TWI397442B - 噴射器 - Google Patents

Description

噴射器

本揭示內容是有關於一種冷氣裝置，且特別是有關於一種噴射器。

近年來，人類為追求科技的發展以及生活的便利，嚴重破壞地球環境，導致全球氣候異常，暖化現象急速惡化。位在亞熱帶地區的台灣，也飽受地球暖化肆虐，不但年平均溫度節節升高，夏季溫度更常常高達35度以上。

一般市面上常見的冷氣系為統壓縮機式，壓縮機式的冷氣系統大部份需要長時間持續以電力驅動，導致夏日尖峰用電時刻總會有嚴重的尖峰負載問題。且壓縮機式的冷氣系統耗電成本高且電力的產生又容易產生環境汙染，隨著電價不斷地高漲愈來愈不具經濟效益及環保性。

因而，出現了噴射器式的冷氣系統，其採用低級熱能(如廢熱、太陽能等)驅動無須電力、純粹靠流體力學超音速壓縮原理來驅動，改善了壓縮機式冷氣系統耗費電力的缺點。既有噴射器一維理論分析之設計精確度大於35%，因此有以實驗來修正，其修正模式為在一維理論分析中加入一動量混合係數Φ _m ，動量混合係數Φ _m 為對噴射器內主噴流與抽吸流二者在等截面區混合時的動量損失做修正，以使得噴射器設計能符合實際之噴射器運作情況，而得到較高之設計精確度。先前技術中，但對不同冷媒而言其一維分析修正模式無法通用，尤其是對新冷媒而言更無噴射器的設計一維分析修正模式可用。

因此，本揭示內容之一態樣是在提供一種噴射器，其具有最佳化性能的結構設計，可運用在冷氣系統上。

依據本揭示內容一實施方式，提供一種噴射器，其包含一噴嘴、一抽吸室、一等截面管體以及一擴散嘴。噴嘴之喉部截面積為A_t 。抽吸室環繞噴嘴，並包含一抽吸流入口。抽吸流入口位於抽吸室之一側。等截面管體一端連接抽吸室，且等截面管體之截面積為A₃ ，其中等截面管體之截面積A₃ 與噴嘴之喉部截面積A_t 之比值介於6-15間。

依據本揭示內容另一實施方式，提供一種噴射器，其包含一噴嘴、一抽吸室、一等截面管體、一擴散嘴。噴嘴用以接收一第一流體，抽吸室連接噴嘴，並用以接收一第二流體。等截面管體與抽吸室連接，並供第一流體與第二流體混合。擴散嘴與等截面管體連接，並供第一流體與第二流體混合後排出。其中，噴射器滿足，Φ _m 為第一流體與第二流體之混合動量係數，而等截面管體之截面積為A₃ ，而噴嘴之喉部截面積為A_t ，且A₃ 與A_t 的比值介於6-15間。

藉此，本專利以實驗結果修正一維分析理論之動量係數，就冷媒R365mfc而言其已測試出五組噴射器的性能曲線、冷媒R245fa也已測試出五組噴射器的性能曲線、R141b也已測試出十組噴射器的性能曲線；由以上三種不同冷媒共二十組噴射器在二十八種操作參數情況下，所測出之噴射器性能曲線用以修正一維理論分析後，可得到一維理論分析修正模式，此為一噴射器設計通式可適用於各種冷媒，其誤差不論是在結構之面積比A ₃ /A _t 或噴射器性能抽吸比ω的誤差，對冷媒R365mfc、R245fa及R141b均在±20%以內。

請參照第1圖及第2圖，其中第1圖繪示依照本揭示內容一實施方式的一種噴射器100之剖面圖，第2圖則繪示噴射器100之作動示意圖。噴射器100包含一噴嘴110、一抽吸室120、一等截面管體130以及一擴散嘴140。抽吸室120環繞噴嘴110，且抽吸室120包含一抽吸流入口121，其位於抽吸室120之一側。等截面管體130一端連接抽吸室120，擴散嘴140則連接等截面管體130之另一端。

就功能而言，噴嘴110用以接收一第一流體(主噴流)，而抽吸室120連接噴嘴110，並用以接收一第二流體(副噴流)。等截面管體130與抽吸室120連接，並供第一流體與第二流體混合。擴散嘴140與等截面管體130連接，並供第一流體與第二流體混合後排出。

特別的是，為使噴射器100達到高製冷量及整體節能性能，並可搭配多種冷媒達到環保的目的，噴射器100滿足，Φ _m 為第一流體與第二流體之混合動量係數，而之等截面管體130之截面積A₃ 與噴嘴110之喉部截面積A_t 之比值介於6-15間。其中，噴嘴110之喉部111係指噴嘴110之截面積最小處。

配合參照第3圖，其中第3圖繪示第1圖噴射器100應用於一冷氣系統200之系統示意圖。噴射器100之噴嘴110與一產生器210連接，產生器210提供第一流體(即主噴流)至噴嘴110。第一流體會以高速通過噴嘴110之喉部111(即噴嘴110截面積最小處)，而在抽吸室120產生一超音速流，而使抽吸室120形成一近似真空狀態的低壓區，以抽吸與抽吸室120連接之蒸發器220內冷媒，抽吸形成一第二流體(即抽吸流)。第一流體與第二流體進入等截面管體130後開始等壓混合，並由擴散嘴140排出至冷凝器230。由冷凝器230將混合後的流體降溫後，部分流體由泵浦240帶回產生器210，另一部份流體則回到蒸發器220。

第一流體與第二流體在噴射器100中的作動過程可區分為以下幾部分並配合第2圖來討論，其中具有下列幾點條件：

1.第一流體及第二流體皆為理想氣體，且等壓比熱C_p 及比熱比(specific heat ratio)γ為定值。

2.噴射器100內部為一維穩態流場。

3.第一流體在噴嘴110入口、第二流體在抽吸流入口121及擴散嘴140出口均為停滯狀態，即代表可忽略動能。

4.忽略噴射器100內部流場與壁面間的摩擦。

5.第二流體的流速於等截面管體130內達到音速時(第2圖之y-y截面)，與第一流體開始等壓混合。

6.噴射器100內壁視為絕熱(adiabatic)。

7.第一流體與第二流體自y-y截面混合至等截面管體130出口之震波前後過程(不包含跨越震波)均為等熵過程(isentropic process)。

自噴嘴110至擴散嘴140，區分為下列幾部分來討論：

A.　通過噴嘴110之第一流體

對已知噴射器100第一流體入口停滯(stagnant)壓力P_g 與溫度T_g ，在阻塞(choking)狀況下，通過噴嘴110(其喉部111截面積為A_t )的主噴流量

其中，η _p 為第一流體(即主噴流)等熵效率(isentropic efficiency)係數。

噴嘴110之出口的馬赫數(Mach number)M_p1 、壓力P_p1 與截面積A_p1 之間的關係為：

B.　第一流體核(即主噴流核，Primary-flow core)--自噴嘴110出口至截面y-y

第一流體與第二流體混合前，第一流體在截面y-y的馬赫數M_py 關係式如下：

其中，Φ _p 為第一流體動量係數，即為第一流體離開噴嘴110後，在第一流體與第二流體互相接觸的邊界層(boundary layer)，代表第一流體與第二流體滑動摩擦效應所引發的動量損失之一係數。

C.　第二流體阻塞(含)發生以前─自抽吸流入口121至y-y截面

由假設e，第二流體在截面y-y會達到阻塞狀況(亦即馬赫數M_sy =1)，對於已知的抽吸口壓力P_e ，抽吸流在截面y-y的壓力P_sy 為：

在阻塞狀況下的抽吸流流量為：

其中，η _s 為第二流體等熵效率係數。

D.　第二流體阻塞處(y-y截面)之截面積

等截面管體130截面積A₃ (y-y截面之截面積)為第一流體與第二流體在y-y截面之截面積和。

A_py +A_sy =A₃ ，

其中，Apy為第一流體在y-y截面之截面積，Asy為第二流體在y-y截面之截面積。

E.　第二流體阻塞處(y-y截面)之溫度及馬赫數

第一流體與第二流體在y-y截面之馬赫數與溫度為：

其中，M_py 、T_py 分別為第一流體在y-y截面之馬赫數與溫度；M_sy 、T_sy 分別為第二流體在y-y截面之馬赫數與溫度。

F.　第一流體與第二流體混合之起始處(m-m截面)

第一流體與第二流體在y-y截面開始混合後，經過m-m截面至震波發生前的截面，其混合過程的動量平衡式為：

其中，V_m 為為混合流的速度，Φ _m 為第一流體與第二流體混合的動量係數；V_py 和V_sy 分別為第一流體與第二流體在y-y截面的速度。

另外，混合過程的能量平衡方程式為：

其中，C_p 為定壓比熱(specific heat)。第一流體與第二流體在y-y截面及混合流在m-m截面的速度關係式為：

G.　越過震波之混合流體(自m-m截面至3-3截面)

超音速的混合流在s-s截面會有震波(shock)產生，且經由此震波後，必有大幅的壓力升。在s-s截面與3-3截面間(震波發生後之區域)，其壓力可視為一均勻壓力P₃ ，因此會有以下的氣體動力關係式：

其中，γ為混合流的比熱比(specific heat ratio)。

H.　通過擴散區之混合流

擴散嘴140的出口壓力(噴射器100的背壓)P_c 的關係式為：

透過上述分析，本揭示內容分別利用HCFC(氫氯氟碳化合物)冷媒及HFC(氫氟碳化合物)冷媒搭配噴射器100應用於冷氣系統200中。在冷氣系統200中，具有幾個設計點，包含產生器210溫度80~100℃、蒸發器溫度8~12℃、冷凝器溫度22~40℃以及製冷量0.5RT(1.8kW)~1RT(3.5kW)，且噴射器100配合三種常見冷媒R245fa(HFC)、R365mfc(HFC)以及R141b(HCFC)分別採用下列三個混合動量係數式：

其中，整合上述三個式子可得應用於噴射器100之混合動量係數通用式：

配合參照第4圖，由於混合動量係數具有一最佳值範圍0.70-0.83，可推得當等截面管體130之截面積為A₃ 與噴嘴110之喉部111截面積A_t 之比值介於6-15間時，不但可搭配不同的冷媒使用，並可產生最佳化的製冷量；此噴射器設計通式所設計出對A ₃ /A _t 的結構誤差為-3.93%~19.88%，請參照第5圖，此噴射器設計通式所設計出對噴射器性能抽吸比ω的誤差為-18.55%~19.39%，而參照第6圖所示，以上噴射器設計通式之設計誤差均在±20%以內，已具高精確度。

更詳細的說，若配合使用HCFC冷媒(本揭示內容使用 R141b冷媒)，可得混合動量修正係數範圍為0.7554-0.8182，而可推知在噴射器100的等截面管體130之截面積A₃ 與噴嘴110之喉部截面積A_t 之比值介於6.44-10.64時，噴射器100與HCFC冷媒可搭配出最佳製冷量。

當配合使用HFC冷媒(本揭示內容使用R245fa及R365mfc冷媒)，可得知混合動量修正係數範圍為0.7037-0.8077，並可推知在噴射器100的等截面管體130之截面積A₃ 與噴嘴110之喉部截面積A_t 之比值介於7.118-14.378時，噴射器100與HFC冷媒可搭配出最佳效能。其中，當配合使用R245fa冷媒時，混合動量修正係數Φ _m 範圍縮小為0.7121-0.8005，更可推知噴射器100的等截面管體130之截面積A₃ 與噴嘴110之喉部截面積A_t 之比值介於7.59-13.75時，噴射器100與R245fa冷媒可搭配出最佳製冷量。

由上述可知，藉由多種冷媒與噴射器100的搭配，使用噴射器設計通式，可整合出最佳化的噴射器100比例結構，不但提升噴射器100的效能，使噴射器100應用在冷氣系統時，可達到最佳的製冷量，且噴射器100可廣泛運用於多種冷媒。

繼續參照第7圖，其繪示依照第1圖噴射器100應用於一採用雙動力來源的冷氣系統300之系統示意圖。由第7圖可知，冷氣系統300連接雙動力來源，包含瓦斯熱水器310以及太陽能熱水器320。透過一般家庭冬天洗澡用的太陽能熱水器320配合生質燃氣的家用瓦斯熱水器310，提供夏天冷氣系統300的動力來源，不但可節約夏季的用電量，達到節能的效果，更擴大了熱水器的四季使用率。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．噴射器

110．．．噴嘴

111．．．喉部

120．．．抽吸室

121．．．抽吸流入口

130．．．等截面管體

140．．．擴散嘴

200．．．冷氣系統

210．．．產生器

220．．．蒸發器

230．．．冷凝器

240．．．泵浦

300．．．冷氣系統

310．．．瓦斯熱水器

320．．．太陽能熱水器

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依照本揭示內容一實施方式的一種噴射器之剖面圖。

第2圖係繪示噴射器之作動示意圖。

第3圖繪示第1圖噴射器應用於一冷氣系統之系統示意圖。

第4圖係繪示噴射器設計通式之數據圖。

第5圖係繪示使用噴射器設計通式後之對A ₃ /A _t 的結構誤差。

第6圖係繪示使用噴射器設計通式後之對噴射器性能抽吸比ω的誤差。

第7圖係繪示依照第1圖噴射器應用於一採用雙動力來源的冷氣系統之系統示意圖。

100．．．噴射器

110．．．噴嘴

111．．．喉部

120．．．抽吸室

121．．．抽吸流入口

130．．．等截面管體

140．．．擴散嘴

Claims (4)

1. 一種噴射器，包含：一噴嘴，用以接收一第一流體；一抽吸室，連接該噴嘴，並用以接收一第二流體；一等截面管體，與該抽吸室連接，並供該第一流體與該第二流體混合；以及一擴散嘴，與該等截面管體連接，並供該第一流體與該第二流體混合後排出；其中該噴射器滿足，該為第一流體與第二流體之混合動量係數，而該等截面管體之截面積為A₃ ，而該噴嘴之喉部截面積為A_t ，且A₃ 與A_t 的比值介於6-15間。
2. 如請求項1所述之噴射器，其中當該等截面管體之截面積為A₃ 與該噴嘴之喉部截面積A_t 之比值介於6.44-10.64間，該噴射器之噴嘴向外連接一具有HCFC冷媒之產生器，且該產生器提供該第一流體。
3. 如請求項1所述之噴射器，其中當該等截面管體之截面積為A₃ 與該噴嘴之喉部截面積A_t 之比值介於7.118-14.378間，該噴射器之噴嘴向外連接一具有HFC冷媒之產生器提供。
4. 如請求項3所述之噴射器，其中當該等截面管體之 截面積為A₃ 與該噴嘴之喉部截面積A_t 之比值介於7.59-13.75，該產生器內具有R245fa冷媒。