蒸汽喷射式制冷的理论分析与实验研究 董景明.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：113134 蒸汽喷射式制冷的理论分析与实验研究 董景明，马鸿斌，潘新祥，苏风民 (大连海事大学轮机工程学院轮机热能工程研究所 大连 116026) （Tel: 0411 Email: dmudjm@dlmu.edu.cn ） 摘 要：本文对蒸汽喷射式制冷进行了理论建模和实验研究。根据能量方程、动量方程和连续方程，综合考虑喷嘴效率、喷射器效率以及在混合室内混合和扩压器内压力升高过程中的能量损失，建立了新的等压混合模型。为了对所提出的理论模型加以验证，搭建了蒸汽喷射式制冷系统并对该系统在120-135℃的温度范围内进行实验研究。对比结果表明本所提出的理论模型与实验结果之间的误差在4.3%～26.7%的范围内，远优于目前的等压混合模型的模拟计算结果。此外，本文所搭建的蒸汽喷射式制冷系统在工作温度120℃、蒸发温度15℃的情况下，其COP可高达0.66，远远高于文献中的实验结果。本文的研究结果将为高效喷射器的设计提供理论参考。 关键词：喷射式制冷；等压混合模型；理论分析；实验研究 引言 1910年Maurice Leblan 研制了第一台蒸汽喷射制冷系统 [1] 。蒸汽喷射式制冷系统因可以使用工业和太阳能等余热或废热作为驱动能源，水等对环境无污染工质作为制冷剂，系统不含运动部件，结构简单，可靠性高，成本低等优点，在三十年代曾被广泛应用于大型建筑的空调系统。但由于制冷系数（COP）低，限制了其广泛应用，随后被体积紧凑、效率更高的蒸汽压缩式制冷系统取代[2]。随着世界能源的日益匮乏, 人类对能源的需求量逐年增加，蒸汽喷射式制冷技术作为一种利用低品位热能驱动的绿色制冷技术，越来越受到人们的关注。 图1 蒸汽喷射式制冷基本循环系统示意图 如图1所示，蒸汽喷射式制冷系统共由六部分组成：高温蒸发器，喷射器，冷凝器，低温蒸发器，膨胀阀，循环泵。从高温蒸发器出来的高温高压蒸汽作为工作流体，经拉伐尔喷嘴加速为超音速流体。高速的工作流体在喷嘴出口产生低压引射来自低温蒸发器的制冷蒸汽，两种流体在混合室内充分混合。在扩压器中混合流体经历再压缩过程并由超音速减速为亚音速，压力升高。此时混合流体的压力高于引射流体的入口压力，从而完成压缩过程。因此，喷射式制冷系统中的喷射器就相当于压缩式制冷系统中的压缩机。混合流体排至冷凝器中被冷凝为液态。冷凝后的制冷剂一部分经膨胀阀节流降压进入低温蒸发器，另一部分被循环泵升压送回至高温蒸发器完成整个制冷循环。 蒸汽喷射式制冷喷射器数学模型 根据扩压器的不同设计，喷射器的设计可以为两类：等压混合模型和等截面积混合模型[3]。等压混合模型喷射器结构示意图如图2所示。等截面积模型和等压模型最早是由Keenan et al. [4] [5] 提出的。在等压模型中假设工作流体和引射流体在图2中状态2和状态4之间进行等压混合，在状态4和状态5之间产生激波，流体由超音速减速为亚音速，经过状态5的亚音速流体在扩压器中升压。在等截面积混合模型中，两种流体在等截面积的混合室中进行混合。由于采用等压模型所设计的喷射器性能优于等截面积模型，因此目前的研究大多集中在对等压混合模型的研究。根据连续方程、动量方程和能量方程，对喷射器一维数学模型进行研究。为了简化模型，对等压混合模型进行如下假设： 流体在喷射器中为一维稳态流动的理想气体； 假设工作流体和引射流体的分子质量和比热比相同； 工作流体和引射流体均是饱和的，且忽略状态p和状态e的速度； 工作流体在状态p和状态2之间的流动与引射流体在状态e和状态2之间的流动为等熵流动； 工作流体和引射流体在状态2开始混合，在状态4完成混合，在此期间假设压力恒定； 喷嘴、喷射器的效率由能量损失定义： （1） 激波发生在状态4和状态5之间。激波前后的总能量相等。流体在状态4和状态5之间做绝热压缩，状态5和状态c之间做等熵流动。 图2 等压混合模型喷射器结构示意图 蒸汽喷射式制冷制冷系数直接与引射系数有关,其引射系数可以由下式确定, （2） 根据假设条件，工作蒸汽在喷嘴出口即2点处的马赫数，即: （3） 其中，是喷嘴效率。根据连续方程，喷嘴喉部面积可表达为: （4） 其喷嘴出口处的横截面积可写成 （5） 根据工作蒸汽在2点处产生的压力P2，引