴射器出口背壓工況下的極限工況進(jìn)行了實驗研究，得到噴射式制冷系統(tǒng)在特定工況下的最低蒸發(fā)壓力，為實際工程應(yīng)用提供參考。

1 噴射器工作原理

噴射器的工作過程可以分為三部分:高溫高壓的工作流體在噴嘴內(nèi)部的絕熱膨脹過程;混合室中工作流體和引射流體的混合過程;擴(kuò)散段混合流體的壓縮過程[16]。圖1所示為噴射器工作過程中沿噴射器軸向靜壓p和速度w的變化規(guī)律。

圖1 沿噴射器軸向靜壓和速度變化規(guī)律Fig.1 Variation of static pressure and velocity along the ejector axis

1)高溫高壓的工作流體在噴嘴內(nèi)部的絕熱膨脹過程:工作流體進(jìn)入噴嘴，該過程中流體的靜壓能和熱能轉(zhuǎn)化為動能，在噴嘴出口形成高速低壓流體，低壓對引射流體產(chǎn)生卷吸作用，把引射流體卷吸入接受室中。在該過程中，工作流體通過噴嘴進(jìn)行絕熱膨脹，壓力降低，速度升至超音速。

2)混合室中工作流體和引射流體的混合過程:工作流體從噴嘴流出后，在等截面積混合室的入口截面與引射流體達(dá)到相同壓力。在等截面積混合室的入口截面處，速度場很不均勻。工作流體擁有較大的平均速度wP2，成為中心流體;引射流體有較小速度wH2，成為周邊流體。在圓柱型混合室中，流體為超音速流體，會產(chǎn)生激波，從而使壓力階躍性升高，經(jīng)過激波后，混合流體的速度降為亞音速。

3)擴(kuò)散段中混合流體的壓縮過程:工作流體和引射流體在混合室混合后進(jìn)入擴(kuò)散段。在擴(kuò)散段中，混合流體速度逐漸減小，動能轉(zhuǎn)化為壓力能，壓力逐漸上升。

2 實驗裝置和測量儀表

為進(jìn)行噴射器極限工況的實驗研究，本文自行設(shè)計并搭建了噴射式制冷系統(tǒng)實驗裝置?；趧恿渴睾?、能量守恒和質(zhì)量守恒[17-18]，根據(jù)表1的設(shè)計工況，設(shè)計加工了噴射器。噴射器的尺寸與實物分別如圖2和圖3所示。

表1 實驗裝置噴射器設(shè)計工況Tab.1 Design condition of the ejector in experimental divice

圖2 噴射器結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mm)Fig.2 Geometric representation of the ejector

圖3 噴射器實物Fig.3 Picture of the ejector

噴射式制冷系統(tǒng)噴射器極限工況實驗裝置原理如圖4所示，包括噴射式制冷系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)及恒溫?zé)崴到y(tǒng)。研究表明[19-23]，在驅(qū)動溫度75～80℃條件下，使用R134a噴射器性能高于使用其他工質(zhì)時的性能，故本文采用R134a作為制冷系統(tǒng)工質(zhì)。

實驗步驟如下:由恒溫?zé)崴涮峁崃拷o發(fā)生器，使發(fā)生器中的液態(tài)制冷劑R134a氣化，形成高溫高壓蒸氣，作為工作流體進(jìn)入噴射器，系統(tǒng)運行約30min后，工作流體壓力趨于穩(wěn)定，此時通過改變冷凝器冷卻水流量調(diào)整噴射器出口背壓到實驗設(shè)定值，然后逐漸關(guān)閉噴射器引射流體入口閥門，引射流體壓力先保持不變，待蒸發(fā)器中制冷工質(zhì)完成蒸發(fā)后，壓力下降，并最終穩(wěn)定在一個值。本文分別對不同工作流體壓力和噴射器出口背壓對極限工況噴射器特性的影響進(jìn)行了實驗研究。

圖4 實驗裝置原理Fig.4 Principle of the experimental device

實驗中溫度測量使用T型熱電偶和四線制鉑電阻，壓力測量使用高精度壓力傳感器，制冷劑側(cè)流量測量使用EMERSON MICRO MOTION兩線制科里奧利質(zhì)量流量計，冷卻水和冷凍水流量測量使用玻璃轉(zhuǎn)子流量計，發(fā)生器加熱熱水流量測量使用金屬浮子流量計。實驗裝置中使用由溫度作為反饋的恒溫控制系統(tǒng)保證了發(fā)生器加熱熱水水箱出水口水溫的恒定，波動范圍±1℃。調(diào)節(jié)閥15控制新進(jìn)自來水流量，閥17控制排走的冷卻水回水流量以達(dá)到熱量平衡，保證冷卻水水箱出水口水溫恒定，波動范圍±0.5℃。提供給蒸發(fā)器的加熱量通過調(diào)節(jié)與U型加熱棒相連的調(diào)壓器的加熱電壓實現(xiàn)，穩(wěn)定工況時冷凍水進(jìn)出口溫度波動為±0.5℃。溫度、壓力測量裝置通過與PC機(jī)相連的安捷倫34970A進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄。質(zhì)量流量計通過RS-485轉(zhuǎn)RS-232接口連接到PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄。具體測量裝置參數(shù)見表2。

3 實驗結(jié)果與討論

本文的研究目的是探究以R134a為介質(zhì)的噴射式制冷系統(tǒng)中的噴射器在極限工況下內(nèi)部的工作特性，得到特定工作流體壓力和噴射器出口背壓條件下對應(yīng)的最低引射流體壓力值。主要研究了噴射器工作流體壓力對縮放噴嘴出口背壓的影響，及噴射器出口背壓對混合段壓力提高的影響。

表2 實驗裝置測量參數(shù)Tab.2 Measurement parameters of measure instruments

3.1 工作流體壓力對縮放噴嘴出口背壓的影響

圖5為保持引射流體質(zhì)量流量為零的極限工況下，縮放噴嘴出口背壓pP1隨工作流體壓力pP的變化規(guī)律。圖中，噴射器出口背壓pC變化范圍為0.96～0.66 MPa，當(dāng)噴射器出口背壓不變時，縮放噴嘴出口背壓隨工作流體壓力的增大而減小。

圖5 極限工況下縮放噴嘴出口背壓與工作流體壓力變化規(guī)律Fig.5 Variation of exit-nozzle pressure with primary flow inlet pressure under limiting operating condition

由圖5可知:工作流體壓力相同時，噴射器出口背壓越高，縮放噴嘴出口背壓也越高。因為隨著噴射器出口背壓的升高，噴射器混合段的激波位置會隨之前移，進(jìn)而影響縮放噴嘴出口背壓，使縮放噴嘴出口背壓隨噴射器出口背壓的升高而升高。噴射器縮放噴嘴出口背壓不僅受噴射器工作流體壓力的影響，同時也受噴射器出口背壓的影響。

3.2 噴射器出口背壓對混合段壓力提高程度的影響

圖6為噴射器出口背壓pC對噴射器混合段壓力升高的影響?；旌隙螇毫ι呖山茷閲娚淦鞒隹诒硥簆C與縮放噴嘴出口背壓pP1的差值。由圖6可知，當(dāng)噴射器出口背壓固定時，噴射器工作流體壓力越高，縮放噴嘴出口背壓越低，從而導(dǎo)致混合段壓差越大。

圖6 噴射器出口背壓對混合段壓力升高的影響Fig.6 Effect of ejector back pressure on pressure rise of the mixing section

由圖6可知:當(dāng)噴射器工作流體壓力保持不變時，降低噴射器出口背壓可以使噴射器混合段壓差增大。隨著噴射器出口背壓的降低，激波位置后移，此時噴嘴出口背壓受激波影響減小，壓力降低，但比噴射器出口背壓降低要快，故此時壓差增大。

4 結(jié)論

本文自行設(shè)計并搭建了噴射式制冷系統(tǒng)實驗裝置，對以R134a為制冷劑的噴射器極限工況特性進(jìn)行了實驗研究，得出如下結(jié)論:

1)在保持引射流體質(zhì)量流量為零的極限工況下，噴射器縮放噴嘴出口背壓既受工作流體壓力影響，也受噴射器出口背壓影響。當(dāng)噴射器出口背壓在0.96～0.66 MPa范圍內(nèi)，保持噴射器出口背壓不變，縮放噴嘴出口背壓隨工作流體壓力的增大而減小。

2)引射流體質(zhì)量流量為零的極限工況下，當(dāng)噴射器工作流體壓力在1.6～2.88 MPa范圍內(nèi)保持不變，降低噴射器出口背壓可使噴射器混合段壓差增大。當(dāng)噴射器出口背壓固定，噴射器工作流體壓力越高，縮放噴嘴出口背壓越低，從而導(dǎo)致混合段壓差越大。

3)實驗得到以R134a為制冷劑的固定尺寸噴射器，在工作流體壓力為1.5～3.2 MPa，且噴射器出口背壓在0.66～0.96 MPa范圍內(nèi)，噴射式制冷系統(tǒng)對應(yīng)的最低蒸發(fā)壓力，為實際工程應(yīng)用提供參考。

本文受上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃(10-16-301-801)資助。(The project was supported by the Shanghai Young Teachers′Development Program(No.10-16-301-801).)

[1]NGUYEN V，RIFFAT S.Development of a solar-powered passive ejector cooling system[J].Applied Thermal Engineering，2001，21(2):157-168.

[2]季紅軍，陶樂仁，王金鋒，等.太陽能噴射式制冷系統(tǒng)能耗與經(jīng)濟(jì)性分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報，2008，30(6):511-514.(JI Hongjun， TAO Leren，WANG Jinfeng，et al.Energy consumption and economic analysis of ejector refrigeration driven by solar energy[J].Journal of University of Shanghai for Science and Technology，2008，30(6):511-514.)

[3]張金銳，吳靜怡，EIKEVIK T M.二氧化碳噴射器運行效率的實驗研究[J].制冷學(xué)報，2016，37(3):74-80.(ZHANG Jinrui，WU Jingyi，EIKEVIK T M.Experimental investigation of R744 ejector efficiency[J].Journal of Refrigeration，2016，37(3):74-80.)

[4]CHEN G，XU X，LIU S，et al.An experimental and theoretical study of a CO2ejector[J].International Journal of Refrigeration，2010，33(5):915-921.

[5]WU H， LIU Z，HAN B，et al.Numerical investigation of the influences of mixing chamber geometries on steam ejector performance[J].Desalination，2014，353:15-20.

[6]陳偉雄，陳會強(qiáng)，石朝胤，等.喉嘴距對噴射器性能影響的實驗研究[J].中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報，2016，33(2):253-257.(CHEN Weixiong，CHEN Huiqiang，SHI Chaoyin，et al.Experimental investigation of influences of primary nozzle exit position on ejector performance[J].Journal of University of Chinese Academy of Sciences，2016，33(2):253-257.)

[7]陳洪杰，盧葦，莊光亮.基于實際氣體的圓柱形混合室噴射器設(shè)計及優(yōu)化方法[J].化工學(xué)報，2015，66(10):3881-3887.(CHEN Hongjie，LU Wei，ZHUANG Guangliang.Method for design and optimization of cylindrical mixing chamber ejector based on real gas properties[J].CIESC Journal，2015，66(10):3881-3887.)

[8]祝銀海，姜培學(xué).旁通型噴嘴噴射器的環(huán)隙結(jié)構(gòu)對性能的影響[J].工程熱物理學(xué)報，2015，36(11):2324-2327.(ZHU Yinhai，JIANG Peixue.Investigation of the influence of annular cavity structure on the bypass ejector performance[J].Journal of Engineering Thermophysics，2015，36(11):2324-2327.)

[9]YAN J，CAI W，LI Y.Geometry parameters effect for aircooled ejector cooling systems with R134a refrigerant[J].Renewable Energy，2012，46(5):155-163.

[10]SHESTOPALOV K，HUANG B，PETRENKO V，et al.Investigation of an experimental ejector refrigeration machine operating with refrigerant R245fa at design and off-design working conditions.Part 1.Theoretical analysis[J].International Journal of Refrigeration，2015，55:201-211.

[11]KASPERSKI J，GIL B.Performance estimation of ejector cycles using heavier hydrocarbon refrigerants[J].Applied Thermal Engineering，2014，71(1):197-203.

[12]龔秀峰，李敏霞，馬一太，等.跨臨界CO2蒸氣壓縮/噴射制冷循環(huán)分析[J].工程熱物理學(xué)報，2014(12):2343-2347.(GONG Xiufeng，LI Minxia，MA Yitai，et al.Thermal dynamic analysis of a transcritical CO2vapor compression/ejection refrigeration cycle[J].Journal of Engineering Thermophysics，2014(12):2343-2347.)

[13]龐宗占，馬國遠(yuǎn).噴射器對準(zhǔn)二級壓縮-噴射復(fù)合熱泵系統(tǒng)性能的影響[J].制冷學(xué)報，2007，28(5):26-30.(PANG Zongzhan，MA Guoyuan.Effect of ejector on performance of quasi two-stage compression heat pump system coupled with ejector[J].Journal of Refrigeration，2007，28(5):26-30.)

[14]MATSUO K，SASAGUCHI K，TASAKI k，et al.Investigation of supersonic air ejectors:Part 1.Performance in the case of zero-secondary flow[J].JSME International Journal，1981，24(198):2090-2097.

[15]DESEVAUX P，LANZETTA F.Computational fluid dynamic modeling of pseudoshock inside a zero-secondary flow ejector[J].Aiaa Journal， 2004， 42(7):1480-1483.

[16]矛以惠.吸收式與蒸汽噴射式制冷機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.(MAO Yihui.Absorption and steam ejector refrigerator[M].Beijing:China Machine Press，1985.)

[17]索科洛夫EЯ，津格爾HM.噴射器[M].黃秋云，譯.北京:科學(xué)出版社，1977.(SOKOLOV EЯ，ZINGER HM.Ejector[M].HUANG Qiuyun，translation.Beijing:Science Press，1977.)

[18]ASHRAE.Steam-jet refrigeration equipment.Equipment Handbook[M].Atlanta:ASHRAE Press，1979.

[19]CIZUNGU K，MANI A，GROLL M.Performance comparison of vapour jet refrigeration system with environment friendly working fluids[J].Applied Thermal Engineering，2001，21(5):585-598.

[20]張于峰，趙薇，田琦，等.噴射器性能及太陽能噴射制冷系統(tǒng)工質(zhì)的優(yōu)化[J].太陽能學(xué)報，2007，28(2):130-136.(ZHANG Yufeng，ZHAO Wei，TIAN Qi，et al.Investigation on performance of ejector and optimal refrigerants for solar ejector refrigeration system[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2007，28(2):130-136.)

[21]鄭愛平.利用低品位熱能驅(qū)動的噴射式制冷工質(zhì)[J].化工學(xué)報，2008，59(Suppl.2):246-250.(ZHENG Aiping.Potential energy driving jet refrigerant[J].Journal of Chemical Industry and Engineering(China)，2008，59(Suppl.2):246-250.)

[22]SELVARAJU A，MANI A.Analysis of a vapour ejector refrigeration system with environment friendly refrigerants[J].International Journal of Thermal Science，2004，43(9):915-921.

[23]SELVARAJU A，MANI A.Analysis of an ejector with environment friendly refrigerants[J].Applied Thermal Engineering，2004，24(5/6):827-838.

Experimental Study on Ejector Performance under Limiting Operating Condition

Dai Zhengshu1Chen Guangming2Zhang Hua1Zhang Zheng1Qu Yuecheng1Li Zhonglü1
(1.School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai，200093， China;2.Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology of Zhejiang Province， Institute of Refrigeration and Cryogenics， Zhejiang University， Hangzhou， 310027， China)

TB61+1;TB65

A

2016年12月31日

0253-4339(2017)05-0114-05

10.3969/j.issn.0253-4339.2017.05.114

陳光明，男，教授，浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，(0571)87951680，E-mail:gmchen@zju.edu.cn。 研究方向:低品位熱驅(qū)動制冷。

About the corresponding authorChen Guangming， male，professor， Institute of Refrigeration and Cryogenics， Zhejiang University， +86 571-87951680，E-mail:gmchen@zju.edu.cn.Research fields:low-grade heat-driven refrigeration systems.