李 壘 ，李慶普

（1.棗莊學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東棗莊 277160；2.浙江大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，杭州 310058；3.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

隨著能源危機的加深、環(huán)境污染的加重以及新型技術(shù)產(chǎn)業(yè)的興起，地?zé)崮?、太陽能、核能、風(fēng)能等新型潔凈能源逐漸成為研究的重點，而以噴射器為主要載體的低品位能源的利用開發(fā)成為能源節(jié)約研究的不可或缺的部分。

為對相關(guān)領(lǐng)域中噴射器的可行性應(yīng)用提供指導(dǎo)，楊志平等［1-2］基于使用噴射器的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、新型LNG氣化加熱系統(tǒng)研究平臺，對噴射器的使用對系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了研究。此外，為實現(xiàn)噴射器結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計，諸多學(xué)者對試驗變量對噴射器性能的影響同樣做了大量工作。何麗娟等［3-5］分別對工作流體/引射流體的壓力/溫度、冷凝器進(jìn)口壓力、噴射器背壓等工況參數(shù)對噴射器及系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了試驗研究，進(jìn)而為噴射器及系統(tǒng)改進(jìn)的方式提供試驗依據(jù)。而何磊等［6-8］則把研究焦點關(guān)注在噴嘴減縮/漸擴段進(jìn)出口內(nèi)徑及長度、混合室截面內(nèi)徑/長度、擴壓段出口內(nèi)徑及長度等噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)上。此外，王雨風(fēng)等［9］利用FLUENT軟件建立了兩相流CO2噴射器非均相模型，基于噴射器內(nèi)部流場的相變、壓力和速度變化情況，通過噴嘴段結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，實現(xiàn)對噴射器系統(tǒng)性能的高效設(shè)計。為校核設(shè)備運行范圍，戴征舒等［10］在以引射流體質(zhì)量流量為零的極限工況下，對縮放噴嘴的出口背壓受工作流體壓力的影響規(guī)律進(jìn)行了試驗研究。

為充分利用鍋爐余熱，提高能源利用效率，本文以發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度表征工況變量，以噴嘴喉部內(nèi)徑、混合段喉部內(nèi)徑表征噴射器結(jié)構(gòu)變量，以試驗的方式對鍋爐余熱型噴射式制冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究，旨在為系統(tǒng)性能的優(yōu)化提供方向。

1 試驗裝置

鍋爐余熱型噴射式制冷系統(tǒng)試驗臺如圖1所示。系統(tǒng)主要由鍋爐、水泵、發(fā)生器、電磁流量計、噴射器、質(zhì)量流量計、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、過冷器、工質(zhì)泵及一些輔助部件組成。

圖1 噴射式制冷系統(tǒng)試驗臺Fig.1 Experimental bench for ejector refrigeration system

鍋爐內(nèi)膛附有加熱水管，用于吸收鍋爐余熱氣體的熱量，而后，高溫水在水泵的驅(qū)動下流進(jìn)發(fā)生器與噴射式制冷系統(tǒng)中的工質(zhì)進(jìn)行換熱；發(fā)生器內(nèi)工質(zhì)經(jīng)加熱形成高壓高溫氣體，高壓工作流體與低壓引射流體在噴射器內(nèi)相互混合，形成的混合流體經(jīng)質(zhì)量流量計1進(jìn)入冷凝器，其中質(zhì)量流量計1主要適用于測量氣相工質(zhì)質(zhì)量流量，用于測量系統(tǒng)工質(zhì)總質(zhì)量流量，而為增強換熱效果、減小試驗臺占地空間，冷凝器選用微通道換熱器，并使用變頻風(fēng)機對換熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)設(shè)備性能的最優(yōu)化；為增強質(zhì)量流量計2測量精度，避免工質(zhì)泵發(fā)生氣蝕，特別設(shè)計了過冷器用于對工質(zhì)進(jìn)行過冷處理；由過冷器分出的兩股工質(zhì)，一股經(jīng)工質(zhì)泵升壓流進(jìn)發(fā)生器，一股經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓流入蒸發(fā)器，與載冷劑進(jìn)行換熱，表達(dá)制冷效果。自此完成整個系統(tǒng)循環(huán)。

試驗使用電磁流量計對鍋爐熱水流量進(jìn)行測量，而使用質(zhì)量流量計對工質(zhì)流量進(jìn)行測量，其中質(zhì)量流量計1為氣相流量計，質(zhì)量流量計2為液相流量計，用于測量引射流體質(zhì)量流量；此外，使用壓力變送器、鉑電阻對管路內(nèi)工質(zhì)、水壓力、溫度進(jìn)行測量。使用三維利空軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，各測量元件詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 各測量參數(shù)相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of the measurement equipment

為詳細(xì)分析系統(tǒng)內(nèi)不同設(shè)備對工質(zhì)的作用效果，對系統(tǒng)不同管路內(nèi)工質(zhì)的壓焓物性進(jìn)行了分析，如圖2所示。由圖可知，工質(zhì)在發(fā)生器內(nèi)為等壓吸熱過程，其焓值隨換熱量的增加而增大，形成工作流體；工質(zhì)在噴射器噴嘴內(nèi)的流動為等焓降壓過程，工質(zhì)雖然在流動過程中速度逐漸增大，但其總體能量保持不變；在噴射器混合段，由蒸發(fā)器流出的引射流體與噴嘴出口處的工作流體相互混合，完成流體能量、熱量的交換，此過程為等壓混合過程，如圖中圓圈所示；在噴射器內(nèi)擴壓段，混合流體壓力升高，形成中壓流體流進(jìn)冷凝器，而工質(zhì)在冷凝器、過冷器的換熱過程為等壓散熱過程；由過冷器分出的兩股工質(zhì)，一股經(jīng)工質(zhì)泵作用流經(jīng)發(fā)生器，在泵的驅(qū)動下，工質(zhì)壓力升高且焓值增大，這是因為工質(zhì)在流經(jīng)工質(zhì)泵時部分機械功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使工質(zhì)焓值增大，一股經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓流經(jīng)蒸發(fā)器，膨脹閥的節(jié)流過程為等焓過程，即工質(zhì)與外界環(huán)境并不發(fā)生換熱過程；蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)與載冷劑進(jìn)行換熱，此過程為等壓散熱過程。

圖2 噴射式制冷系統(tǒng)壓焓曲線Fig.2 Pressure-enthalpy curve of ejector refrigeration system

2 噴射器

在噴射式制冷系統(tǒng)中，作為核心元件的噴射器，本質(zhì)而言，類似于制冷系統(tǒng)中的壓縮機，是系統(tǒng)內(nèi)主要的升壓元件。噴射器主要由噴嘴、卷吸室、混合室、擴壓室等主要部分組成，兩股流體在其內(nèi)部混合，進(jìn)行能量、動量交換。其中，高壓流體為工作流體，低壓流體為引射流體，工作流體與引射流體相互混合，在進(jìn)行能量交換的同時，最終形成一股特定壓力下的混合流體，噴射進(jìn)入冷凝器，具體如圖3所示。

圖3 噴射器結(jié)構(gòu)及內(nèi)部工質(zhì)流場示意Fig.3 Schematic diagram of ejector structure and working medium flow field

噴嘴主要由漸縮段、等面積段、漸擴段3個部分組成［11］。其中，在漸縮段內(nèi)，工作流體壓力逐漸降低，流速逐漸增大；在等面積段，工作流體壓力、流速等均保持不變，且此時工作流體達(dá)到聲速；在漸擴段，工作流體速度在此增大，進(jìn)而達(dá)到超聲速狀態(tài)，且壓力再次降低?？傮w而言，工作流體在噴嘴內(nèi)流動是一個壓力降低、速度增加的過程，在噴嘴出口處，工作流體達(dá)到超音速狀態(tài)。

卷吸室內(nèi)，工作流體壓力極低，在流體高低壓差的作用下，由蒸發(fā)器內(nèi)流出的引射流體進(jìn)入卷吸室。兩者在等面積混合段充分混合，進(jìn)而實現(xiàn)能量、熱量的充分交換，最終形成一股能量、熱量分布均勻的單股流體。而在進(jìn)入等面積混合段前，兩種流體由噴嘴流進(jìn)過渡段，為方便計算，在流動過程中假設(shè)工作流體在中心區(qū)流動，而引射流體沿著噴射器壁面呈環(huán)形軸向流動，且此時兩種流體并不發(fā)生能量、熱量交換。

利用擴壓段對混合流體流出壓力進(jìn)行控制，當(dāng)混合流體在等面積混合段出口處為亞音速狀態(tài)時，混合流體在擴壓段內(nèi)壓力逐漸升高，速度逐漸降低，最終達(dá)到a狀態(tài)點；當(dāng)混合流體在等面積混合段出口處達(dá)到音速狀態(tài)時，混合流體在擴壓段內(nèi)壓力逐漸降低，速度逐漸增大，最終達(dá)到超音速狀態(tài)（b狀態(tài)段）。

數(shù)據(jù)分析中，可使用膨脹比（噴嘴前、后工作流體壓力比值）、壓縮比（引射流體壓縮終壓與初壓的比值）、噴射系數(shù)（引射流體與工作流體質(zhì)量流量比值）對噴射器性能分別進(jìn)行評價。

此外，為方便噴射器內(nèi)工質(zhì)流動機制的計算，對噴射器內(nèi)工質(zhì)流動做如下假設(shè)：

（1）流體在噴射器內(nèi)流動為一維、穩(wěn)態(tài)流動；

（2）工作流體與引射流體均可視為飽和蒸汽，且流體在噴射器中的流動為等熵流動；

（3）流體在噴射器內(nèi)的流動損失可分別用其在噴嘴、擴壓室、混合室內(nèi)流動效率進(jìn)行表征。

3 試驗數(shù)據(jù)處理

為實現(xiàn)試驗?zāi)繕?biāo)，主要對蒸發(fā)器、發(fā)生器、冷凝器及工質(zhì)管路內(nèi)的溫度、壓力、流量等進(jìn)行測試，并對水側(cè)溫度、流量進(jìn)行測量，進(jìn)而實現(xiàn)換熱器內(nèi)換熱量的計算。

使用噴射系數(shù)ER評價噴射器性能［12］，表征單位工作流體經(jīng)過噴射可卷吸引射流體的質(zhì)量，即：

式中 m1——混合流體質(zhì)量流量，由質(zhì)量流量計1 測量獲得，kg/s；

m2——引射流體質(zhì)量流量，由質(zhì)量流量計2 測量獲得，kg/s。

使用機械COP對噴射式制冷系統(tǒng)進(jìn)行評價，即蒸發(fā)器換熱量與水泵和工質(zhì)泵功耗之和的比值，即：

式中 Qe——蒸發(fā)器換熱量，W；

Ww，Wr——水泵和工質(zhì)泵耗功，可由所測電壓/電流計算獲得，W。

式中 m2——引射流體質(zhì)量流量，kg/s；

hin，hout——蒸發(fā)器進(jìn)出口工質(zhì)焓值，kJ/kg。

4 試驗結(jié)果分析

在蒸發(fā)溫度、冷凝溫度保持恒定的工況下，發(fā)生溫度對噴射系數(shù)的影響規(guī)律如圖4所示。由圖可知，噴射系數(shù)隨著發(fā)生溫度的升高呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。當(dāng)發(fā)生溫度為80 ℃時，噴射系數(shù)達(dá)到最大值。

圖4 發(fā)生溫度對噴射系數(shù)的影響Fig.4 Influence of generation temperature on the ejection factor

發(fā)生溫度的升高表征噴嘴進(jìn)口處工作流體壓力的增大，而工作流體比容隨壓力的增大而減小，因此工作流體質(zhì)量流量隨發(fā)生溫度的升高而增大；前期階段，發(fā)生溫度的升高不僅可使工作流體質(zhì)量流量增加，還可使工作流體可用能增大，而蒸發(fā)溫度保持不變導(dǎo)致引射流體的驅(qū)動力增大，可使引射流體質(zhì)量流量增大，且其表現(xiàn)出的增加比重大于工作流體，致使噴射系數(shù)隨著發(fā)生溫度的升高而增大；后期階段，雖然工作流體質(zhì)量流量隨發(fā)生溫度的升高而增大，但噴射器混合段結(jié)構(gòu)保持不變，致使工作流體流通面積隨其質(zhì)量流量的增加而增大的同時導(dǎo)致引射流體流通面積減小，雖然流通面積對質(zhì)量流量的影響并不大，但其可間接減小引射流體驅(qū)動力，導(dǎo)致引射流體質(zhì)量流量隨發(fā)生溫度的升高而減小，最終致使噴射系數(shù)隨著發(fā)生溫度的升高而減小。

此外，相同試驗工況下，噴射系數(shù)隨著噴嘴喉部內(nèi)徑的減小而增大。這是因為：噴嘴喉部內(nèi)徑的減小致使工質(zhì)流體流動阻力增大，直接導(dǎo)致工質(zhì)流體質(zhì)量流量降低，且可使工作流體提前到達(dá)聲速，使其在噴嘴出口處流速更大、靜壓更低，間接導(dǎo)致引射流體驅(qū)動力增大、質(zhì)量流量升高，兩者均對噴射系數(shù)的增加起到促進(jìn)效果。

為對系統(tǒng)性能受工況變量的影響進(jìn)行分析，選用機械COP為指標(biāo)對系統(tǒng)性能進(jìn)行評價。發(fā)生溫度對機械COP的影響規(guī)律如圖5所示。由圖可知，與噴射系數(shù)ER相似，機械COP隨著發(fā)生溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，隨噴嘴喉部內(nèi)徑的減小而增大，當(dāng)發(fā)生溫度為80 ℃時，機械COP達(dá)到最大值。

圖5 發(fā)生溫度對機械COP的影響Fig.5 Influence of generation temperature on mechanical COP

試驗主要通過調(diào)節(jié)鍋爐側(cè)水泵運轉(zhuǎn)頻率實現(xiàn)對發(fā)生器換熱量的控制，進(jìn)而實現(xiàn)對發(fā)生溫度的控制，且水泵耗功隨著運轉(zhuǎn)頻率的增大、發(fā)生溫度的升高而增大，此外，系統(tǒng)中工質(zhì)泵功率隨著發(fā)生溫度的升高、工作流體質(zhì)量流量的增大而增加，因此，系統(tǒng)總功耗隨著發(fā)生溫度的升高而增大。在前期階段，引射流體質(zhì)量流量的增大使蒸發(fā)器換熱量增加，且換熱量的增加效果大于功耗的惡化效果，兩者致使機械COP隨發(fā)生溫度的升高而增大；在后期階段，系統(tǒng)功耗仍隨發(fā)生溫度的升高而增加，但引射流體質(zhì)量流量卻隨發(fā)生溫度的升高而減小，使蒸發(fā)器換熱量減小，進(jìn)而致使機械COP隨發(fā)生溫度的升高而減小。

發(fā)生溫度、冷凝溫度保持恒定時，蒸發(fā)溫度對噴射系數(shù)的影響規(guī)律如圖6所示。由圖可知，噴射系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大，且兩者幾乎呈線性正相關(guān)。本質(zhì)而言，工作流體的質(zhì)量流量受蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等工況條件的影響并不大，主要受到噴射器噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計及進(jìn)口狀態(tài)的影響，因此蒸發(fā)溫度對噴射系數(shù)的影響可從引射流體質(zhì)量流量受蒸發(fā)溫度的影響進(jìn)行解釋。蒸發(fā)溫度的升高表征噴射器引射流體進(jìn)口壓力增大，而卷吸室內(nèi)流體壓力環(huán)境變化較小，此將直接導(dǎo)致引射流體驅(qū)動力增大，進(jìn)而使引射流量質(zhì)量流量增加。因此，在工作流量質(zhì)量流量保持不變的前提下，噴射系數(shù)與引射流量呈正相關(guān)，也隨蒸發(fā)溫度的升高而增大。

圖6 蒸發(fā)溫度對噴射系數(shù)的影響Fig.6 Influence of evaporation temperature on the ejection factor

此外，相同試驗工況下，噴射系數(shù)隨著噴射器喉部直徑的增大而增大。雖然喉部直徑并不會對工作流體、引射流體的流動機制產(chǎn)生影響，但喉部直徑的增大致使混合流體流通面積增大，通過影響引射流體的流動分布使引射流體質(zhì)量流量增大。

蒸發(fā)溫度對機械COP的影響規(guī)律如圖7所示。由圖可知，與噴射系數(shù)ER相似，機械COP同樣隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大，隨喉部內(nèi)徑的減小而增大。發(fā)生溫度保持不變時，系統(tǒng)功耗可視為恒定，而蒸發(fā)溫度的升高不僅可使蒸發(fā)器換熱溫差增大，還可使引射流體質(zhì)量流量增加，兩者均可使蒸發(fā)器換熱量增大，最終致使機械COP隨蒸發(fā)溫度的升高而增大。

圖7 蒸發(fā)溫度對機械COP的影響Fig.7 Influence of evaporation temperature on mechanical COP

當(dāng)發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度保持恒定時，冷凝溫度對噴射系數(shù)的影響規(guī)律如圖8所示。由圖可知，對于噴嘴喉部內(nèi)徑為7 mm的噴射器，當(dāng)冷凝溫度小于40 ℃時，噴射系數(shù)值變化并不大（即保持恒定），約為0.142，而當(dāng)冷凝溫度大于40 ℃時，噴射系數(shù)即急劇下降。在采集數(shù)據(jù)中顯示：工作流量質(zhì)量流量大于混合流體質(zhì)量流量，即此時噴射器噴射效果失效。由于冷凝溫度對噴嘴進(jìn)出口處工作流體狀態(tài)、噴射器引射流體進(jìn)口狀態(tài)、卷吸室內(nèi)流體狀態(tài)影響很小，因此冷凝溫度對工作流體、引射流體的質(zhì)量流量影響很小，即此時噴射系數(shù)受冷凝溫度的影響很小。但冷凝溫度的升高使工作流體的可用能減小而引射流體被壓縮至冷凝壓力所需動力更大，最終致使引射流體倒流，噴射器失效。此外，噴射系數(shù)隨冷凝溫度的變化臨界值隨著噴嘴喉部內(nèi)徑的減小而降低，這是因為噴嘴喉部內(nèi)徑的減小使噴嘴出口處工作流體壓力靜壓更低，進(jìn)而使引射流體發(fā)生倒流時對應(yīng)的混合流體壓力更低（冷凝溫度相對降低）。

圖8 冷凝溫度對噴射系數(shù)的影響Fig.8 Influence of condensation temperature on the ejection factor

試驗使用AR（混合段喉部與噴嘴喉部面積比）［13］表征噴射器兩喉部對噴射系數(shù)ER的影響比重，具體試驗結(jié)果如圖9所示。由圖可知，噴射系數(shù)隨著AR的增加而增大，即兩者呈正相關(guān)，這與噴射系數(shù)隨噴嘴喉部內(nèi)徑的減小、噴射器喉部內(nèi)徑的增大而增加的原因相同。此外，當(dāng)AR<8時噴射系數(shù)的增加比重小于AR>8時噴射系數(shù)的增加比重，這是因為：AR<8時，AR主要通過減小噴嘴喉部內(nèi)徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，而AR>8時，AR的增加是由混合段喉部內(nèi)徑的增加導(dǎo)致的，而不同的強化機制致使不同的噴射系數(shù)增加效果。

圖9 AR對噴射系數(shù)的影響Fig.9 Influence of AR on the ejection factor

5 結(jié)論

（1）噴射系數(shù)和機械COP隨發(fā)生溫度的升高呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，且兩者還隨著噴嘴喉部內(nèi)徑的減小、蒸發(fā)溫度的升高、噴射器喉部直徑的增大而增大。

（2）冷凝溫度較低時，冷凝溫度對噴射系數(shù)影響很小，其值基本保持不變，而當(dāng)冷凝溫度超過某一值時，噴射系數(shù)急劇降低，此時噴射器完全失效；噴射系數(shù)隨著AR的增加而增大，其影響機制與噴嘴喉部內(nèi)徑、噴射器喉部內(nèi)徑對噴射系數(shù)的影響相同。