余熱鍋爐型噴射式制冷系統(tǒng)的工作特性試驗(yàn)研究

李 壘 ，李慶普

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

0 引言

隨著能源危機(jī)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?yáng)能、核能、風(fēng)能等新型潔凈能源逐漸成為研究的重點(diǎn)，而以噴射器為主要載體的低品位能源的利用開(kāi)發(fā)成為能源節(jié)約研究的不可或缺的部分。

為對(duì)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(tái)，對(duì)噴射器的使用對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了研究。此外，為實(shí)現(xiàn)噴射器結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，諸多學(xué)者對(duì)試驗(yàn)變量對(duì)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(duì)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(duì)噴射器及系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，進(jìn)而為噴射器及系統(tǒng)改進(jìn)的方式提供試驗(yàn)依據(jù)。而何磊等［6-8］則把研究焦點(diǎn)關(guān)注在噴嘴減縮/漸擴(kuò)段進(jìn)出口內(nèi)徑及長(zhǎng)度、混合室截面內(nèi)徑/長(zhǎng)度、擴(kuò)壓段出口內(nèi)徑及長(zhǎng)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(chǎng)的相變、壓力和速度變化情況，通過(guò)噴嘴段結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴射器系統(tǒng)性能的高效設(shè)計(jì)。為校核設(shè)備運(yùn)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(duì)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(yàn)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?jī)?nèi)徑、混合段喉部?jī)?nèi)徑表征噴射器結(jié)構(gòu)變量，以試驗(yàn)的方式對(duì)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(yàn)裝置

鍋爐余熱型噴射式制冷系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。系統(tǒng)主要由鍋爐、水泵、發(fā)生器、電磁流量計(jì)、噴射器、質(zhì)量流量計(jì)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、過(guò)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(yàn)臺(tái)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(dòng)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(jì)1進(jìn)入冷凝器，其中質(zhì)量流量計(jì)1主要適用于測(cè)量氣相工質(zhì)質(zhì)量流量，用于測(cè)量系統(tǒng)工質(zhì)總質(zhì)量流量，而為增強(qiáng)換熱效果、減小試驗(yàn)臺(tái)占地空間，冷凝器選用微通道換熱器，并使用變頻風(fēng)機(jī)對(duì)換熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能的最優(yōu)化；為增強(qiáng)質(zhì)量流量計(jì)2測(cè)量精度，避免工質(zhì)泵發(fā)生氣蝕，特別設(shè)計(jì)了過(guò)冷器用于對(duì)工質(zhì)進(jìn)行過(guò)冷處理；由過(guò)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(gè)系統(tǒng)循環(huán)。

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

表1 各測(cè)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(duì)工質(zhì)的作用效果，對(duì)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(guò)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(dòng)為等焓降壓過(guò)程，工質(zhì)雖然在流動(dòng)過(guò)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(guò)程為等壓混合過(guò)程，如圖中圓圈所示；在噴射器內(nèi)擴(kuò)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(guò)冷器的換熱過(guò)程為等壓散熱過(guò)程；由過(guò)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(dòng)下，工質(zhì)壓力升高且焓值增大，這是因?yàn)楣べ|(zhì)在流經(jīng)工質(zhì)泵時(shí)部分機(jī)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(guò)程為等焓過(guò)程，即工質(zhì)與外界環(huán)境并不發(fā)生換熱過(guò)程；蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)與載冷劑進(jìn)行換熱，此過(guò)程為等壓散熱過(guò)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(lèi)似于制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)，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(kuò)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(dòng)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(shí)，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(chǎng)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(kuò)段3個(gè)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(shí)工作流體達(dá)到聲速；在漸擴(kuò)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(dòng)是一個(gè)壓力降低、速度增加的過(guò)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(shí)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(guò)渡段，為方便計(jì)算，在流動(dòng)過(guò)程中假設(shè)工作流體在中心區(qū)流動(dòng)，而引射流體沿著噴射器壁面呈環(huán)形軸向流動(dòng)，且此時(shí)兩種流體并不發(fā)生能量、熱量交換。

利用擴(kuò)壓段對(duì)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(shí)，混合流體在擴(kuò)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(diǎn)；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(shí)，混合流體在擴(kuò)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(duì)噴射器性能分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。

此外，為方便噴射器內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)機(jī)制的計(jì)算，對(duì)噴射器內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)做如下假設(shè)：

（1）流體在噴射器內(nèi)流動(dòng)為一維、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；

（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(dòng)為等熵流動(dòng)；

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

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，主要對(duì)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(cè)試，并對(duì)水側(cè)溫度、流量進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)換熱器內(nèi)換熱量的計(jì)算。

使用噴射系數(shù)ER評(píng)價(jià)噴射器性能［12］，表征單位工作流體經(jīng)過(guò)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(jì)1 測(cè)量獲得，kg/s；

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

使用機(jī)械COP對(duì)噴射式制冷系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(cè)電壓/電流計(jì)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(yàn)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(duì)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(shì)。當(dāng)發(fā)生溫度為80 ℃時(shí)，噴射系數(shù)達(dá)到最大值。

圖4 發(fā)生溫度對(duì)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(dòng)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(shí)導(dǎo)致引射流體流通面積減小，雖然流通面積對(duì)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(dòng)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(yàn)工況下，噴射系數(shù)隨著噴嘴喉部?jī)?nèi)徑的減小而增大。這是因?yàn)椋簢娮旌聿績(jī)?nèi)徑的減小致使工質(zhì)流體流動(dòng)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(dòng)力增大、質(zhì)量流量升高，兩者均對(duì)噴射系數(shù)的增加起到促進(jìn)效果。

為對(duì)系統(tǒng)性能受工況變量的影響進(jìn)行分析，選用機(jī)械COP為指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。發(fā)生溫度對(duì)機(jī)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(jī)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(shì)，隨噴嘴喉部?jī)?nèi)徑的減小而增大，當(dāng)發(fā)生溫度為80 ℃時(shí)，機(jī)械COP達(dá)到最大值。

圖5 發(fā)生溫度對(duì)機(jī)械COP的影響Fig.5 Influence of generation temperature on mechanical COP

試驗(yàn)主要通過(guò)調(diào)節(jié)鍋爐側(cè)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)生器換熱量的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)生溫度的控制，且水泵耗功隨著運(yùn)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(jī)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(jī)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(shí)，蒸發(fā)溫度對(duì)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(jì)及進(jìn)口狀態(tài)的影響，因此蒸發(fā)溫度對(duì)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(dòng)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(duì)噴射系數(shù)的影響Fig.6 Influence of evaporation temperature on the ejection factor

此外，相同試驗(yàn)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(huì)對(duì)工作流體、引射流體的流動(dòng)機(jī)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(guò)影響引射流體的流動(dòng)分布使引射流體質(zhì)量流量增大。

蒸發(fā)溫度對(duì)機(jī)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(jī)械COP同樣隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大，隨喉部?jī)?nèi)徑的減小而增大。發(fā)生溫度保持不變時(shí)，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(jī)械COP隨蒸發(fā)溫度的升高而增大。

圖7 蒸發(fā)溫度對(duì)機(jī)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(shí)，冷凝溫度對(duì)噴射系數(shù)的影響規(guī)律如圖8所示。由圖可知，對(duì)于噴嘴喉部?jī)?nèi)徑為7 mm的噴射器，當(dāng)冷凝溫度小于40 ℃時(shí)，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(shí)，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(shí)噴射器噴射效果失效。由于冷凝溫度對(duì)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(duì)工作流體、引射流體的質(zhì)量流量影響很小，即此時(shí)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(dòng)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?jī)?nèi)徑的減小而降低，這是因?yàn)閲娮旌聿績(jī)?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(shí)對(duì)應(yīng)的混合流體壓力更低（冷凝溫度相對(duì)降低）。

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

試驗(yàn)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(duì)噴射系數(shù)ER的影響比重，具體試驗(yàn)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?jī)?nèi)徑的減小、噴射器喉部?jī)?nèi)徑的增大而增加的原因相同。此外，當(dāng)AR<8時(shí)噴射系數(shù)的增加比重小于AR>8時(shí)噴射系數(shù)的增加比重，這是因?yàn)椋篈R<8時(shí)，AR主要通過(guò)減小噴嘴喉部?jī)?nèi)徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，而AR>8時(shí)，AR的增加是由混合段喉部?jī)?nèi)徑的增加導(dǎo)致的，而不同的強(qiáng)化機(jī)制致使不同的噴射系數(shù)增加效果。

圖9 AR對(duì)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(jī)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(shì)，且兩者還隨著噴嘴喉部?jī)?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(shí)，冷凝溫度對(duì)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(guò)某一值時(shí)，噴射系數(shù)急劇降低，此時(shí)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(jī)制與噴嘴喉部?jī)?nèi)徑、噴射器喉部?jī)?nèi)徑對(duì)噴射系數(shù)的影響相同。