液-氣引射制冷系統(tǒng)實驗研究

張智軼，湯劍波，李路遙，王俊杰，陳　華，周　遠

（1.中國科學院理化技術(shù)研究所 低溫工程學重點實驗室，北京　100190；2.天津商業(yè)大學 天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津　300134；3.中國科學院大學，北京　100049）

液-氣引射制冷系統(tǒng)實驗研究

張智軼1，2，湯劍波1，3，李路遙1，3，王俊杰1，陳華2，周遠1

（1.中國科學院理化技術(shù)研究所 低溫工程學重點實驗室，北京100190；2.天津商業(yè)大學 天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津300134；3.中國科學院大學，北京100049）

流體力學伯努力方程表明，采用較高密度的工作流體可以在相同的速度變換下，獲得較大的壓力變化。根據(jù)這一原理，針對液-氣引射制冷系統(tǒng)中的引射器，通過采用高密度的鹽溶液和室溫液態(tài)金屬替代傳統(tǒng)工作流體水來探究高密度工作流體工作過程中系統(tǒng)的運行特性。并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將噴嘴從簡單噴嘴替換成內(nèi)環(huán)型噴嘴，增大喉嘴距等改進措施，提高系統(tǒng)制冷性能。實驗研究發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動流體密度對系統(tǒng)制冷性能具有重要影響；內(nèi)環(huán)型噴嘴較簡單噴嘴具有明顯優(yōu)勢；喉嘴距從5 mm增加到13 mm過程中，系統(tǒng)制冷性能并不是單調(diào)提高的，而在10 mm出現(xiàn)最優(yōu)值；實驗得到了幾種工作流體的制冷特性，為液-氣引射制冷系統(tǒng)的改進提供了參考。

液氣引射器；內(nèi)環(huán)型噴嘴；液態(tài)金屬；引射制冷

0　引言

隨著制冷行業(yè)和引射技術(shù)的發(fā)展，引射器在制冷領(lǐng)域中的應用也愈發(fā)廣泛［1］。常見的有應用噴射制冷使太陽能、工業(yè)廢熱等低品位熱能得到利用，在傳統(tǒng)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)中加裝引射器來提高制冷效率等［2-8］。

引射制冷通常使用鍋爐生產(chǎn)大量的蒸氣，氣體輸送到引射器噴嘴處。由于噴嘴處截面積減小、流速增大而產(chǎn)生低壓。當壓力低于蒸發(fā)器中的壓力時，驅(qū)動制冷劑工質(zhì)參與循環(huán)，產(chǎn)生制冷效果。但氣體作為引射器的驅(qū)動工質(zhì)，在噴嘴處常會處于超音速狀態(tài)而產(chǎn)生巨大的動能耗散，降低了引射器的制冷效率。

1　基本原理

液氣引射器是利用伯努利方程，通過縮小液態(tài)流體的過流面積，將壓力能轉(zhuǎn)化成動能，并在噴嘴產(chǎn)生低壓，引射并將能量傳遞給氣體流體的裝置。陸宏圻等［9］對液氣引射器中的流態(tài)給出了描述，如圖1所示。從噴嘴射流出的液體，通過黏滯力和壓力差的作用，將氣體從吸入室?guī)牒砉?，此時狀態(tài)如圖1Ⅰ段所示，氣液兩相作相對運動，且均為連續(xù)介質(zhì)。相間界面由于外界擾動，在距離噴嘴一定距離后會產(chǎn)生脈動和表面波，并通過紊流擴散作用，其振幅不斷增大。當振幅大于射流半徑時，液體被剪切分散成液滴形式，此時狀態(tài)如圖1Ⅱ段所示。高速運動的液滴通過動量交換，將氣體加速和壓縮。在這段流動過程中，液體變成不連續(xù)介質(zhì)，氣體仍為連續(xù)介質(zhì)。在圖1的Ⅲ段中，氣體被液體粉碎成微小氣泡，液滴重新聚集成為液體，氣泡則分散在液體中成為泡沫流。通過擴壓管時，混合流的動能逐漸轉(zhuǎn)換成壓能，氣體被進一步壓縮。此時液體為連續(xù)介質(zhì)，氣體為分散介質(zhì)。值得注意的是，由于液體比熱容較于氣體大很多，認為氣體是在等溫過程中受到壓縮的。在相同工況下，液氣引射器一般通過兩種途徑獲得更高的效率:（1）增加射流液體和引射氣體之間的接觸面積；（2）保證喉管長度，以使射流液體破碎后的液滴運動完全發(fā)生在喉管內(nèi)。

制冷系統(tǒng)熱力過程如圖2所示。與傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的熱力過程（a-b′-c-d-e）有所不同，應用液氣引射器作為壓縮設備的制冷系統(tǒng)熱力過程為a-b-c-d-e。制冷劑蒸氣在蒸發(fā)器中，被驅(qū)動流體在噴嘴處形成的低壓吸引，由于引射氣體的比熱遠小于驅(qū)動流體的比熱，氣體與液體發(fā)生混合時，氣體溫度迅速從蒸發(fā)溫度升至驅(qū)動流體的溫度，視為等壓過程，制冷劑蒸氣由狀態(tài)點a達到狀態(tài)點b。制冷劑蒸氣，在引射器中由狀態(tài)點b經(jīng)過等溫壓縮后，達到狀態(tài)點c，并進入冷凝器，冷凝成為液體并與驅(qū)動液體分離達到狀態(tài)點d，經(jīng)過節(jié)流裝置節(jié)流后進入蒸發(fā)器達到狀態(tài)點e，制冷劑液體在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，達到狀態(tài)點a，完成熱力循環(huán)。使用引射器作為壓縮設備，將傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷中a-b′-c的絕熱壓縮-等壓冷卻過程，轉(zhuǎn)變?yōu)閍-b-c的等壓升溫-等溫壓縮過程。

圖1　液氣引射器中流態(tài)變化圖

圖2　液氣引射嘴熱力過程圖

2　實驗系統(tǒng)

根據(jù)文獻［10］制作了1臺小型液氣引射器，并搭建了簡單的引射制冷系統(tǒng)，其系統(tǒng)如圖3所示。實驗過程中使用石墨滑片泵驅(qū)動水和不同密度的NaI溶液作為射流液體，以制冷劑異戊烷作為引射工質(zhì)。實驗中用冷水機控制冷凝分離罐中溫度在30℃，水泵的電機功率可調(diào)，使其保持在60 W。蒸發(fā)罐中的冷負荷由1支電加熱棒提供，實驗時電加熱棒沒入制冷劑液體中，并向系統(tǒng)提供0、10、20、30 W的冷負荷。實驗中溫度、壓力的測點布置如圖3所示。溫度測點T1、T2分別伸入蒸發(fā)罐和冷凝分離罐2/3，其余溫度測點貼附于管壁之上，并作隔熱措施。壓力測量點p1、p2的測量值為絕對壓力，p3的測量值為蒸發(fā)罐的真空度。

圖3　液氣引射制冷系統(tǒng)圖

為提高射流液體和引射氣體之間的接觸面積，使用了新形式的內(nèi)環(huán)型噴嘴，如圖4所示。普通噴嘴直徑為3 mm，環(huán)形噴嘴大圓直徑為4 mm。實驗過程中，調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)型噴嘴中心針的位置，使其達到最優(yōu)制冷效果，并與傳統(tǒng)簡單噴嘴比較其制冷性能中的差別。對不同噴嘴結(jié)構(gòu)形式、不同喉嘴距、不同噴射流體密度對系統(tǒng)制冷性能的影響，進行了對比實驗，如表1所示，獲得不同實驗工況下系統(tǒng)的制冷性能。

圖4　噴嘴機構(gòu)形式圖

表1　噴嘴機構(gòu)形式對比實驗

3　實驗分析與討論

圖5為兩種不同噴嘴形式下，以水為驅(qū)動液體，以異戊烷作為制冷劑時，蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)真空度隨冷負荷的變化關(guān)系。隨著冷負荷的增加，兩種噴嘴形式下，蒸發(fā)溫度隨之升高，蒸發(fā)真空度隨之下降，而內(nèi)環(huán)型噴嘴工況較常規(guī)型噴嘴工況變化梯度要小。冷負荷從0 W增加到30 W，每增加10 W，內(nèi)環(huán)型噴嘴工況下溫度分別增加3.3/3.1/2.7℃，真空度分別下降8.4/9.7/8.4 kPa，常規(guī)型噴嘴工況下溫度分別增加5.0/5.5/2.3℃，真空度分別降低14.2/17.4/ 8.1 kPa。

圖5　不同噴嘴形式制冷效果比較曲線圖

隨冷負荷變化，內(nèi)環(huán)型噴嘴工況要比常規(guī)型噴嘴工況溫度變化更小。在無冷負荷時，兩種噴嘴形式獲得相近的最低溫度，而在冷負荷有所增加時，內(nèi)環(huán)型噴嘴均能獲得比常規(guī)型噴嘴更低的溫度和更高的真空度。新形式的內(nèi)環(huán)型噴嘴較常規(guī)型噴嘴可以獲得更好的制冷效果。內(nèi)環(huán)型噴嘴較常規(guī)型噴嘴，在相似過流面積下，使得射流液體與被引射氣體之間的接觸面積增加，提高了液氣引射器的引射效率，使應用內(nèi)環(huán)型噴嘴的工況較常規(guī)噴嘴工況有更好的制冷效果。

另一方面，增大液-氣兩相間的接觸面積會使流動損失增大，對制冷性能產(chǎn)生負面影響。但從實驗結(jié)果看，這一損失并不是影響液氣引射器性能的關(guān)鍵因素。由于與蒸氣引射器相比，液氣引射器驅(qū)動流體的流速較小，形成的流動損失也非常小，并不能夠?qū)ο到y(tǒng)產(chǎn)生非常明顯的負面影響。因此，將常規(guī)型噴嘴改成內(nèi)環(huán)型噴嘴帶來的損失增加的負面影響較小，而接觸面積的增大卻對系統(tǒng)產(chǎn)生了積極的作用，提高了液氣引射制冷的性能。

將引射器噴嘴結(jié)構(gòu)從常規(guī)簡單型噴嘴替換成內(nèi)環(huán)型噴嘴，驅(qū)動射流液體循環(huán)的水泵各負荷工況下?lián)P程的平均值Δp從154.6 kPa升高到185.4 kPa，而此時水泵的電機功率保持在60 W，若認為水泵和電機的效率變化不大，即水泵的有效輸入功率基本不變，可以認為射流液體循環(huán)的體積流量是減小的。水泵電機的電壓從13.88 V降低到12.88 V，從直流電動機的基本方程式［11］中可以看出，電機在輸入功率不變時電壓降低，會導致電機的轉(zhuǎn)矩升高，而轉(zhuǎn)速降低，這也反映出射流液體循環(huán)揚程升高流量減小的變化。系統(tǒng)工作流體體積流量減小，將會減小引射器及系統(tǒng)中動能的耗散，從而提高系統(tǒng)的效率。壓降的升高是引射器效率提高后，單位體積的工作流體攜帶了更多的制冷劑蒸氣，繼而優(yōu)化引射制冷的制冷效果。從圖5可以看出，改變噴嘴結(jié)構(gòu)形式后，在增大了射流液體與引射氣體的接觸面積和減小射流液體流量減小動能耗散的雙重作用下，引射器的效率得到提高，系統(tǒng)的制冷性能得到增強。

圖6所示為不同冷負荷，內(nèi)環(huán)型噴嘴形式下，以水為驅(qū)動液體，蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)真空度隨喉嘴距增加的變化情況。隨著喉嘴距的增加，不同負荷下的蒸發(fā)溫度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，蒸發(fā)真空度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。不同負荷下，蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)真空度都在喉嘴距10 mm處達到最優(yōu)，此時蒸發(fā)溫度為11.2℃，蒸發(fā)真空度為49.9 kPa。喉嘴距從5 mm增加到10 mm，制冷效果不斷優(yōu)化，其原因是隨著喉嘴距的增加，喉管不斷向后推移，從而延長了液滴運動段在喉管中的運動距離，使液滴運動更多發(fā)生在喉管中，使得引射效率增加，制冷能力不斷提高。在喉嘴距從10 mm增至13 mm時，各負荷下的蒸發(fā)溫度升高，蒸發(fā)真空度降低，制冷效果變差，其原因是在這段過程中，射流液體和被引射氣體的混合過程的開始階段從喉管中脫離到引射室中，兩相液體在引射室中發(fā)生混合，在引射室中產(chǎn)生嚴重的回流，堵塞喉管的入口，正常的引射過程遭到破壞，使得效率降低。較長的喉管長度可以確保射流液體和被引射氣體的混合過程完全發(fā)生在喉管之中，但過長的喉管又會增大流動的阻力，因此合適的喉管長度是提高引射效率，提高系統(tǒng)制冷能力的重要因素。

圖7給出射流循環(huán)的壓降和水泵電機電壓隨喉嘴距變化的關(guān)系。喉嘴距從5 mm增加到8 mm時，射流液體循環(huán)壓降Δp減小、電機電壓U上升，經(jīng)過分析，工作流體的體積流量升高。這種變化將會增大引射器中動能的耗散，降低引射器的效率，并使系統(tǒng)的制冷能力減弱。但在圖6中看到，實驗時系統(tǒng)的制冷能力得到增強，這是在改變引射室的尺寸結(jié)構(gòu)后，引射室引起的阻力減小，由于引射室?guī)淼膿p失降低，引起系統(tǒng)壓降降低的同時，提高了系統(tǒng)的制冷性能。喉嘴距從8 mm增加到10 mm時，射流液體循環(huán)的壓降升高、電機電壓降低，此時工作流體的體積流量減小。這種變化將會提高引射器的效率，圖6中喉嘴距發(fā)生這一變化時的溫度降低也反映出這種變化。喉嘴距從10 mm增加到13 mm時，射流液體循環(huán)的壓降減小，電機電壓上升，此時工作流體的體積流量增大，引射器中動能的耗散將會增加，繼而減小引射效率，降低系統(tǒng)制冷性能，圖6可以反應出這種變化。

圖6　不同喉嘴距制冷效果比較曲線圖

圖7　系統(tǒng)揚程和電機電壓隨喉嘴距的變化曲線圖

文獻［12］指出提高射流液體的密度可以提高液氣引射器的壓比。圖8為實驗組在不同冷負荷下，蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)真空度隨射流液體密度變化關(guān)系。隨著射流液體的密度從1.0 kg/L上升到1.5 kg/L，不同冷負荷下蒸發(fā)溫度均經(jīng)歷先升高后降低的變化，蒸發(fā)真空度經(jīng)歷先降低后升高的變化。射流液體密度從1.0 kg/L上升到1.3 kg/L，蒸發(fā)溫度呈上升趨勢，這是由于隨溶液濃度增加，溶液密度增大的同時，溶液的表面張力也在增大［13］，引射器擴壓管流出的液氣兩相流進入分離器后，異戊烷氣泡由于表面張力的作用，很難從液體中分離出來，氣體進入驅(qū)動流體的循環(huán)過程，在引射器噴嘴處，由于較低的壓力，射流液體中的異戊烷氣泡占據(jù)了被引射氣體的體積，使實際引射效率降低，使得制冷效果變差。射流液體密度從1.3 kg/L上升到1.5 kg/L，隨著進一步提高溶液濃度以提高溶液密度，溶液密度增加帶來的優(yōu)化開始顯現(xiàn)，制冷效果得到優(yōu)化。從趨勢上看，進一步增大溶液的密度，系統(tǒng)的制冷能力仍會得到增強。

圖8　不同密度工作流體制冷效果比較曲線圖

圖9為系統(tǒng)揚程和電機電壓隨工作流體密度變化的情況。工作流體密度從1.0 kg/L升高到1.3 kg/L時，工作流體循環(huán)的揚程Δp降低，水泵電機電壓U升高，此時直流電機驅(qū)動的水泵轉(zhuǎn)速應當升高，即工作流體的體積流量上升。但密度升高應當引起工作流體體積流量減小的情況。隨NaI溶液濃度升高，溶液的表面張力也隨之增大，制冷劑異戊烷氣體很難從溶液中分離出來，并隨之進入工作流體循環(huán)，可以認為是由于氣泡混入工作流體循環(huán)中，使得體積流量的升高，并產(chǎn)生圖9中的變化。當密度從1.3 kg/L繼續(xù)升高到1.5 kg/L時，Δp升高、U降低，這是由于進一步提高溶液濃度，溶液密度增加，在循環(huán)中密度的變化得到體現(xiàn)，循環(huán)的體積流量降低，從圖8中也可以看出系統(tǒng)的制冷效果是提高的。

圖10為應用GaInSn液態(tài)金屬和水，在應用內(nèi)環(huán)型噴嘴，5 mm喉嘴距下制冷性能的比較。與水及其鹽溶液相比，GaInSn液態(tài)金屬的密度可以達到6.3 kg/L，而水的鹽溶液密度最高約為2.0 kg/L，僅是GaInSn液態(tài)金屬密度的三分之一。應用液態(tài)金屬作為工作流體，利用其極高的密度，在一定的面積比下，較小的體積流量下即可產(chǎn)生較大的壓降，從而降低噴嘴處流體的流速，減小在引射器中的動能耗散，提高引射器的效率。但在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于液態(tài)金屬易發(fā)生氧化，在流動過程中氧化物與液態(tài)金屬混合，破壞了液態(tài)金屬的流動性，增大系統(tǒng)阻力。液態(tài)金屬在實驗狀態(tài)下易與水發(fā)生反應并產(chǎn)生氫氣，大量不凝性氣體也會對制冷性能產(chǎn)生較明顯的不利影響。液態(tài)金屬較大的表面張力也同樣會產(chǎn)生一些問題。另外，在運行一段時間后，液態(tài)金屬也較易于黏附在管道和水泵的滑片上，使得泵送水而設計的機械泵來驅(qū)動液態(tài)金屬時，電能-機械能的轉(zhuǎn)換效率低，帶來泵葉片的磨損甚至造成泵頭卡死。這都使系統(tǒng)的制冷性能難以提高。因此在驅(qū)動液態(tài)金屬過程中，實驗前應將系統(tǒng)抽真空，保證系統(tǒng)運行過程中無泄漏，并且盡量避免極性或者氧化性的溶液與液態(tài)金屬一起使用。

從圖10中看出，使用液態(tài)金屬作為工作流體，僅在系統(tǒng)冷負荷較小時顯示出優(yōu)于水的制冷性能。在冷負荷為10 W時，其制冷溫度已經(jīng)高于使用水驅(qū)動系統(tǒng)的制冷溫度，并隨著冷負荷的增大，差距也增大。這是由于使用液態(tài)金屬作為驅(qū)動流體，由于其密度與水相比很大，在噴嘴處的流速提高會產(chǎn)生較大的壓力降低，在冷負荷較低時，使蒸發(fā)罐中產(chǎn)生較高的真空度和較低的溫度。另一方面，在引射器結(jié)構(gòu)一定時，其體積引射比也是有限的，而液態(tài)金屬密度較大，體積流量較小，若認為兩種驅(qū)動工質(zhì)運行時體積引射比相差不大，則應用液態(tài)金屬作為驅(qū)動工質(zhì)時，其氣體流量應小于水作為驅(qū)動工質(zhì)時的氣體流量。因此，隨著冷負荷的提高，氣體流量增加，當氣體流量較大時，與水相比液態(tài)金屬并不能使蒸發(fā)罐維持在一個較高的真空度下，繼而使得蒸發(fā)罐溫度與水作為驅(qū)動工質(zhì)時較高。

圖10　GaInSn與水制冷性能比較曲線圖

4　結(jié)論

通過實驗分析傳統(tǒng)簡單噴嘴和內(nèi)環(huán)型噴嘴、不同喉嘴距、不同工作流體密度對應用液氣引射器的制冷系統(tǒng)的制冷效果的影響。通過對噴嘴結(jié)構(gòu)形式的改變和優(yōu)化，將傳統(tǒng)簡單噴嘴改為內(nèi)環(huán)型噴嘴，系統(tǒng)的制冷效果有著明顯的提升；在喉嘴距為10 mm時，系統(tǒng)制冷能力達到最優(yōu)值；變化射流液體的密度，從1.0 kg/L增加到1.5 kg/L，系統(tǒng)制冷性能有先變差再變好的過程，并且從趨勢上看，繼續(xù)增大射流液體的密度，對系統(tǒng)的制冷性能有著積極影響。在使用GaInSn液態(tài)金屬作為工作流體時，由于液態(tài)金屬容易產(chǎn)生較多的問題，并沒有體現(xiàn)出其較大的密度應具有的制冷效果。

通過改變噴嘴結(jié)構(gòu)形式，在一定的過流截面下增加射流液體與被引射氣體的接觸面積，以提高引射器的引射效率；優(yōu)化引射室的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使引射器能提高引射能力；優(yōu)化喉管的形狀，使氣體在喉管中能夠被更有效的壓縮，提高能量的傳輸效率；優(yōu)化氣液分離器，減小射流液體循環(huán)中的含氣量；優(yōu)化水泵形式，使其在運輸高密度流體時仍有較高的效率等手段，使該系統(tǒng)的制冷能力得到提升；深入探究GaInSn液態(tài)金屬的特性，改善其易氧化等不利于應用的特點，使其在提高引射器效率時發(fā)揮應具有的性能。

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EXPERIMENTAL STUDY ON LIQUID-GASEJECTOR REFRIGERATION SYSTEM

ZHANG Zhi-yi1，2，TANG Jian-bo1，3，LILu-yao1，3，WANG Jun-jie1，CHEN Hua2，ZHOU Yuan1
（1.Key Laboratory of Cryogenics，Technical Instituteof Physicsand Chem istry，ChineseAcademy of Sciences，Beijing100190，China；2.Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin300134，China；3.University of ChineseAcademy of Sciences，Beijing100049，China）

BernoulliEquation showsa principle that there isagreater change of pressurewhen ahigh density working fluid is used than a low density fluid under the same change of flow velocity.According to the principle，the study tries to explore theworking performance of the ejector refrigeration system，when theworking fluid ofwater is replaced by room temperature liquidmetaland high density solution.And the study also tries to improve the performancew ith themethod of changing the structure of the nozzle from a simple one to an inside annular structure，and increasing the distance between the nozzle and the entrance ofm ixing chamber.Through experimentstudy it is discovered that there is an important influence on the system performancewhen high density working fluid is used；there is an obvious improvementof the performance when the structure of the nozzle is changed from a simple one to an inside annular structure；there is a peak point when distance between the nozzle and the entrance ofmixing chamber is changed from 5 mm to 13 mm，and the peak pointoccurs at10 mm.The study provide an originalworking performance of different fluids and the experimental phenomena and the results provide a referenceon the improvementof ejector refrigeration system，especially on the flow characteristicsof liquidmetal.

liquid-gasejector；insideannular structure；liquidmetal；ejector refrigeration

TB657

A

1006-7086（2016）03-0181-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.013

2016-03-03

張智軼（1991-），男，北京人，碩士研究生，主要從事空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與優(yōu)化方面的研究。E-mail:z736713156@163.com。