喷射器极限工况特性实验研究

戴征舒陈光明张华张峥瞿悦呈李忠律

(1上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093;2浙江大学制冷与低温研究所浙江省制冷与低温技术重点实验室 杭州 310027)

喷射器极限工况特性实验研究

戴征舒1陈光明2张华1张峥1瞿悦呈1李忠律1

(1上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093;2浙江大学制冷与低温研究所浙江省制冷与低温技术重点实验室 杭州 310027)

喷射器作为热驱动喷射式制冷系统的核心部件，其性能会影响整个制冷系统的运行效率。极限工况是指喷射器从可以工作状态到不能工作状态的极端工况，对该工况下喷射器的特性研究具有重要意义。本文自行设计并搭建了以R134a为制冷剂的喷射式制冷系统极限工况的实验装置，分别对引射流体质量流量为零的极限工况下不同喷射器工作流体压力及喷射器出口背压对缩放喷嘴出口背压的影响规律进行了实验研究。结果表明:极限工况下，喷嘴出口背压同时受工作流体压力和喷射器出口背压的影响，随工作流体压力升高而降低，随喷射器出口背压升高而升高。同时，得到该喷射器在工作流体压力为1.5～3.2 MPa，且喷射器出口背压在0.66～0.96 MPa范围内的最低引射流体压力，为工程应用提供参考。

制冷系统;喷射器;试验工况;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

随着低品位能源利用的兴起，热驱动喷射式制冷系统以体积小、结构简单、初投资低、运行可靠、几乎不需要维护[1-2]等诸多优点而备受关注。

喷射器是喷射式制冷系统的核心部件，其性能直接影响整个系统的运行效率。喷射系数是表征喷射器性能的重要指标之一，定义为单位质量工作流体通过喷射器所能卷吸的引射流体的流量，它在数值上等于引射流体的质量流量与工作流体的质量流量之比。在固定喷射器的工作流体压力和出口背压条件下，喷射系数随喷射器引射流体压力的增大而增大;反之，喷射系数随引射流体压力的减小而减小，当引射流体压力降低到一定值时，喷射系数为零，没有引射流体被卷吸入喷射器，此工况称为喷射器引射流体质量流量为零的极限工况。极限工况对应的引射流体压力就是该喷射器在特定工作流体压力和出口背压前提下能够工作的最低压力。

在公开发表的文献中，主要集中在对喷射器性能的研究[3-8]和喷射式制冷系统性能的研究[9-13]，对喷射器引射流体质量流量为零的极限工况研究鲜有报道。目前，仅有极少数文献[14-15]对超音速空气介质喷射器极限工况进行了研究，而对喷射式制冷系统中以R134a为介质的喷射器极限工况特性研究未见报道。

本文自行设计并搭建了喷射式制冷系统实验装置，对特定工作流体压力和喷射器出口背压工况下的极限工况进行了实验研究，得到喷射式制冷系统在特定工况下的最低蒸发压力，为实际工程应用提供参考。

1 喷射器工作原理

喷射器的工作过程可以分为三部分:高温高压的工作流体在喷嘴内部的绝热膨胀过程;混合室中工作流体和引射流体的混合过程;扩散段混合流体的压缩过程[16]。图1所示为喷射器工作过程中沿喷射器轴向静压p和速度w的变化规律。

图1 沿喷射器轴向静压和速度变化规律Fig.1 Variation of static pressure and velocity along the ejector axis

1)高温高压的工作流体在喷嘴内部的绝热膨胀过程:工作流体进入喷嘴，该过程中流体的静压能和热能转化为动能，在喷嘴出口形成高速低压流体，低压对引射流体产生卷吸作用，把引射流体卷吸入接受室中。在该过程中，工作流体通过喷嘴进行绝热膨胀，压力降低，速度升至超音速。

2)混合室中工作流体和引射流体的混合过程:工作流体从喷嘴流出后，在等截面积混合室的入口截面与引射流体达到相同压力。在等截面积混合室的入口截面处，速度场很不均匀。工作流体拥有较大的平均速度wP2，成为中心流体;引射流体有较小速度wH2，成为周边流体。在圆柱型混合室中，流体为超音速流体，会产生激波，从而使压力阶跃性升高，经过激波后，混合流体的速度降为亚音速。

3)扩散段中混合流体的压缩过程:工作流体和引射流体在混合室混合后进入扩散段。在扩散段中，混合流体速度逐渐减小，动能转化为压力能，压力逐渐上升。

2 实验装置和测量仪表

为进行喷射器极限工况的实验研究，本文自行设计并搭建了喷射式制冷系统实验装置。基于动量守恒、能量守恒和质量守恒[17-18]，根据表1的设计工况，设计加工了喷射器。喷射器的尺寸与实物分别如图2和图3所示。

表1 实验装置喷射器设计工况Tab.1 Design condition of the ejector in experimental divice

图2 喷射器结构尺寸(单位:mm)Fig.2 Geometric representation of the ejector

图3 喷射器实物Fig.3 Picture of the ejector

喷射式制冷系统喷射器极限工况实验装置原理如图4所示，包括喷射式制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统及恒温热水系统。研究表明[19-23]，在驱动温度75～80℃条件下，使用R134a喷射器性能高于使用其他工质时的性能，故本文采用R134a作为制冷系统工质。

实验步骤如下:由恒温热水水箱提供热量给发生器，使发生器中的液态制冷剂R134a气化，形成高温高压蒸气，作为工作流体进入喷射器，系统运行约30min后，工作流体压力趋于稳定，此时通过改变冷凝器冷却水流量调整喷射器出口背压到实验设定值，然后逐渐关闭喷射器引射流体入口阀门，引射流体压力先保持不变，待蒸发器中制冷工质完成蒸发后，压力下降，并最终稳定在一个值。本文分别对不同工作流体压力和喷射器出口背压对极限工况喷射器特性的影响进行了实验研究。

图4 实验装置原理Fig.4 Principle of the experimental device

实验中温度测量使用T型热电偶和四线制铂电阻，压力测量使用高精度压力传感器，制冷剂侧流量测量使用EMERSON MICRO MOTION两线制科里奥利质量流量计，冷却水和冷冻水流量测量使用玻璃转子流量计，发生器加热热水流量测量使用金属浮子流量计。实验装置中使用由温度作为反馈的恒温控制系统保证了发生器加热热水水箱出水口水温的恒定，波动范围±1℃。调节阀15控制新进自来水流量，阀17控制排走的冷却水回水流量以达到热量平衡，保证冷却水水箱出水口水温恒定，波动范围±0.5℃。提供给蒸发器的加热量通过调节与U型加热棒相连的调压器的加热电压实现，稳定工况时冷冻水进出口温度波动为±0.5℃。温度、压力测量装置通过与PC机相连的安捷伦34970A进行数据采集和记录。质量流量计通过RS-485转RS-232接口连接到PC机进行数据采集和记录。具体测量装置参数见表2。

3 实验结果与讨论

本文的研究目的是探究以R134a为介质的喷射式制冷系统中的喷射器在极限工况下内部的工作特性，得到特定工作流体压力和喷射器出口背压条件下对应的最低引射流体压力值。主要研究了喷射器工作流体压力对缩放喷嘴出口背压的影响，及喷射器出口背压对混合段压力提高的影响。

表2 实验装置测量参数Tab.2 Measurement parameters of measure instruments

3.1 工作流体压力对缩放喷嘴出口背压的影响

图5为保持引射流体质量流量为零的极限工况下，缩放喷嘴出口背压pP1随工作流体压力pP的变化规律。图中，喷射器出口背压pC变化范围为0.96～0.66 MPa，当喷射器出口背压不变时，缩放喷嘴出口背压随工作流体压力的增大而减小。

图5 极限工况下缩放喷嘴出口背压与工作流体压力变化规律Fig.5 Variation of exit-nozzle pressure with primary flow inlet pressure under limiting operating condition

由图5可知:工作流体压力相同时，喷射器出口背压越高，缩放喷嘴出口背压也越高。因为随着喷射器出口背压的升高，喷射器混合段的激波位置会随之前移，进而影响缩放喷嘴出口背压，使缩放喷嘴出口背压随喷射器出口背压的升高而升高。喷射器缩放喷嘴出口背压不仅受喷射器工作流体压力的影响，同时也受喷射器出口背压的影响。

3.2 喷射器出口背压对混合段压力提高程度的影响

图6为喷射器出口背压pC对喷射器混合段压力升高的影响。混合段压力升高可近似为喷射器出口背压pC与缩放喷嘴出口背压pP1的差值。由图6可知，当喷射器出口背压固定时，喷射器工作流体压力越高，缩放喷嘴出口背压越低，从而导致混合段压差越大。

图6 喷射器出口背压对混合段压力升高的影响Fig.6 Effect of ejector back pressure on pressure rise of the mixing section

由图6可知:当喷射器工作流体压力保持不变时，降低喷射器出口背压可以使喷射器混合段压差增大。随着喷射器出口背压的降低，激波位置后移，此时喷嘴出口背压受激波影响减小，压力降低，但比喷射器出口背压降低要快，故此时压差增大。

4 结论

本文自行设计并搭建了喷射式制冷系统实验装置，对以R134a为制冷剂的喷射器极限工况特性进行了实验研究，得出如下结论:

1)在保持引射流体质量流量为零的极限工况下，喷射器缩放喷嘴出口背压既受工作流体压力影响，也受喷射器出口背压影响。当喷射器出口背压在0.96～0.66 MPa范围内，保持喷射器出口背压不变，缩放喷嘴出口背压随工作流体压力的增大而减小。

2)引射流体质量流量为零的极限工况下，当喷射器工作流体压力在1.6～2.88 MPa范围内保持不变，降低喷射器出口背压可使喷射器混合段压差增大。当喷射器出口背压固定，喷射器工作流体压力越高，缩放喷嘴出口背压越低，从而导致混合段压差越大。

3)实验得到以R134a为制冷剂的固定尺寸喷射器，在工作流体压力为1.5～3.2 MPa，且喷射器出口背压在0.66～0.96 MPa范围内，喷射式制冷系统对应的最低蒸发压力，为实际工程应用提供参考。

本文受上海高校青年教师培养资助计划(10-16-301-801)资助。(The project was supported by the Shanghai Young Teachers′Development Program(No.10-16-301-801).)

[1]NGUYEN V，RIFFAT S.Development of a solar-powered passive ejector cooling system[J].Applied Thermal Engineering，2001，21(2):157-168.

[2]季红军，陶乐仁，王金锋，等.太阳能喷射式制冷系统能耗与经济性分析[J].上海理工大学学报，2008，30(6):511-514.(JI Hongjun， TAO Leren，WANG Jinfeng，et al.Energy consumption and economic analysis of ejector refrigeration driven by solar energy[J].Journal of University of Shanghai for Science and Technology，2008，30(6):511-514.)

[3]张金锐，吴静怡，EIKEVIK T M.二氧化碳喷射器运行效率的实验研究[J].制冷学报，2016，37(3):74-80.(ZHANG Jinrui，WU Jingyi，EIKEVIK T M.Experimental investigation of R744 ejector efficiency[J].Journal of Refrigeration，2016，37(3):74-80.)

[4]CHEN G，XU X，LIU S，et al.An experimental and theoretical study of a CO2ejector[J].International Journal of Refrigeration，2010，33(5):915-921.

[5]WU H， LIU Z，HAN B，et al.Numerical investigation of the influences of mixing chamber geometries on steam ejector performance[J].Desalination，2014，353:15-20.

[6]陈伟雄，陈会强，石朝胤，等.喉嘴距对喷射器性能影响的实验研究[J].中国科学院大学学报，2016，33(2):253-257.(CHEN Weixiong，CHEN Huiqiang，SHI Chaoyin，et al.Experimental investigation of influences of primary nozzle exit position on ejector performance[J].Journal of University of Chinese Academy of Sciences，2016，33(2):253-257.)

[7]陈洪杰，卢苇，庄光亮.基于实际气体的圆柱形混合室喷射器设计及优化方法[J].化工学报，2015，66(10):3881-3887.(CHEN Hongjie，LU Wei，ZHUANG Guangliang.Method for design and optimization of cylindrical mixing chamber ejector based on real gas properties[J].CIESC Journal，2015，66(10):3881-3887.)

[8]祝银海，姜培学.旁通型喷嘴喷射器的环隙结构对性能的影响[J].工程热物理学报，2015，36(11):2324-2327.(ZHU Yinhai，JIANG Peixue.Investigation of the influence of annular cavity structure on the bypass ejector performance[J].Journal of Engineering Thermophysics，2015，36(11):2324-2327.)

[9]YAN J，CAI W，LI Y.Geometry parameters effect for aircooled ejector cooling systems with R134a refrigerant[J].Renewable Energy，2012，46(5):155-163.

[10]SHESTOPALOV K，HUANG B，PETRENKO V，et al.Investigation of an experimental ejector refrigeration machine operating with refrigerant R245fa at design and off-design working conditions.Part 1.Theoretical analysis[J].International Journal of Refrigeration，2015，55:201-211.

[11]KASPERSKI J，GIL B.Performance estimation of ejector cycles using heavier hydrocarbon refrigerants[J].Applied Thermal Engineering，2014，71(1):197-203.

[12]龚秀峰，李敏霞，马一太，等.跨临界CO2蒸气压缩/喷射制冷循环分析[J].工程热物理学报，2014(12):2343-2347.(GONG Xiufeng，LI Minxia，MA Yitai，et al.Thermal dynamic analysis of a transcritical CO2vapor compression/ejection refrigeration cycle[J].Journal of Engineering Thermophysics，2014(12):2343-2347.)

[13]庞宗占，马国远.喷射器对准二级压缩-喷射复合热泵系统性能的影响[J].制冷学报，2007，28(5):26-30.(PANG Zongzhan，MA Guoyuan.Effect of ejector on performance of quasi two-stage compression heat pump system coupled with ejector[J].Journal of Refrigeration，2007，28(5):26-30.)

[14]MATSUO K，SASAGUCHI K，TASAKI k，et al.Investigation of supersonic air ejectors:Part 1.Performance in the case of zero-secondary flow[J].JSME International Journal，1981，24(198):2090-2097.

[15]DESEVAUX P，LANZETTA F.Computational fluid dynamic modeling of pseudoshock inside a zero-secondary flow ejector[J].Aiaa Journal， 2004， 42(7):1480-1483.

[16]矛以惠.吸收式与蒸汽喷射式制冷机[M].北京:机械工业出版社，1985.(MAO Yihui.Absorption and steam ejector refrigerator[M].Beijing:China Machine Press，1985.)

[17]索科洛夫EЯ，津格尔HM.喷射器[M].黄秋云，译.北京:科学出版社，1977.(SOKOLOV EЯ，ZINGER HM.Ejector[M].HUANG Qiuyun，translation.Beijing:Science Press，1977.)

[18]ASHRAE.Steam-jet refrigeration equipment.Equipment Handbook[M].Atlanta:ASHRAE Press，1979.

[19]CIZUNGU K，MANI A，GROLL M.Performance comparison of vapour jet refrigeration system with environment friendly working fluids[J].Applied Thermal Engineering，2001，21(5):585-598.

[20]张于峰，赵薇，田琦，等.喷射器性能及太阳能喷射制冷系统工质的优化[J].太阳能学报，2007，28(2):130-136.(ZHANG Yufeng，ZHAO Wei，TIAN Qi，et al.Investigation on performance of ejector and optimal refrigerants for solar ejector refrigeration system[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2007，28(2):130-136.)

[21]郑爱平.利用低品位热能驱动的喷射式制冷工质[J].化工学报，2008，59(Suppl.2):246-250.(ZHENG Aiping.Potential energy driving jet refrigerant[J].Journal of Chemical Industry and Engineering(China)，2008，59(Suppl.2):246-250.)

[22]SELVARAJU A，MANI A.Analysis of a vapour ejector refrigeration system with environment friendly refrigerants[J].International Journal of Thermal Science，2004，43(9):915-921.

[23]SELVARAJU A，MANI A.Analysis of an ejector with environment friendly refrigerants[J].Applied Thermal Engineering，2004，24(5/6):827-838.

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

陈光明，男，教授，浙江大学制冷与低温研究所，(0571)87951680，E-mail:gmchen@zju.edu.cn。 研究方向:低品位热驱动制冷。

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.