CN103148649A - 蒸汽压缩制冷循环系统中喷射器设计方法 - Google Patents

蒸汽压缩制冷循环系统中喷射器设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蒸汽压缩制冷循环系统中喷射器设计方法，将RKS(Redlich-Kwong-Soave)状态方程、两相流声速计算公式以及经典热力学法对喷射器的分析计算结合在一起，利用RKS方程计算制冷剂在循环系统各状态点的物性参数，用声速公式计算喷射器中两相流的声速以及用经典热力学法计算喷射器中绝热膨胀过程和压缩过程的终态参数，确定喷射器各部分的尺寸，完成了不同制冷剂、不同工作工况和不同制冷量条件下喷射器的喷嘴、混合室、扩散器等部分结构参数。可以通过输入制冷剂的种类、不同的工作工况、不同制冷量等条件，快速计算喷射器的结构参数和制冷剂的物性参数，大大提高了设计效率和计算的准确性。

Description

蒸汽压缩制冷循环系统中喷射器设计方法
技术领域
本发明涉及一种喷射器设计方法，特别涉及一种蒸汽压缩制冷循环系统中喷射器设计方法。 
背景技术
进入21世纪以来，随着经济的发展，能源消耗日益增加，节能减排已成为全球范围内的重大课题。蒸汽压缩/喷射制冷系统是在蒸汽压缩制冷系统中引入结构简单、成本低、无运动部件的喷射器，起到回收节流损失和提升压缩机入口制冷剂压力的双重作用，使系统中制冷压缩机的吸气压力高于蒸发压力，提高了制冷系数，同时亦减少了节流膨胀损失。 
在蒸汽压缩/喷射制冷循环系统中，喷射器起到回收节流损失和提升压缩机入口制冷剂压力的双重作用，有助于提高制冷系统效率。循环运行流程，如图1、2所示。制冷剂饱和气体经压缩机1加压升温后进入冷凝器2，冷凝器2出口高压液体制冷剂作为工作流体进入喷射器3的喷嘴内加速降压，将势能转变为动能，喷嘴4出口工质引射蒸发器9出口的气体制冷剂在混合室5混合为两相状态，并在扩散器6内减速升压，将动能转变为势能，然后在气液分离器7中进行气液分离，气相制冷剂进入压缩机1，液相制冷剂经节流阀8节流后进入蒸发器9蒸发。如此往复，完成制冷循环。 
由于喷射器内部流场复杂，目前对于流动过程的分析和计算不完善，使喷射器的设计方法较复杂，传统的喷射器设计方法主要有三种，经验系数法、气体动力函数法和经典热力学法，每种方法都有其各自的优缺点，但是需要进行大量的设计计算，非常繁琐。 
发明内容
本发明是针对蒸汽压缩/喷射制冷循环系统中喷射器设计复杂的问题，提出了一种蒸汽压缩制冷循环系统中喷射器设计方法，将RKS(Redlich-Kwong-Soave)状态方程、两相流声速计算公式以及经典热力学法对喷射器的分析计算结合在一起，利用RKS方程计算制冷剂在循环系统各状态点的物性参数，用声速公式计算喷射器中两相流的声速以及用经典热力学法计算喷射器中绝热膨胀过程和压缩过程的终态参数，确定喷射器各部分的尺寸，完成了不同制冷剂、不同工作工况和不同制冷量条件下喷射器的喷嘴、混合室、扩散器等部分结构参数。 
本发明的技术方案为：一种蒸汽压缩制冷循环系统中喷射器设计方法，包括如下具体步骤： 
1）喷射器模型包括喷嘴、混合室和扩散器，冷凝器出口高压液体制冷剂作为工作流体进入喷射器的喷嘴内加速降压，喷嘴出口工质引射蒸发器出口的气体制冷剂在混合室混合为两相状态，并在扩散器内减速升压，
首先喷射器模型设计忽略管路、蒸发器和冷凝器阻力损失；忽略喷射器进、出口的动能变化；假定制冷剂在喷射器内为定压混合，且压力为蒸发压力；制冷剂在喷射器以及压缩机内运行各过程不计摩擦损失，均视为等熵过程；
2）喷嘴设计：确定喷嘴的形状以及喷嘴临界截面和出口截面的直径，
马赫数 
Figure 446684DEST_PATH_IMAGE002
，喷嘴出口处声速
Figure 625993DEST_PATH_IMAGE004
，
若M a<1，则喷嘴应选择渐缩管，只有出口直径为d 4 ，不需计算临界直径,
Figure 337335DEST_PATH_IMAGE006
 ，出口处截面积
Figure 980806DEST_PATH_IMAGE008
；
如果，则喷嘴为渐缩渐扩管，渐扩后的出口直径为d 4 ，渐缩管临界直径为
Figure 44894DEST_PATH_IMAGE012
，喷嘴扩展段，即渐扩长度为l 1 ：
Figure 123708DEST_PATH_IMAGE014
，喷嘴临界截面处截面积： ，  
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE017
  ；
公式中v为速度，ρ为密度，x为干度，Rv为蒸汽的气体常数，T为温度，q为相变潜热，cp,g为气体定压比热容，cp,l为液体定压比热容，ρ1和ρ4分别是压缩机入口和喷嘴出口处气体密度，q4为喷嘴出口处相变潜热，v 4 为喷嘴出口处制冷剂速度，x 4 为喷嘴出口处制冷剂干度,x 5 为混合室出口处制冷剂干度，h min 为喷嘴临界截面处制冷剂焓,v min 为喷嘴临界截面处制冷剂速度；
3）混合室设计：混合室分为两段，前段为圆锥形，后段为圆柱形，圆柱段直径为d 5 , 圆锥段入口直径为d’，
圆柱段直径：
  ；                       
圆锥段入口直径：
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE021
   ；
定义喷射系数u为引射流体与工作流体的流量之比，自由流束的长度L，离喷嘴出口距离L处的自由流束直径为D，
当
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE023
时，
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE025
                       
Figure 497052DEST_PATH_IMAGE026
 ；                       
当
Figure 268699DEST_PATH_IMAGE028
时，                      
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE031
 ；                
式中β为实验常数，
若混合室圆柱段直径，则圆锥段长度l 2 ：
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE035
 ；
若混合室圆柱段直径
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE037
，则圆锥段长度l 2 ：
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE039
；   
式中
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE041
为混合室入口段的形成线与喷射器轴线间的夹角，一般取45°，
圆柱段长度l 3 ： 
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE043
 ；    
4）扩散器设计：
扩散器要确定的尺寸为扩散器出口直径及扩散器长度，
扩散器出口直径d 6 ： 
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE045
  ；                    
扩散器长度l 4 ： 
Figure 2013101000714100002DEST_PATH_IMAGE047
  。
所述步骤3）中β为实验常数，混合室内的介质为弹性介质时，β值在0.07～0.09之间。 
本发明的有益效果在于：本发明蒸汽压缩制冷循环系统中喷射器设计方法，可以通过输入制冷剂的种类、不同的工作工况、不同制冷量等条件，快速计算喷射器的结构参数和制冷剂的物性参数，大大提高了设计效率和计算的准确性。 
附图说明
图1为传统蒸汽压缩制冷系统图； 
图2为传统蒸汽压缩制冷系统中喷射器结构示意图；
图3为本发明蒸汽压缩制冷系统喷射器设计程序计算流程图。
具体实施方式
下面阐述设计的过程： 
一、制冷剂的物性参数计算：
在进行喷射器3结构的相关计算与设计之前，需要首先知道制冷剂在各状态点的物性参数。RKS方程在引入压缩因子Z后，方程可写成关于压缩因子的三次方程的形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE049
                      (2.1)
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE051
                             (2.2)
                              (2.3)
Figure DEST_PATH_IMAGE055
                     (2.4)
Figure DEST_PATH_IMAGE057
                         (2.5)
Figure DEST_PATH_IMAGE059
                          (2.6)
Figure DEST_PATH_IMAGE061
                           (2.7)
Figure DEST_PATH_IMAGE063
                       (2.8)
Figure DEST_PATH_IMAGE065
                           (2.9)
式中，T c 、P c 分别表示临界温度和临界压力，R表示气体常数，P、v、T分别是压力、比容和温度，m、n分别为随物质不同而变化的常数，α为计算中间值。
二、喷射器3设计： 
(1)首先喷射器模型设计忽略管路、蒸发器9和冷凝器2等阻力损失；忽略喷射器3进、出口的动能变化；假定制冷剂在喷射器3内为定压混合，且压力为蒸发压力；制冷剂在喷射器3以及压缩机1内运行各过程不计摩擦损失，均视为等熵过程。
(2) 喷嘴4设计： 
由之前假设可认为制冷剂在喷射器3内的过程为理想过程。
定义喷射系数u为引射流体与工作流体的流量之比，引射流体为蒸发器9出口处流体m 9 ,工作流体为喷嘴4出口处流体m 4 ,即： 
Figure DEST_PATH_IMAGE067
                             (3.1)
分析制冷剂在气液分离器7内的过程可知，根据质量守恒定律，扩散器6出口处的制冷剂干度x 6 必须满足：
 
Figure DEST_PATH_IMAGE069
                        (3.2)
则喷射系数u可以表示为： 
Figure DEST_PATH_IMAGE071
                            (3.3)
喷嘴4设计的基本任务就是确定喷嘴的形状以及喷嘴临界截面和出口截面的直径。制冷剂在喷嘴4内绝热膨胀，是一个势能转变为动能的过程，即制冷剂的焓降等于动能的增加。对制冷剂在喷嘴4内的绝热流动列能量方程,喷射器3入口处与喷嘴4出口处的流体能量守恒：
Figure DEST_PATH_IMAGE073
  (3.4)
h 3 为喷射器入口处制冷剂焓,v 3 为喷射器入口处制冷剂速度, h 4 为喷嘴出口处制冷剂焓,v 4 为喷嘴出口处制冷剂速度，
即： 
Figure DEST_PATH_IMAGE075
                           (3.5)
引射流体质量流量：      
                 (3.6)
h1为压缩机1入口处制冷剂焓,h8为节流阀8出口处制冷剂焓。
工作流体质量流量： 
Figure DEST_PATH_IMAGE079
                             (3.7)
喷嘴4出口处截面积：
Figure 373998DEST_PATH_IMAGE080
                             (3.8)
喷嘴4出口处直径：
Figure 162700DEST_PATH_IMAGE006
       (3.9)
喷嘴4出口处声速： 
Figure DEST_PATH_IMAGE081
        (3.10)
ρ1和ρ4分别是压缩机入口和喷嘴出口处气体密度，q4为喷嘴出口处相变潜热，x 4 为喷嘴4出口处制冷剂干度,x 5 为混合室5出口处制冷剂干度。
马赫数： 
Figure 42932DEST_PATH_IMAGE082
                             (3.11)
若M α <1，则喷嘴应选择渐缩管,只有出口直径如式3.9，不需计算临界直径。若
Figure DEST_PATH_IMAGE083
，则喷嘴4为渐缩渐扩管，渐扩后的出口直径如式3.9，还需要计算渐缩管临界直径计算方法如下： 
喷射器3入口处与喷嘴临界截面处的流体能量守恒：
Figure DEST_PATH_IMAGE085
                            (3.12)
h min 为喷嘴临界截面处制冷剂焓,v min为喷嘴临界截面处制冷剂速度，
即： 
Figure 839166DEST_PATH_IMAGE086
                            (3.13)
喷嘴临界截面处截面积：
Figure 249419DEST_PATH_IMAGE015
                             (3.14)
喷嘴临界截面处直径：
Figure DEST_PATH_IMAGE087
                     (3.15)
喷嘴4扩展段长度：
Figure 362869DEST_PATH_IMAGE088
                           (3.16)
若M α <1，则无扩展段长度计算。
公式中h为焓，v为速度，Q为制冷量，ρ为密度，x为干度，Rv为蒸汽的气体常数，T为温度，q为相变潜热，cp,g为气体定压比热容，cp,l为液体定压比热容。 
(3) 混合室5设计 
混合室5结构分为两段，前段为圆锥形，后段为圆柱形。
由质量守恒定律： 
Figure 724318DEST_PATH_IMAGE090
                           (3.17)
由动量守恒定律：
Figure 948626DEST_PATH_IMAGE092
                  (3.18)
即： 
Figure DEST_PATH_IMAGE094
                  (3.19)
公式中m为质量流量，v为速度，h为焓。
圆柱段直径： 
Figure 947806DEST_PATH_IMAGE019
                          (3.20)
圆锥段入口直径：
Figure 169840DEST_PATH_IMAGE021
                           (3.21)
在计算混合室5轴向尺寸时，还必须计算两个尺寸：自由流束的长度L，离喷嘴4出口距离L处的自由流束直径D。工作流体在喷嘴出口截面上的流束具有均匀的速度场, 当工作流体和引射流体相混合时, 一起形成紊流边界层, 边界层的厚度沿流动方向逐渐加大。边界层以外侧面和速度等于零的介质相毗连, 边界层以内侧面形成速度不变的中心区, 中心区截面随着距喷嘴出口距离的增加而减小, 至某一距离时, 中心区消失, 这段距离就称为自由流束长度L。
当
Figure 582366DEST_PATH_IMAGE023
时，
Figure 610365DEST_PATH_IMAGE025
                        (3.22) 
Figure 791948DEST_PATH_IMAGE026
                         (3.23)
当
Figure 919304DEST_PATH_IMAGE028
时， 
Figure 819127DEST_PATH_IMAGE030
                     (3.24)
Figure 385237DEST_PATH_IMAGE031
                  (3.25)
式中β为实验常数，对于弹性介质，在0.07～0.09之间。
若混合室5圆柱段直径
Figure 123124DEST_PATH_IMAGE033
，则圆锥段长度：
Figure 421381DEST_PATH_IMAGE035
     (3.26) 
若混合室5圆柱段直径
Figure 808500DEST_PATH_IMAGE037
，则圆锥段长度：
Figure 178302DEST_PATH_IMAGE039
    (3.27)
式中
Figure 68897DEST_PATH_IMAGE041
为混合室5入口段的形成线与喷射器轴线间的夹角，一般取45°。
圆柱段长度： 
Figure 803635DEST_PATH_IMAGE043
          (3.28) 
(4) 扩散器6设计：
扩散器6要确定的尺寸为扩散器出口直径及扩散器长度。
扩散器6出口直径： 
Figure DEST_PATH_IMAGE095
                        (3.29) 
扩散器6长度： 
Figure DEST_PATH_IMAGE096
               (3.30)。

Claims (2)

1.一种蒸汽压缩制冷循环系统中喷射器设计方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
1）喷射器模型包括喷嘴、混合室和扩散器，冷凝器出口高压液体制冷剂作为工作流体进入喷射器的喷嘴内加速降压，喷嘴出口工质引射蒸发器出口的气体制冷剂在混合室混合为两相状态，并在扩散器内减速升压，
首先喷射器模型设计忽略管路、蒸发器和冷凝器阻力损失；忽略喷射器进、出口的动能变化；假定制冷剂在喷射器内为定压混合，且压力为蒸发压力；制冷剂在喷射器以及压缩机内运行各过程不计摩擦损失，均视为等熵过程；
2）喷嘴设计：确定喷嘴的形状以及喷嘴临界截面和出口截面的直径，
马赫数                                                ，喷嘴出口处声速
Figure 34980DEST_PATH_IMAGE004
，
若M a<1，则喷嘴应选择渐缩管，只有出口直径为d 4 ，不需计算临界直径,
Figure 814718DEST_PATH_IMAGE006
 ，出口处截面积
Figure 209927DEST_PATH_IMAGE008
；
如果
Figure 24299DEST_PATH_IMAGE010
，则喷嘴为渐缩渐扩管，渐扩后的出口直径为d 4 ，渐缩管临界直径为
Figure 784445DEST_PATH_IMAGE012
，喷嘴扩展段，即渐扩长度为l 1 ：
Figure 51478DEST_PATH_IMAGE014
，喷嘴临界截面处截面积：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
 ，  
Figure DEST_PATH_IMAGE017
  ；
公式中v为速度，ρ为密度，x为干度，Rv为蒸汽的气体常数，T为温度，q为相变潜热，cp,g为气体定压比热容，cp,l为液体定压比热容，ρ1和ρ4分别是压缩机入口和喷嘴出口处气体密度，q4为喷嘴出口处相变潜热，v 4 为喷嘴出口处制冷剂速度，x 4 为喷嘴出口处制冷剂干度,x 5 为混合室出口处制冷剂干度，h min 为喷嘴临界截面处制冷剂焓,v min 为喷嘴临界截面处制冷剂速度；
3）混合室设计：混合室分为两段，前段为圆锥形，后段为圆柱形，圆柱段直径为d 5 , 圆锥段入口直径为d’，
圆柱段直径：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
  ；                       
圆锥段入口直径：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
   ；
定义喷射系数u为引射流体与工作流体的流量之比，自由流束的长度L，离喷嘴出口距离L处的自由流束直径为D，
当时，                       
Figure 125744DEST_PATH_IMAGE026
 ；                       
当时， 
Figure 787987DEST_PATH_IMAGE030
                     
Figure DEST_PATH_IMAGE031
 ；                
式中β为实验常数，
若混合室圆柱段直径
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，则圆锥段长度l 2 ：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
 ；
若混合室圆柱段直径
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，则圆锥段长度l 2 ：；   
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为混合室入口段的形成线与喷射器轴线间的夹角，一般取45°，
圆柱段长度l 3 ：  ；    
4）扩散器设计：
扩散器要确定的尺寸为扩散器出口直径及扩散器长度，
扩散器出口直径d 6 ： 
Figure DEST_PATH_IMAGE045
  ；                    
扩散器长度l 4 ： 
Figure DEST_PATH_IMAGE047
  。
2.根据权利要求1所述蒸汽压缩制冷循环系统中喷射器设计方法，其特征在于，所述步骤3）中β为实验常数，混合室内的介质为弹性介质时，β值在0.07～0.09之间。
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