胡愛鳳，劉 云

（ 安徽工業(yè)大學(xué)冶金與資源學(xué)院 243000）

0 引言

太陽能制冷系統(tǒng)是以太陽能作為制冷原動(dòng)力的制冷系統(tǒng)。太陽能制冷方式主要有:光伏式、吸收式、吸附式、噴射式。噴射式制冷作為一種節(jié)能環(huán)保的制冷方式，能夠緩解能源短缺和解決環(huán)境問題［1］。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，維護(hù)贊用低，工作穩(wěn)定可靠，具有廣闊的發(fā)展前景。噴射器是太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的核心部件。噴射器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無運(yùn)動(dòng)部件，但由于其內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，流動(dòng)過程的分析和設(shè)計(jì)還不完善，使得噴射器的設(shè)計(jì)方法都較復(fù)雜，難于掌握。

在噴射器的設(shè)計(jì)方面，目前主要有三種方法:

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，經(jīng)典力學(xué)法和氣體動(dòng)力函數(shù)法。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法主要建立在實(shí)驗(yàn)圖表和經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，來計(jì)算噴射器各部分的尺寸。經(jīng)典熱力學(xué)法直接根據(jù)噴射器的熱力過程進(jìn)行計(jì)算，主要建立在熱力學(xué)第一定律和第二定律上，對(duì)噴射器中噴嘴內(nèi)的絕熱膨脹過程和壓縮過程的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，設(shè)計(jì)過程中做了大量的假設(shè)來簡(jiǎn)化模型。氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法是索科洛夫在動(dòng)量守恒的基礎(chǔ)上，引進(jìn)等熵速度，折算速度，相對(duì)速度，相對(duì)壓力，相對(duì)密度等動(dòng)力函數(shù)，把氣體或蒸汽的折算等熵速度與熱力學(xué)參數(shù)相聯(lián)系，并借助自由流束理論推導(dǎo)出了計(jì)算噴射系數(shù)的方法。

噴射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的是確定其噴射系數(shù)。根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)法和定壓混合理論，以VB為工作平臺(tái)，編制了計(jì)算噴射系數(shù)的程序。

1 噴射系數(shù)的計(jì)算

由于噴射器的內(nèi)部流場(chǎng)比較復(fù)雜，超音速氣流、激波的產(chǎn)生都與噴射器的結(jié)構(gòu)有著重要的關(guān)系，為了研究問題的簡(jiǎn)化，噴射器通常利用一維理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要有定壓混合和定常面積混合理論［2］。本文采用的定壓混合理論，即假設(shè)混合是在等截面段定壓混合。為解決流動(dòng)的數(shù)學(xué)描述，同時(shí)提出如下假設(shè):

1)近似認(rèn)為噴射器內(nèi)為理想氣體，忽略流體的徑向不均勻性，流動(dòng)為一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng);

2)假設(shè)工作流體和引射流體在進(jìn)入混合室前至混合室入口截面這一段不混合，工作流體與引射流體為兩股同軸流體;

3)因工作流體入口速度，引射流體入口速度，混合流體出口速度與流體進(jìn)入混合室中的速度相比很小，可忽略不計(jì);

4)混合過程為定壓混合;

5)用φ2(混合室速度系數(shù))修正混合室中因摩擦而引起的動(dòng)量損失，引入一系列的速度系數(shù)φ1、φ3、φ4(工作噴嘴、混合室入口、擴(kuò)散器出口速度系數(shù))對(duì)不等熵的膨脹和壓縮過程進(jìn)行修正［3］。

噴射系數(shù)是評(píng)價(jià)噴射器性能的參數(shù)，是指在一定工況下，單位質(zhì)量工作流體通過噴射器所能抽吸的引射流體的流量，它在數(shù)值上等于引射流體的質(zhì)量流量與工作流體的質(zhì)量流量之比:

式中:mh、mp—引射流體、工作流體的質(zhì)量流量，kg/s。

圖1 噴射器結(jié)構(gòu)示意圖

噴射器的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，圖中，Pp、Ph、Pc—工作流體、引射流體、壓縮流體的壓力;ph2—圓錐形混合室入口引射流體靜壓力;pr—圓錐形混合室出口段混合流體靜壓力;p3—圓柱形混合室出口段混合流體靜壓力。

噴射器的噴射系數(shù)可按如下方程式:

式中:∏*—臨界相對(duì)壓力;∏c2、∏c3—在2－2、3－3截面上混合流體的相對(duì)壓力;、∏h2—在2－2截面上引射流體的相對(duì)壓力;、qh2、qph—在2－2截面上引射流體、工作流體的折算質(zhì)量速度;;qh2可根據(jù)下式計(jì)算:

式中:β—混合室錐形部分的始截面與終截面面積之比;qc3—截面3－3上混合流體的折算質(zhì)量速度。折算質(zhì)量速度是指在給定截面上等熵流動(dòng)流體的質(zhì)量速度與在臨界截面上這種流體的質(zhì)量速度之比。根據(jù)流體的連續(xù)性方程，折算質(zhì)量速度等于流體的臨界截面積與給定截面積之比，折算質(zhì)量速度與折算等熵速度之間的關(guān)系可按下式計(jì)算:

式中:r為絕熱指數(shù)。當(dāng)噴射器工作流體溫度、壓力，引射流體溫度、壓力和出口壓力一定時(shí)，噴射器的噴射系數(shù)隨著qc3的改變而改變，因此，可以通過優(yōu)化qc3，獲得較大的噴射系數(shù)。但噴射系數(shù)的最大值受一定條件限制的，該值不可能超過第一極限狀態(tài)下噴射器的噴射系數(shù)值。所謂第一極限狀態(tài)是指引射流體在混合室的入口與出口之間的某一截面達(dá)到臨界速度的狀態(tài)。氣體噴射器極限狀態(tài)下的噴射系數(shù)計(jì)算如下:

根據(jù)以上計(jì)算公式，噴射系數(shù)的計(jì)算按以下步驟進(jìn)行計(jì)算:

1)在一定范圍內(nèi)給出一系列λc3的值，求出λc3≤1相應(yīng)的qc3;

2)按公式(7)確定unp的值;

3)取u=unp并按公式(5)確定qh2;

4)由qh2根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)函數(shù)求出λh2;

5)按公式(2－4)確定u的值，若u＞unp，則取u=unp;若u＜unp，則重新給定u，繼續(xù)計(jì)算，直到計(jì)算出的u與之前采用的u相吻合，就不再計(jì)算，選擇一個(gè)最大的u作為噴射器的噴射系數(shù)，其對(duì)應(yīng)的λc3為最佳值。程序流程圖如圖2所示。

圖2 噴射系數(shù)計(jì)算程序流程圖

2 噴射系數(shù)計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述流程圖和水蒸汽的熱力學(xué)性質(zhì)，利用VB編寫了噴射器噴射系數(shù)的計(jì)算程序，并利用該程序來分析工作參數(shù)對(duì)噴射系數(shù)的影響。噴射器的性能直接影響著制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)。噴射器的最大噴射系數(shù)主要由噴射器的工作壓力、吸入壓力和出

口壓力來確定，而工作壓力、吸入壓力和出口壓力又可通過相應(yīng)溫度來確定［5］。因此只要給定發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，就可通過程序計(jì)算最大噴射系數(shù)。由于太陽能驅(qū)動(dòng)的噴射系統(tǒng)中，發(fā)生溫度受到太陽能集熱器的限制，難以提高。因此，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度成為影響噴射系數(shù)的主要因素。

根據(jù)冷熱源的溫度以及制冷負(fù)荷，選取制冷系統(tǒng)的發(fā)生溫度范圍在82℃ －92℃之間變化，冷凝溫度范圍在30℃ －40℃之間變化，發(fā)生溫度范圍在0℃－10℃之間變化。計(jì)算結(jié)果如圖3、4、5。

圖3 噴射系數(shù)隨發(fā)生溫度的變化

圖3表示了噴射系數(shù)隨發(fā)生溫度的變化，從圖中可看出噴射系數(shù)隨發(fā)生溫度的升高而增加。當(dāng)冷凝溫度為30℃，蒸發(fā)溫度為10℃時(shí)，發(fā)生溫度從82℃變化到92℃，噴射系數(shù)從0.2978變化到0.3677，發(fā)生溫度每升高1℃，噴射系數(shù)增加0.007。因此，可以通過提高發(fā)生溫度來增加噴射系數(shù)。

圖4 噴射系數(shù)隨冷凝溫度的變化

圖4表示了噴射系數(shù)隨冷凝溫度的變化，從圖中可見，噴射系數(shù)隨冷凝溫度的升高而降低。當(dāng)發(fā)生溫度為90℃，蒸發(fā)溫度為10℃時(shí)，冷凝溫度從30℃變化到40℃，噴射系數(shù)從0.3549變化到0.02618，冷凝溫度每升高1℃，噴射系數(shù)減少0.033。相對(duì)于發(fā)生溫度，冷凝溫度對(duì)噴射系數(shù)的影響更大。在其他條件不變的情況下，適當(dāng)降低冷凝溫度，可以提高噴射系數(shù)。

圖5表示了噴射系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化，從圖中可見噴射系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的升高而增加。當(dāng)發(fā)生溫度為90℃，冷凝溫度為30℃時(shí)，蒸發(fā)溫度從0℃變化到10℃，噴射系數(shù)從0.04096變化到0.3549，蒸發(fā)溫度每升高 1℃，噴射系數(shù)增加0.031。因此，在其他條件不變的條件下，適當(dāng)升高蒸發(fā)溫度可有效增加噴射系數(shù)。圖3、4、5的縱向比較:噴射系數(shù)受冷凝溫度的影響最大，受發(fā)生溫度的影響最小。

圖5 噴射系數(shù)蒸發(fā)溫度的變化

3 結(jié)論

依據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)方法和定壓混合理論，以VB為工作平臺(tái)編制的太陽能熱虹吸自噴射制冷系統(tǒng)的噴射器噴射系數(shù)的計(jì)算程序，能夠較準(zhǔn)確的計(jì)算出噴射器的噴射系數(shù)。在以水為制冷工質(zhì)的不同工況下，計(jì)算得到了不同的噴射系數(shù)。從而為本系統(tǒng)噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

噴射器的噴射系數(shù)隨發(fā)生溫度和蒸發(fā)溫度的升高而增加，隨冷凝溫度的升高而降低。三種溫度對(duì)噴射系數(shù)的影響大小也不同，發(fā)生溫度每升高1℃，噴射系數(shù)增加0.007;蒸發(fā)溫度每升高1℃，噴射系數(shù)增加0.031;冷凝溫度每升高1℃，噴射系數(shù)減少0.033。噴射系數(shù)受發(fā)生溫度的影響較小，受冷凝溫度的影響最大。因此在集熱器溫度難以提高的情況下，可以適當(dāng)提高蒸發(fā)溫度或者降低冷凝溫度來提高噴射器的噴射系數(shù)。

［1］胡愛鳳，鄒琳江.熱虹吸自噴射封閉式制冷系統(tǒng)的進(jìn)展及研究［J］.低溫與超導(dǎo)，2011，39(8):68 －71.

［2］王紅霞.氣體噴射器的設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬研究［D］.南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

［3］施明恒，蔡暉，王興春.熱管噴射式空調(diào)系統(tǒng)中噴射器的研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào).2005，26(6):918－920.

［4］索科洛夫(黃秋云譯).噴射器［M］.北京:科學(xué)出版社，1977.

［5］徐海濤，桑芝福.蒸汽噴射器噴射系數(shù)計(jì)算的熱力學(xué)模型［J］.化工學(xué)報(bào).2004，55(5):704 －711.