戴征舒陳光明張華張崢瞿悅呈李忠律

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

噴射器作為熱驅動噴射式制冷系統的核心部件，其性能會影響整個制冷系統的運行效率。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。本文自行設計并搭建了以R134a為制冷劑的噴射式制冷系統極限工況的實驗裝置，分別對引射流體質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)律進行了實驗研究。結果表明: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范圍內的最低引射流體壓力，為工程應用提供參考。

制冷系統;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，熱驅動噴射式制冷系統以體積小、結構簡單、初投資低、運行可靠、幾乎不需要維護[1-2]等諸多優(yōu)點而備受關注。

噴射器是噴射式制冷系統的核心部件，其性能直接影響整個系統的運行效率。噴射系數是表征噴射器性能的重要指標之一，定義為單位質量工作流體通過噴射器所能卷吸的引射流體的流量，它在數值上等于引射流體的質量流量與工作流體的質量流量之比。在固定噴射器的工作流體壓力和出口背壓條件下，噴射系數隨噴射器引射流體壓力的增大而增大;反之，噴射系數隨引射流體壓力的減小而減小，當引射流體壓力降低到一定值時，噴射系數為零，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量流量為零的極限工況。極限工況對應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]和噴射式制冷系統性能的研究[9-13]，對噴射器引射流體質量流量為零的極限工況研究鮮有報道。目前，僅有極少數文獻[14-15]對超音速空氣介質噴射器極限工況進行了研究，而對噴射式制冷系統中以R134a為介質的噴射器極限工況特性研究未見報道。

本文自行設計并搭建了噴射式制冷系統實驗裝置，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行了實驗研究，得到噴射式制冷系統在特定工況下的最低蒸發(fā)壓力，為實際工程應用提供參考。

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部的絕熱膨脹過程:工作流體進入噴嘴，該過程中流體的靜壓能和熱能轉化為動能，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，會產生激波，從而使壓力階躍性升高，經過激波后，混合流體的速度降為亞音速。

3)擴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入擴散段。在擴散段中，混合流體速度逐漸減小，動能轉化為壓力能，壓力逐漸上升。

2 實驗裝置和測量儀表

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

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

圖2 噴射器結構尺寸(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、冷卻水系統、冷凍水系統及恒溫熱水系統。研究表明[19-23]，在驅動溫度75～80℃條件下，使用R134a噴射器性能高于使用其他工質時的性能，故本文采用R134a作為制冷系統工質。

實驗步驟如下:由恒溫熱水水箱提供熱量給發(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，作為工作流體進入噴射器，系統運行約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整噴射器出口背壓到實驗設定值，然后逐漸關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，制冷劑側流量測量使用EMERSON MICRO MOTION兩線制科里奧利質量流量計，冷卻水和冷凍水流量測量使用玻璃轉子流量計，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℃。調節(jié)閥15控制新進自來水流量，閥17控制排走的冷卻水回水流量以達到熱量平衡，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)器的加熱量通過調節(jié)與U型加熱棒相連的調壓器的加熱電壓實現，穩(wěn)定工況時冷凍水進出口溫度波動為±0.5℃。溫度、壓力測量裝置通過與PC機相連的安捷倫34970A進行數據采集和記錄。質量流量計通過RS-485轉RS-232接口連接到PC機進行數據采集和記錄。具體測量裝置參數見表2。

3 實驗結果與討論

本文的研究目的是探究以R134a為介質的噴射式制冷系統中的噴射器在極限工況下內部的工作特性，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 結論

本文自行設計并搭建了噴射式制冷系統實驗裝置，對以R134a為制冷劑的噴射器極限工況特性進行了實驗研究，得出如下結論:

1)在保持引射流體質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。當噴射器出口背壓在0.96～0.66 MPa范圍內，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)引射流體質量流量為零的極限工況下，當噴射器工作流體壓力在1.6～2.88 MPa范圍內保持不變，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，噴射式制冷系統對應的最低蒸發(fā)壓力，為實際工程應用提供參考。

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).)

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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.