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压缩/喷射混合制冷系统喷射器设计及其变工况特性探讨

2021-02-16 来源:小侦探旅游网
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第24卷第6期 应用科学学报 Vo1.24.No.6 NOV.20o6 2006年11月 JOURNAL OF APPLIED SCIENCES 文章编号:0255.8297(2006)06.0642.05 压缩/喷射混合制冷系统喷射器设计 及其变工况特性探讨 刘敬辉, 陈江平, 陈芝久 (上海交通大学制冷与低温研究所,上海200030) 摘要:对压缩/喷射混合制冷循环的喷射器混合室直径的确定方法进行了探讨,并对不同制冷工况下喷射器的工 作特性进行了理论探讨.结果表明:对于一定喷射系数的制冷系统,存在一个最佳喷射器混合室直径。使得压缩/喷 射混合制冷循环的性能最优;当喷射器的运行工况偏离设计工况时,喷射器的制冷量和压缩/喷射混合制冷循环的 理论制冷系数也会偏离设计性能,但压缩/喷射混合制冷系统的理论制冷量随工况的变化比传统制冷系统小. 关键词:制冷系统;喷射器;设计;变工况特性 中图分类号:TB61 文献标志码:A Ejector in Compression/Ejection Hybrid Refrigerator:Design and Performances LIU Jing—hui, CHEN Jiang—ping, CHEN Zhi—jiu (,凡s£如 ofRefrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China) Abstract:This paper presents a method to determine diameter of mixing chamber in the ejector of a vapor compression/ ejection hybrid refrigeration system(VCEHRS),and discusses its performances that vary with the working condition.The results show that an optimum diameter exists,corresponding to the maximum COP of VCEHRS.The performance deviates from the designing target when the working condition varies.The variation of refrigeration capacity of VCEHRS is smaller than that of traditional refrigeration systems. Keywords:refirgeration system;ejector;design;performance varying with working condition 目前制冷系统大多采用的是蒸气压缩式制冷循 环,这种制冷系统采用电能驱动.低的制冷系数意味 着耗费更多的电能,即需要耗费更多的一次能源,产 方式.但喷射器在蒸气压缩式制冷系统中的应用的 研究是从2O世纪8O年代末、9O年代初才开始的, KornhauserH 曾提出一种压缩/喷射混合蒸气压缩制 冷循环,回收膨胀节流损失,使制冷系统的制冷效率 得到提高.喷射器在蒸气压缩式制冷系统应用的研 究日渐成为热点,许多研究表明 ,在制冷系统上 采用喷射器确实可以提高制冷装置的制冷性能. 喷射器在蒸气压缩式制冷系统中有可能用来替 代膨胀阀,回收节流过程的损失,使制冷系统的制冷 系数得到提高.对于在蒸气喷射制冷系统中应用的 生更多的对环境有害的大气污染物.而且随着经济 的发展,能源消耗日益增加,能源供应日趋紧张.随 着人们对低温需求的日益增多,制冷系统的耗电占 日常能源消耗的比例越来越大,无论从节约能源角 度还是从环境保护的角度,都需要提高现有制冷装 置的制冷效率. 喷射器很早就用于低位热源驱动的制冷系 统 ,对于具有废热的场所是一个很好的能源回收 收稿日期:2005.09.16; 修订日期:2005.11.29 气体喷射器设计在很多文献中均有介绍n D].压缩/喷 作者简介:刘敬辉,工程师,博士生,研究方向;制冷装置应用,E-mail:liujinghui@sjtu.edu.cn;陈江平,教授,博导,研究方向:汽车空调、制冷 装置动态特性。E—mail:jpchen@sjtu.edu.on;陈芝久,教授,博导,研究方向;制冷系统节流装置、制冷系统控制,E-mail:zjchen@ 日jtu.cdu.c“ 维普资讯 http://www.cqvip.com

6期 刘敬辉等:压缩/喷射混合制冷系统喷射器设计及其变工况特性探讨 643 射混合式制冷机的喷射器的主流流体为液态制冷剂 (或两相制冷剂),在喷嘴的流动过程中会发生相变. 对于压缩/喷射混合式制冷机上应用的两相液喷射 2喷射器混合室直径确定 喷射器的设计关键是喷嘴和混合室的设计,即 确定喷嘴的临界截面直径和出口截面直径,以及混 合室的直径. 图2为喷射器的示意图,进入喷嘴的液态制冷 剂,在经过喷嘴加速后,从喷嘴出来的是两相制冷 器的设计方法文献中很少有介绍.喷射器设计的关 键参数是确定喷嘴和混合室的尺寸.喷射器喷嘴的 设计已有很多文献对此作过讨论,在此不再赘述.本 文在建立喷射器混合室基本方程的基础上,对喷射 器混合室的直径确定方法进行了探讨.喷射器的变 工况特性是喷射器研究的难点和重点,目前在此方 面的文献还不多见,本文从喷射器混合室基本方程 出发,在基于均相流模型的基础上,对压缩,喷射混 合制冷的喷射器的变工况特性进行了分析. 1 压缩/喷射混合制冷循环 压缩/喷射混合蒸气压缩制冷循环各部件的连 接方式及其在lgp-h图上的表示如图1所示,传统的 制冷循环如图1中1—2—3—4—1所示.与传统蒸 气压缩式制冷循环相比,最大的不同是从冷凝器出 来的高温高压液态制冷剂直接进入喷射器的喷嘴, 在喷嘴内加速降压,将压能转变为速度能,从喷嘴喷 出时制冷剂的速度通常超过声速,压力降到低于蒸 发压力.从喷嘴喷出的低压高速制冷剂引射从蒸发 器出来的低压低温气态制冷剂与其混合,再在喷射 器的扩压室内减速升压,使得速度能转变为压能,从 而使得从蒸发器内出来的制冷剂压力升高,在气液 分离器内进行气液分离后,气态制冷剂进入压缩机, 液态制冷剂再进入蒸发器.这样可以使进入压缩机 的吸气压力高于蒸发压力,以提高制冷系统的效率. 制冷系统存在两个制冷剂环路,循环回路1:1 一2 一3—5—6—7—1 ,循环回路2:8—9—1—6—7—8. evaporator 圉1压缩/喷射混合蒸气压缩制冷循环流程图及其 在lgp-h图上的表示 Fig.1 Flow chart of vapor-compression/ejection hybrid erfrigeration cycle and its descrlptiOil in lg p-h diagram 剂,速度一般超过音速,进入混合室与引射制冷剂混 合,将主流制冷剂的动量传递给引射制冷剂.由于进 入混合室的制冷剂中存在液滴,混合过程中会产生 混合激波… ,使得混合后的制冷剂压力有个突跃. 由于制冷剂通过喷射器的时间非常短,通常认为喷 射器的时间常数为0,其过程为绝热过程. 图2喷射器不意图 Fig.2 Diagram of ejector 对于喷射器混合室内的制冷剂,满足质量守恒、 动量守恒和能量守恒三大定律,根据这三大定律,可 列出方程如下 mP+mH=l0 A “ (1) mP“ +mH“。。+P A +P—A = (mI,+mH)“ +P…A (2) m h +孚)+m h +孚)= (m +mH)( + ) (3) 式中,m 、m 分别是主流流量和引射流流量,A 、 A。 、A 分别是喷嘴出口截面积、引射流流通断面 积、混合室截面积;P、.0、h、“分别是制冷剂的压力、 密度、比焓、速度. 通常在喷射器设计中,喷嘴出口和引射流制冷 剂状态、主流和引射流流量均已知,待求参数为混合 室出口压力P 、速度“ 、密度l0 、比焓h 、出口面 积A 共5个参数,因此还需补充方程. 制冷剂从喷射器出来后进入气液分离器,可认 为是绝热过程,速度降低为0(近似为0),因此此过 程存在以下方程 维普资讯 http://www.cqvip.com

应用科学学报 24卷 hB=h +l,2u: (4) 式中,h 为气液分离器内的制冷剂比焓. 在系统运行稳定的情况下,喷射器的喷射系数 还应满足如下关系 mH“=一1:一=——一l:一—1 (5)、 , 。 mp , 式中, 为喷射系数, 为图l的lgp-h图中背压P 线上7点的干度. 又增加了h 和P 两个未知数.可假定制冷剂 从混合室到气液分离器的过程是一等熵过程,即 5 =sB (6) 加上制冷剂物性方程 h=f(P,p) (7) 则方程封闭,在喷射系数已知时,可以求得混合 室直径. 在实际求解中,可先求出在不同喷射器混合室 直径情况下,喷射器背压随喷射系数的变化关系曲 线簇.作相邻两曲线的切线,这些切线的交点连接起 来得到最佳COP下,喷射器背压和喷射系数的关系 曲线如图3所示. 图3不同混合室直径情况下喷射器背压与喷射系数 的关系 Fig.3 Relationship between the back pressure and the entrainment ratio of the ejector with diferent diameters of mixing chamber 因此在已知设计工况的情况下,可先通过热力 计算得到最佳COP时的喷射系数,再根据喷射系数 查图找到对应的背压值,与此点相切的曲线对应的 混合室直径即为最佳直径. 3喷射器的变工况特性 制冷系统的工况是随时间变化的,对于尺寸一 定的喷射器,偏离设计蒸发温度和冷凝温度的情况 下,喷射器背压、喷射系数、制冷量以及制冷系统的 理论COP怎样变化呢? 根据式(1)~(7),在已知冷凝温度和蒸发温度 的情况下,通过求解方程,可以研究喷射器及压缩, 喷射混合制冷循环的变工况特性. 3.1喷射器随蒸发温度的变工况特性 随蒸发温度的变化,喷射器的背压、喷射系数、 制冷量以及制冷系统的理论COP随蒸发温度的变 化关系,如图4—7所示. 6_5 6・0 5.5 5.0 4.5 l 4.0 璺3.5 一^亳 一0 董 8自口H矗扫口 薹3.0 2_5 2_0 { 图4压缩机吸气压力随蒸发温度的变化关系 Fig.4 Relationship between the suction pressure and the evaporating temperature 图5喷射系数随蒸发温度的变化关系 Fig.5 Relationship between the entrainment ratio and the evaporating temperature 从图4中可以看出,随着蒸发温度的提高,喷射 器的背压升高,但其与蒸发压力的压差却随着蒸发 温度的提高而减小.这是由于在冷凝温度不变的情 况下,主流的流量是一定值(临界截面达到声速后流 量达到最大),喷射器的喷射系数随蒸发温度的提高 而增大(图5),喷射器对引射流体的压缩能力减小. 与传统制冷系统相比,系统的制冷系数(COP)提高 的幅度也相应减小(图7).由于喷射系数随蒸发温 维普资讯 http://www.cqvip.com

6期 刘敬辉等:压缩/喷射混合制冷系统喷射器设计及其变工况特性探讨 645 度而增加,喷射器的制冷量也有所提高,但与传统制 冷系统相比,制冷量的增加是很小的(图6).这对设 计蒸发温度较低的制冷系统来说,达到设定温度的 时间要比传统制冷系统延长.这种特性也有有利的 一面,传统制冷系统在启动过程中,由于蒸发温度较 高,制冷量较大,为了防止引起压缩机超载,压缩机 驱动电机必须选得偏大;而对于压缩/喷射混合制冷 循环系统,电机就可以选得小一些. ≥ 、 营 冀 拿 g∞  苫 一.. v、‘E g g A 图6制冷量随蒸发温度的变化关系 Fig.6 Relationship between the refrigeration capacity and the evaporating temperature 图7系统理论COP随蒸发温度的变化关系 Fig.7 Relationship between the COP and the evaporating temperature 3.2 喷射器随冷凝温度的变工况特性 随冷凝温度的变化,喷射器主流流量、背压、喷 射系数、制冷量以及制冷系统的理论COP随冷凝温 度的变化关系,如图8~12所示. 从图中可以看出,由于冷凝温度的提高,喷射器 的主流制冷剂流量增大(图8),虽然压缩机的耗功 将有所增加,而喷射系数减小(图1O),喷射器的背 压可以升得更高(图9),与传统制冷系统相比,系统 COP的升高幅度基本不受影响(图12).喷射器的制 冷量先是随着冷凝温度的升高而增加,然后减小,在 图8主流制冷剂流量随冷凝温度得变化关系 Fig.8 Relationship between the primary flow and the condensing temperature 鞋,图9压缩机吸气压力随冷凝温度的变化关系 Fig.9 Relationship between the suction pressure and the condensing temperature 图10 喷射系数随冷凝温度的变化关系 Fig.10 Relationship between the entrainment ratio and the condensing temperature 设计冷凝温度时达到最大,但与传统制冷系统相比, 与制冷量随蒸发温度变化情况类似,压缩/喷射制冷 系统的制冷量变化是很小的(图11). 由此可以得出利用喷射器的压缩/喷射混合制 冷系统的特点:与传统制冷系统相比,在不同的蒸发 一0 母luu巨暑一丑口ull 维普资讯 http://www.cqvip.com

应用科每、 量基gg口 占2 圈l1制冷量随冷凝温度的变化关系 Fig.11 Relationship between the refrigeration capacity and the condensing temperature 图l2系统理论COP随蒸发温度的变化关系 Fig.12 Relationship between the COP and the condensing temperature 温度和冷凝温度下,压缩/喷射混合制冷系统的吸气 压力和理论COP均较高;制冷量随蒸发温度和冷凝 温度的变化与传统制冷系统相比是较小,利用喷射器 这一特性可以实现一种近似恒制冷量的制冷系统. 4结论 在喷射器混合室直径一定的情况下,喷射器的 背压随着喷射器的喷射系数的增加而减小,喷射系 数存在一个最大值,当喷射系数超过最大喷射系数 时,喷射器没有升压作用;对于一定喷射系数的制冷 系统,存在一个最佳喷射器混合室直径,使得压缩/ 喷射混合制冷循环的性能最优.当喷射器的运行工 况偏离设计工况时,喷射器的性能也会偏离设计性 能;与传统制冷系统相比,在不同的蒸发温度和冷凝 温度下,压缩/喷射混合制冷系统的吸气压力和COP 均较高;当蒸发温度低于设计蒸发温度和冷凝温度 高于设计冷凝温度时,压缩,喷射混合制冷系统的制 冷量高于传统制冷系统;当蒸发温度高于设计蒸发 学学报 24卷 温度和冷凝温度低于设计冷凝温度时,压缩/喷射混 合制冷系统的制冷量低于传统制冷系统;利用喷射 器的压缩/喷射混合制冷系统的制冷量随工况变化 较小,利用喷射器这一特性可以实现一种近似恒制 冷量的制冷系统,这种特性对于气源热泵系统是非 常有利的. 参考文献: [1]CHUNNANOUD K,APHORNRATANA S.An experimental investigation of a Btea/n ejector refirgerator:the analysis of the pressure proifle along the ejector[J].Applied Thermal Eng/neer/ng,2004,24(3):311—322. 【2 J SELVARAJU A,MANI A.Analysis of a vapour ejector erfirgeration system with enviornment firendly erfirgerants[J]. International Joumal ofThermal Sceinces,2004,43(9):915 —921. [3]SUN Dawen.Comparative study of the performance of fill ejector.refirgeration cycle operating with various refirgerants [J].Energy Conversoin&Management,1999,4a(s):873— 884. [4 J KORNHAUSER A A+The use of an ejector且s refirgerant expander C 1//Proc of 1990 US-NC/lI R-Purdue Refrigeration Conferecne and ASHAE-Purdue CFC Conferer ̄. West Lafayette。1990:10—19. [5]苏跃红,葛新石.双温冰箱压缩,喷射式混合制冷循环 系统德设计和实验研究[J].中国科学技术大学学报。 1998,28(1):115—120. [6]范晓伟,阴建民。陈钟欣.新型压缩,喷射制冷循环系统 德实验研究[J].西安交通大学学报,1997,31(5):6—9. [7]范晓伟,阴建民,刘海峰,陈钟欣.一种新型蒸气压缩/ 喷射混合制冷循环德探讨[J].西安交通大学学报, 1996,30(5):5—10. 【8]WONGWISES S,DISAWAS S.Performance of the wto-phase ejector expansion erfirgeration cycle[J].Internatoianl journal foHeat andMass Transfer,2005,48(2):4282—4286. [9]DISAWAS S,WONGWISES S.Expeirmental investigaiton on the performance of the refirgeration cycle using a two-phase ejector as an expan ̄on device[J J.Interantoinal journal of Refrigeratoin。2OO4,27(6):587—594. [10]茅以惠,余国和.吸收式与蒸气喷射式制冷机[M].北 京:机械工业出版社,1985. [11]HINZE J O.Mixing shock liquid—gas pump[C]IIEuromech Colloqium.No.7,Grenoble:1968. (编辑:曹培华) 

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