運(yùn)行參數(shù)對(duì)噴射器性能影響的數(shù)值研究

曹麗華，畢書揚(yáng)

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

太陽能噴射制冷是借助太陽能集熱器把太陽能收集起來并轉(zhuǎn)化成熱能加以利用，每年輻射到地球上的太陽能總量巨大，但是品味質(zhì)量較低，如果能充分利用，可以很大程度上促進(jìn)節(jié)能減排[1～2].本文提出用噴射器代替常規(guī)制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)，由于該系統(tǒng)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性高，運(yùn)行壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，且只有水泵和工質(zhì)泵是運(yùn)動(dòng)部件，只消耗少量的電能，因此節(jié)能效果顯著.與其它制冷系統(tǒng)不同，該制冷系統(tǒng)可直接利用水等環(huán)境友好型的制冷工質(zhì)，從而避免對(duì)大氣臭氧層的破壞，維護(hù)地球生態(tài)環(huán)境安全.可見，太陽能制冷系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，具有十分廣闊的發(fā)展前景.

圖1 太陽能噴射式制冷系統(tǒng)原理圖

近年來越來越多國內(nèi)外學(xué)者投身于清潔能源的研究[3～4]，尤其在太陽能噴射制冷系統(tǒng)方面取得了巨大進(jìn)步.曹麗華[5]等對(duì)傳統(tǒng)的平板集熱器流道進(jìn)行改進(jìn)，把整體空腔流道改為蛇形流道，提高集熱器效率.馬國強(qiáng)[6]等用實(shí)驗(yàn)方式對(duì)太陽能噴射制冷過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在一定的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的條件下，噴射器對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的發(fā)生條件.張博等[7]對(duì)不同的制冷劑進(jìn)行研究，比較了水與R236fa對(duì)噴射器性能的影響.邵天[8]的研究指出蒸汽噴射器的噴射系數(shù)達(dá)到最大時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的工作蒸汽壓力和噴嘴喉部直徑.楊啟容等[9]的研究指出流線型結(jié)構(gòu)的噴射器能減弱混合過程中的回流現(xiàn)象.李宇[10]分析了新型整流噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)蒸汽噴射器操作性能的影響.Hosseinzadeh等[11]利用CFD軟件對(duì)噴射器進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得出發(fā)生器出口存在一個(gè)最佳的工作條件.祁麗等[12]考慮了工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴射器性能的影響.徐鑫等[13]利用Workbench對(duì)噴射器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，比較了不同壓力下噴射器內(nèi)部流場(chǎng)的變化.

太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的原理圖，如圖1所示.

太陽能噴射制冷系統(tǒng)由太陽能集熱器、發(fā)生器、水泵、噴射器、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器等組成.噴射器是對(duì)系統(tǒng)有著顯著影響的核心組成部件，因此噴射器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究對(duì)于提高太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能具有重要意義.

本文根據(jù)不同的發(fā)生器出口壓力、蒸發(fā)器出口壓力、冷凝器入口壓力、發(fā)生器出口溫度、蒸發(fā)器出口溫度、冷凝器入口溫度等條件進(jìn)行模擬，共得到75個(gè)模擬結(jié)果，在此基礎(chǔ)上分析了這些運(yùn)行參數(shù)對(duì)噴射器性能的影響，研究結(jié)果對(duì)噴射器性能的優(yōu)化改進(jìn)有一定的指導(dǎo)作用.

1 噴射器的數(shù)值研究

1.1 噴射器結(jié)構(gòu)原理

圖2 噴射器平面布局圖

噴射器的結(jié)構(gòu)，如圖2所示[14].發(fā)生器出口流體經(jīng)過縮放噴嘴形成超音速的射流，同時(shí)降低吸收室內(nèi)的流體壓力，進(jìn)而對(duì)從蒸發(fā)器過來的流體產(chǎn)生泵吸作用.兩股流體在接受室內(nèi)混合成為單一均勻工質(zhì)，在擴(kuò)壓室中減速擴(kuò)壓后達(dá)到一定的壓力.冷凝器出口和蒸發(fā)器入口間形成壓差，推動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)，從而達(dá)到制冷的目的.

噴射系數(shù)μ是噴射器經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，噴射系數(shù)μ也會(huì)發(fā)生改變.

噴射系數(shù)μ的定義如下：

1.2 控制方程

噴射器內(nèi)部的流體混合過程應(yīng)滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程[15]，具體如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：α為壓力梯度換算方法的變量；A0為層流和湍流的變量；k為湍流動(dòng)能；σij為湍流粘性應(yīng)力張量.

能量方程：

(3)

式中：E為比內(nèi)能；K為導(dǎo)熱系數(shù)；Jj′為j′組分的擴(kuò)散通量.

1.3 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

考慮到發(fā)生器出口流速遠(yuǎn)大于蒸發(fā)器出口流速，可將蒸發(fā)器出口的側(cè)向入口簡(jiǎn)化成軸向環(huán)形入口，從而利用簡(jiǎn)化的二維軸對(duì)稱模型代替三維模型.在Autocad中畫出二維模型(如圖2)，并在Gambit中采用四邊形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分網(wǎng)格.

表1 四種網(wǎng)格數(shù)量下的計(jì)算結(jié)果

表2 求解模型和邊界條件

圖3 噴射系數(shù)隨發(fā)生器出口流體壓力的變化

經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，如表1所示.6萬網(wǎng)格已達(dá)到計(jì)算要求，再增大網(wǎng)格數(shù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果無影響.為此，本文選取網(wǎng)格數(shù)為63 766.

1.4 求解模型和邊界條件

計(jì)算過程中的湍流模型和邊界條件，如表2所示.

2 數(shù)值結(jié)果模擬分析

2.1 發(fā)生器出口流體壓力對(duì)噴射器性能的影響

圖3給出了當(dāng)蒸發(fā)器出口流體壓力ph為0.07 MPa，冷凝器入口流體壓力pc為0.16 MPa情況下，發(fā)生器出口流體壓力pP從0.30 MPa至0.90 MPa時(shí)，噴射系數(shù)隨發(fā)生器出口流體壓力的變化規(guī)律.

由圖3可知，當(dāng)發(fā)生器出口流體壓力不斷增大時(shí)，噴射系數(shù)先增大后減小.當(dāng)發(fā)生器出口流體壓力pP為0.30 MPa時(shí)，噴射系數(shù)μ=0.15.此時(shí)噴射器的內(nèi)部流動(dòng)還沒有發(fā)展充分.發(fā)生器出口流體核心的動(dòng)量和尺寸較小，只能抽進(jìn)少量的循環(huán)工質(zhì).蒸發(fā)器出口流體的質(zhì)量流量很小，導(dǎo)致噴射器的噴射系數(shù)較小.當(dāng)發(fā)生器出口流體壓力pP從0.30 MPa到0.75 MPa時(shí)，噴射器的內(nèi)部流動(dòng)開始充分發(fā)展.當(dāng)發(fā)生器出口流體壓力pP為0.75 MPa時(shí)，噴射器的內(nèi)部流動(dòng)發(fā)展最充分.此時(shí)發(fā)生器出口流體壓力對(duì)應(yīng)噴射器的最大噴射系數(shù).當(dāng)發(fā)生器出口流體壓力pP大于0.75 MPa時(shí)，發(fā)生器出口流體壓力繼續(xù)升高，發(fā)生器出口流體的動(dòng)量和擴(kuò)張區(qū)域繼續(xù)增大，發(fā)生器出口流體的質(zhì)量流量不斷增大.但是，混合室圓錐段的截面面積和混合室的空間有限，過多的發(fā)生器出口流體會(huì)擠壓蒸發(fā)器出口流體的流動(dòng)空間，加大蒸發(fā)器出口流體抽進(jìn)吸收室的難度，從而減少蒸發(fā)器出口流體的質(zhì)量流量，導(dǎo)致噴射系數(shù)減小.而且，發(fā)生器出口流體壓力過大會(huì)增加噴射泵部分的花費(fèi)，影響噴射器的經(jīng)濟(jì)性.

發(fā)生器出口流體壓力pP不同時(shí)噴射器內(nèi)部的壓力云圖，如圖4所示.

圖4 發(fā)生器出口流體壓力不同時(shí)噴射器內(nèi)部壓力圖

由圖4可知，隨發(fā)生器出口流體壓力的升高，噴嘴出口處流體激波下降，在噴嘴出口處形成低壓，而且壓力梯度比較大，造成噴射器接受室部分的內(nèi)部壓力越來越小，導(dǎo)致更多的蒸發(fā)器出口流體吸入噴射器中，進(jìn)而提高了噴射系數(shù).

圖6 噴射系數(shù)隨冷凝器入口流體壓力的變化

圖7 噴射系數(shù)隨發(fā)生器出口流體溫度的變化

圖8 噴射系數(shù)隨蒸發(fā)器出口流體溫度的變化

圖9 噴射系數(shù)隨冷凝器入口流體溫度的變化

2.2 蒸發(fā)器出口流體壓力對(duì)噴射器性能的影響

圖5給出了當(dāng)發(fā)生器出口流體壓力pP為0.75 MPa，冷凝器入口流體壓力pc為0.16 MPa，蒸發(fā)器出口流體壓力ph從0.05 MPa到0.08 MPa時(shí)，噴射系數(shù)隨發(fā)生器出口流體壓力的變化規(guī)律.

由圖5可知，當(dāng)發(fā)生器出口流體壓力和冷凝器入口流體壓力一定時(shí)，噴射系數(shù)隨蒸發(fā)器出口流體壓力的升高而升高.在噴嘴出口壓力穩(wěn)定的情況下，蒸發(fā)器出口流體壓力增大，導(dǎo)致蒸發(fā)器出口流體的質(zhì)量流量增大，蒸發(fā)器出口和噴嘴出口之間的壓差不斷增大，更多的蒸發(fā)器出口流體被壓入接受室中.因此，提高蒸發(fā)器出口流體壓力可提高噴射系數(shù).但在實(shí)際應(yīng)用中，蒸發(fā)器出口流體壓力往往由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況決定，不能一直增加，故一般不能考慮用提高蒸發(fā)器出口流體壓力的方法來改變噴射器的性能.

2.3 冷凝器入口流體壓力對(duì)噴射器性能的影響

圖6給出了當(dāng)發(fā)生器出口流體壓力pP為0.75 MPa，蒸發(fā)器出口流體壓力ph為0.07 MPa時(shí)，冷凝器入口流體壓力pc從0.10 MPa到0.35 MPa變化的過程中，噴射系數(shù)隨冷凝器入口流體壓力的變化規(guī)律.

噴射器的工作狀況可分為三個(gè)狀態(tài)：分別是壅塞狀態(tài)、亞臨界狀態(tài)和回流狀態(tài).由圖6可知，當(dāng)冷凝器入口流體壓力小于臨界壓力時(shí)，噴射系數(shù)保持不變，噴射器處于壅塞狀態(tài).當(dāng)混合流體壓力大于臨界壓力，隨冷凝器入口流體壓力的增加，發(fā)生器出口流體的核心尺寸不斷減小，抑制了蒸發(fā)器出口流體的吸入，導(dǎo)致噴射系數(shù)不斷減小，此時(shí)為亞臨界狀態(tài).直到噴射系數(shù)成為負(fù)值，噴射器便不能正常工作，此時(shí)為回流狀況.另外基于制冷目的，原則上不應(yīng)該出現(xiàn)冷凝器入口流體壓力低于蒸發(fā)器出口流體壓力的情況，應(yīng)根據(jù)噴射器的實(shí)際工作狀況選擇適宜的冷凝器入口流體壓力.

2.4 發(fā)生器出口流體溫度對(duì)噴射器性能的影響

圖7給出了當(dāng)蒸發(fā)器出口流體溫度Th為418 K，冷凝器入口流體溫度Tc為433 K時(shí)，發(fā)生器出口流體溫度TP從483K到533 K的變化過程中，噴射系數(shù)隨發(fā)生器出口流體溫度的變化規(guī)律.

由圖7可知，發(fā)生器出口流體溫度TP為483 K時(shí)，噴射系數(shù)μ=0.091 5，是發(fā)生器出口流體溫度變化范圍內(nèi)噴射系數(shù)的最低值.當(dāng)發(fā)生器出口流體溫度TP從483 K升高至511 K時(shí)，噴射系數(shù)隨發(fā)生器出口流體溫度升高而升高.當(dāng)發(fā)生器出口流體溫度TP從511 K繼續(xù)升高至533 K時(shí)，噴射系數(shù)隨發(fā)生器出口流體溫度升高而降低.發(fā)生器出口溫度TP到達(dá)511 K時(shí)，噴射系數(shù)到達(dá)最大值.因此，發(fā)生器出口流體溫度對(duì)噴射系數(shù)有極大地影響，盲目提高發(fā)生器出口流體溫度不一定提高噴射系數(shù).當(dāng)發(fā)生器出口流體溫度TP為511 K時(shí)，噴射器性能達(dá)到最優(yōu).

2.5 蒸發(fā)器出口溫度對(duì)噴射器性能的影響

圖8給出了當(dāng)發(fā)生器出口流體溫度TP為483 K，冷凝器入口流體溫度Tc為433 K時(shí)，蒸發(fā)器出口流體溫度Th從423 K到431 K的變化過程中，噴射系數(shù)隨蒸發(fā)器出口流體溫度的變化規(guī)律.

由圖8可知，蒸發(fā)器出口流體溫度Th為423 K時(shí)，噴射系數(shù)μ=0.327 7，當(dāng)蒸發(fā)器出口流體溫度Th在423 K增加到431K時(shí)，噴射系數(shù)是不斷增大的，當(dāng)蒸發(fā)器出口流體溫度Th達(dá)到431 K時(shí)，噴射系數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)μ=0.3367.因此，可通過提升蒸發(fā)溫度來增大噴射系數(shù)，從而改善噴射器的工作狀況.因?yàn)槭艿焦ぷ髑疤岬南薅?，不能一直提高蒸發(fā)溫度.

2.6 冷凝器入口溫度對(duì)噴射器性能的影響

圖9給出了當(dāng)發(fā)生器出口流體溫度TP為483 K，蒸發(fā)器出口流體溫度Th為418 K時(shí)，冷凝器入口流體溫度Tc從438 K到445 K的變化過程中，噴射系數(shù)隨冷凝器入口流體溫度的變化規(guī)律.

冷凝器入口流體溫度Tc為438 K時(shí)，噴射系數(shù)μ=0.442 3.當(dāng)冷凝器入口流體溫度Tc從438 K增加到445 K時(shí)，噴射系數(shù)是不斷減小的.當(dāng)冷凝器入口流體溫度Tc為445 K時(shí)，噴射系數(shù)μ=0，此時(shí)噴射器已不能正常工作.因此要想保持噴射器的正常工作，必須使冷凝器入口流體溫度Tc小于445 K.

3 結(jié) 論

(1)蒸發(fā)器出口流體壓力和冷凝器入口流體壓力一定時(shí)，發(fā)生器出口流體壓力存在一個(gè)最優(yōu)值.發(fā)生器出口流體壓力小于最優(yōu)壓力時(shí)，噴射系數(shù)隨發(fā)生器出口流體壓力升高而增加，發(fā)生器出口流體壓力大于最優(yōu)壓力時(shí)，噴射系數(shù)隨發(fā)生器出口壓力的升高而降低.

(2)發(fā)生器出口流體壓力和冷凝器入口流體壓力一定時(shí)，噴射系數(shù)隨蒸發(fā)器出口流體壓力的升高而增加.但是在實(shí)際應(yīng)用中，蒸發(fā)器出口流體壓力往往由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況決定，不能一直增加，故一般不能考慮用提高蒸發(fā)器出口流體壓力的方法來改變噴射器的性能.

(3)發(fā)生器出口流體壓力和蒸發(fā)器出口流體壓力一定時(shí)，噴射系數(shù)隨冷凝器入口流體壓力的升高而降低，原則上冷凝器入口流體壓力應(yīng)高于蒸發(fā)器出口流體壓力，在實(shí)際中應(yīng)合理選擇.

(4)蒸發(fā)器出口流體溫度和冷凝器入口流體溫度一定時(shí)，發(fā)生器出口流體溫度存在一個(gè)最佳值.發(fā)生器出口流體溫度小于最佳溫度時(shí)，噴射系數(shù)隨發(fā)生器出口流體溫度升高而增加，發(fā)生器出口溫度大于最佳溫度時(shí)，噴射系數(shù)隨發(fā)生器出口溫度的升高而降低.因此，不能通過一味提高發(fā)生器出口流體溫度來增加噴射系數(shù).

(5)隨著蒸發(fā)器出口流體溫度的升高和冷凝器入口流體溫度的降低，噴射系數(shù)逐漸增加.