热虹吸自喷射式制冷系统中喷射器的设计

胡爱凤

【摘 要】通过分析制冷系统中喷射器截面积设计的气体动力学方法及轴向长度设计的经验公式,得出热虹吸自喷射制冷系统中喷射器的结构设计方案.采用该方案设计制冷负荷为2kW,发生、冷凝、蒸发温度分别为363,303,283 K,水为制冷剂的热虹吸自喷射制冷系统的喷射器.采用Fluent6.3软件模拟出的喷射器进出口温度和压力与所设计的喷射器的给定条件吻合较好,喷射系数的模拟值与计算值相对误差小,为0.8％.结果表明采用此方案设计热虹吸自喷射制冷系统喷射器的可行性.%Based on gas dynamics designing method of ejection sections and empirical formulas of its axial length, a structural design approach was given for the ejection of thermo-siphon self-injection refrigeration system. With refrigerant water, the structure sizes of the ejector of refrigeration load 2 kW were calculated at generator temperature 363 K, condenser temperature 303 K, and evaporator temperature 283 K. The pressure and temperature of imports and exports simulated with Fluent6.3 software are compatible with that of boundary conditions. The relative error of entrainment ratio between simulation and calculation is only 0.8%, which indicates reliability and practicability of this approach. 【期刊名称】《安徽工业大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2013(030)001 【总页数】5页(P29-33)

【关键词】喷射器;制冷系统;热虹吸 【作 者】胡爱凤

【作者单位】安徽工业大学冶金与资源学院,安徽马鞍山243002 【正文语种】中 文 【中图分类】TB6

热虹吸自喷射制冷系统是一种基于热管原理研发的喷射式制冷系统[1]，热管是一种新型的高效传热元件，具有等温性好、导热率高、结构简单等优点[2]。喷射器安置在热管的内部，是热虹吸自喷射式制冷系统的核心部件，其扩压比和喷射系数直接影响进入蒸发器中制冷工质的量，进而影响制冷系统的制冷效果。喷射器结构简单，但其内部流场包含激波、黏性干扰、分离涡、真实气体效应等，作用机理复杂，对其还没有形成完善的设计理论[3]。目前设计喷射器的方法主要有3种，即经验系数法、经典力学法和气体动力学法。经验系数法要求设计人员具有一定的经验，因而它的应用受到；经典热力学法物理意义明确、比较直观且计算简便，主要缺陷在于对混合过程进行了大大的简化；气体动力学法是在动量守恒的基础上，引进折算速度、相对速度、等熵速度、相对压力、相对密度等函数，把气体或蒸气的折算等熵速度与热力学参数相联系，借助自由流束理论推导出喷射系数的方法。采用气体动力学法对喷射器的设计较经典热力学法合理，能够计算出极限压缩比和喷射系数的限定作用，设计的喷射器可用性强[4]。为此，文中根据气体动力学方法，探讨热虹吸自喷射式制冷系统中喷射器的设计方案。第30卷 第1期2013年_1月

1 喷射器结构尺寸的计算

喷射器是完成能量转换的一种装置，即由一定能量(压力和温度)的工作流体将静压能转换为动能，以引射低压低温的流体经过混合室，在扩散室中形成高压高温的流体并射出[5]。喷射器主要由工作喷嘴、混合室、扩散室和接受室组成，其结构如图1。

图1中：pp，ph，pc分别为工作流体、引射流体、压缩流体的压力；Tp，Th，Tc分别为工作流体、引射流体、混合流体的温度；ph2为圆锥形混合室入口引射流体的静压力；pΓ为圆锥形混合室出口段混合流体的静压力；p3为圆柱形混合室出口段混合流体的静压力。

1.1 工作喷嘴截面

计算状态下，喷射器喷嘴中工作流体从喷嘴前的压力pp膨胀到接受室中的压力ph。在大膨胀比(pp/ph＞1/πp*)的气体喷射器中，工作喷嘴通常是缩放形的，即拉法尔喷管的形式。其临界截面（喉部）面积Ap*用流量公式求得

式中：mp为工作流体质量流量；vp*为喷嘴临界截面上工作流体的速度；ρp*为喷嘴临界截面上工作流体的密度;rp*为临界截面处工作流体的绝热指数；πp*为工作流体速度为临界速度时的相对压力。 喷嘴出口截面积Ap1根据连续性方程来确定

式中：vp1为喷嘴出口截面上工作流体的速度;ρp1为喷嘴出口截面上工作流体的密度。由式(1)，(2)可得

式中：ρp为喷嘴前工作流体的密度；λp1为喷嘴出口截面上工作流体的折算等熵速度；εp*为临界相对密度；εp1为喷嘴出口截面相对密度；qp1为喷嘴出口截面

上工作流体的折算质量速度，要计算此值，先计算这个截面上工作流体的相对压力πp1，再用气体动力学法求得。

喷嘴入口截面积Ap根据输入管道中的速度确定

式中vp为工作流体的允许速度，宜取10～30m/s，管道直径较小时取小值。 1.2 混合室截面

混合室分为圆柱段和锥形段。 1)混合室圆柱段面积A3

式中Ac*为压缩流体的临界面积，

式中：vc*为混合室临界截面上工作流体的速度；πc*为混合流体的临界相对压力；u为喷射器的喷射系数；mc为混合流体的质量流量；rc为混合流体的绝热指数。由式(1)，(5)，(6)，当工作流体和引射流体的绝热指数相等时，简化得到下式

式中：qc3为截面3-3上混合流体的折算质量速度；rp为工作流体的绝热指数。 2)混合室锥形段入口截面积A2

混合室入口段截面的大小可根据2-2截面上工作流体和引射流体的截面积之和求得

式中Ap2，Ah2分别为锥形混合室入口工作流体、引射流体所占面积。

式中qph=qh2，为截面2-2上引射流体的折算质量速度。

式中：vh*为在混合室临界截面上引射流体的速度；πh*为引射流体的临界相对压力；mh为混合流体的质量流量；rh为引射流体的绝热指数。

在计算工况下，2-2截面上工作流体压力等于引射流体压力pp2=pp1=ph。在2-2截面上引射流体的压力 ph2=πh2ph。联合式(8)，(9)，(10)可得

式中：。当rp=rh=r时，简化式(11)得到

或直接用以下公式计算

式中：θ为引射流体与工作流体热力学温度之比，θ=v2h*/v2p*；β为混合室锥形部分的始截面与终截面面积之比。 1.3 其它截面

1)扩散室的出口截面积Ac

式中：vc为扩散器出口截面上压缩流体的速度；ρc为扩散器出口截面上压缩流体的密度。2)引射流体入口截面积Ah

式中：mh为引射流体的质量流量；ρh为引射气体的密度；vh为引射气体的允许流速，宜取40～60m/s。 1.4 喷射器的轴向长度

根据文献[6]，喷嘴及混合室各段长度计算可按以下方法：喷嘴喉度l2一般取3～5mm，文中取3mm；喷嘴收缩段长度l1=(1～6)dp*；喷嘴扩散段长度l3由扩散段的锥度确定，锥度一般为1:3～1:4；喷射器的混合室圆柱段长度通常取3～7倍的混合室直径，即Le=(3～7)d3；混合室的收缩段长度Lm=(6～8)d3；扩散

器长度Ld=(5～13)d3。 2 喷射器的设计

某操作间面积为20m2，采用太阳能喷射制冷系统，设计该系统的喷射器。取制冷负荷指标为100W/m2，则其制冷负荷约为2kW。喷射器的喷射系数主要由喷射器的工作压力、吸入压力和出口压力来确定，而工作压力、吸入压力和出口压力可通过相应温度来确定。因此只要给定发生温度、蒸发温度和冷凝温度，就可计算出喷射系数。太阳能驱动的喷射系统中，发生温度受到太阳能集热器的，难以升高，因此蒸发温度和冷凝温度是影响喷射系数的主要因素。根据制冷负荷及冷热源的温度，给定本制冷系统的发生、冷凝、蒸发温度分别为363，303，283 K，查取饱和水蒸气的热物性参数表，得到相应的饱和压力分别为70109，4242，1 227 Pa；水是制冷工质[8]。

首先根据系统制冷负荷确定喷射器的流量，再通过Visual Basic编程计算出此给定工况下的最优喷射系数，结果为0.355，由于篇幅有限在此不再獒述。根据喷射器流量、喷射系数、水蒸气的物性参数，由式(1)～(16)和1.4中的经验公式，计算出喷射器的各部分截面和长度尺寸，设计的喷射器结构尺寸标注如图2，尺寸大小如表1。

表1 喷射器截面半径和长度尺寸(mm)Tab.1_ Sizes of the ejector section radius and length(mm)dp dp* dp1l1l2

l3d2d3dcLeLmLdLhd4_22_46_203_40_30_10_40_60_60100_40_70_ 3 喷射器的数值模拟

计算流体软件FLUENT6.3是一个用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象的专用软件，具有稳定性好、适用范围广、精度高等特点[9]。为验证文中所设计的喷射器结构是否合理，采用Fluent6.3软件对该喷射器的压力场和温度场

进行模拟，模拟步骤如下：

1)在GAMBIT中对喷射器进行区域离散，即网格化，并设定边界条件。喷射器中涉及到超音速流动，因此边界条件设置压力进出口边界条件比较合理，固体壁面采用无反射边界条件。喷射器是对称结构，采用轴对称条件可节省1/2的计算区域； 2)进行网格检查确定最小面积是否为正，对于超音速流动采用k-ε方程进行求解，求解器选择基于密度基的显式较适宜。定义水蒸气的物性参数，包括密度、定压比热、热导率、黏度，Fluent6.3的数据库中存储了水蒸气的相关参数，可直接调用。输入边界条件的值是数值模拟中最关键的一步，对于压力进口边界条件一般需给定边界上的总压和总温，即输入工作、引射流体的总压(70109，1227Pa)和总温(363，283K)。对于压力出口边界条件一般需给定表压和总温，在此输入混合流体的表压(4242 Pa)和总温(303K)；

3）对模型初始化后，进行迭代求解，求解结果如图3，4所示。

从图3可以看出：喷射器内流体的压力分布，较高压力的工作流体引射吸收室的流体，后在混合室混合成均匀的流体，并在扩散室中扩压射出；流体的压力在喷嘴和混合室都发生了较大的变化；进出口处显示的工作压力、引射压力分别为70900，1239Pa，给定的工作压力、引射压力分别为70109，1227Pa，模拟值与给定值吻合较好。从图4可以看出：喷射器内部的温度分布，即较高温度的工作流体引射较低温度的流体后，在混合室中混合成温度均匀的流体，经过扩散室温度得到提高；出口温度为340K，偏大，与给定的出口温度(303K)有一定的误差，但混合流体的温度越高，在冷凝器中冷凝放热效果越好，因此此温度能够满足制冷所需的条件。另根据模拟出的质量流量计算得到喷射器的喷射系数，为0.352，与所设计的喷射器的喷射系数(0.355)相对误差为0.8%，误差较小。这些表明所设计的喷射器结构合理。

4 结 论

1)根据气体动力学方法得出热虹吸自喷射式制冷系统喷射器的截面积设计方法，由经验公式得到喷射器轴向长度的计算方法。采用此方法设计计算出制冷负荷为2 kW，发生、冷凝、蒸发温度分别为363，303，283 K，以水为制冷剂的喷射器结构。

2)数值模拟得到喷射器的进出口温度和压力与所设计喷射器的给定边界条件吻合较好；根据模拟结果计算出的喷射系数与设计所用的喷射系数相对误差为0.8%，验证了文中喷射器设计方法的可靠性。这为低温工况下太阳能喷射制冷系统的设计与研究提供一定的参考。 参考文献：

[1]胡爱凤,邹琳江.热虹吸自喷射封闭式制冷系统的进展及研究[J].低温与超导,2011,39(8):68-71.

[2]胡爱凤.太阳能热管式吸热蓄热器的分析[J].安徽工业大学学报:自然科学版,2011,28(1):31-33.

[3]汤小亮,曹家枞.太阳能喷射式制冷技术进展[J].太阳能技术与产品,2008(4):24-28. [4]田琦.太阳能喷射式制冷[M].北京:科学出版社,2007:98-102. [5]张永兴,张永生,赵成纲,等.蒸气喷射器设计及其计算[J].发酵科技通讯,2011,40(3):3-5.

[6]张博.喷射器与太阳能喷射式制冷系统研究[D].大连:大连理工大学,2002. [7]王红霞.气体喷射器的设计及数值模拟研究[D].南京:南京理工大学,2009. [8]任金禄.水制冷剂压缩式制冷机[J].制冷与空调,2008,6(8):53-59. [9]于勇.Fluent入门与进阶教程[M].北京:北京理工大学出版社,2008:2-3.