喷射器极限工况性能的理论与实验研究

2019

年第

2

期

总第

228

期

低温工程

CRYOGENICS

No.

2

2019

Sum

No.

228

喷射器极限工况性能的理论与实验研究

韦辰睿

▽

方凌云心陈琪

-2

”

刘成炎

▽

▽

陈光明

('浙江大学制冷与低温研究所杭州

310027)

(2

浙江省制冷与低温技术重点实验室杭州

310027)

摘要

：

为了研究喷射器在极限工况下的性能

，，

建立了喷射器极限工况的计算模型

研制了喷射

式制冷系统实验台。

对使用

R134a

和

R134a/R32

质量浓度等比例混合工质的喷射器极限工况性能

进行了理论与实验研究

，：

结果表明

在给定工况范围内

，

喷射器最低引射流体压力随工作流体压力升

高而降低喷射器混合段压差随工作流体压力升高而升高

，

随出口背压升高而升高

；

，

随出口背压升高

而降低

；理论和实验对比表明

，

提出的计算模型能较好的预测喷射器在极限工况下的性能

。

关键词

：

制冷系统喷射器极限工况混合工质

中图分类号:

TB663

文献标识码

：

A

文章编号

:1000-6516(2019)02-0012-05

Theoretical

and

experimental

study

on

performance

of

ejector

under

limit

operating

conditions

Wei2

Chenrui

1Chengyan'1

'

Fang

Liugyuii'■-

Chen

Qi"

Liu2

Chen

Guangming

(

1

Institute

,

of Hangzhou

Cryogenics

Refrigeration

and

Zhejiang

University

,,

3

10027

China)

(

2 , ,

RefrigerationZhejiang

Key

LaboratoryandTechnology 310027

of ofHangzhou

Cryogenic

Province

China)

Abstract

:

In

orderstudy

tooperating

thethethe

performancelimit

ofunder

ejector

­

condi

tionsthermodynamics

,

thebadfluidthe

calculationdynamics

model­

on

andexper

was

built

,and

imental

installationexperimentthe

was

studiescarriedout

developed.

Theoretical

and

were

on

performance

ofejector

thethe

under

limit

operating

conditions.R134ain

andmixture

R134a/R32

whichudas

a

massof

fraction

R134a50%given

is

werefluid.the,

working

Under

conditions

thetheincreasthe

results

show

that

lowest

drivenfluidpressure

with

aprimary

decreaflow

in

pressure

,Theof

pressure.

butan

decreaspressure

with

increaejectorback

in

the

difference

mixingprimary increa

ction

increasbut

withan

increa

inin

thedecreas

flow

,

with

anthe

ejector

backagree

pressure.

Calculatedwell

values

with

the

experimental

results.

Key

words

:

refrigeration

system；limitingmixed

operating

ejector

condition

；；

refrigerants

引言

不需要维护等诸多优点而备受关注

。

喷射式制冷系

统的核心部件是喷射器

，

其运行效率直接影响系统

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

、

结构简单几乎

、、

初投资小

、

运行可靠

收稿日期

：

2018-10-112018-02-02

；

修订日期

：

基金项目项目资助

：

国家自然科学基金

(51376156)

。

作者简介

：，男岁，

韦辰睿

，

24

硕士研究生

。

通讯作者

：，

陈琪

男

，

45

岁.博士

、。

副教授

性能

。

喷射器是一种使两股压力不同的流体相互混合,

第

2

期

喷射器极限工况性能的理论与实验研究

13

进行能量与动量交换

，

形成一股中间压力的混合流体

且不直接消耗机械能而提高引射流体压力的流体机

械部分

。

喷射器的主要结构分为、、

4

：接受室

喷嘴

混

合室如图

、

扩压室

，

1

所示

。

引射流体

］

图

1

喷射器结构图

Fig.

1

Structure

of

ejector

表征喷射器性能的主要指标是喷射系数

。

喷射

系数是引射流体质量流量与工作流体质量流量之比.

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

。

当引射流体压力降低到一定程度时

，

引射流体流

量会降为零

，

此时喷射系数也为零

，

此工况被称为喷

射器的极限工况

，

而极限工况所对应的引射流体压力

就是喷射器在一定工作压力和出口背压下所能工作

的最低压力

。

K

Matsuo

等

1

和

P

Devaux

等'"对以

空气为介质的喷射器的极限工况进行了研究

，

戴征

舒"对以

R134a

为工质的喷射器极限工况性能进行

了实验研究

。

张于峰⑷指出

，

双元非共沸工质应用

于喷射式制冷系统

，

能够改善系统性能

。

研究喷射器的极限工况

，

对于喷射器的实际应用

具有定意义

。

若能够预测固定尺寸喷射器在一定工

况下的最低引射流体压力

，

可以为喷射器的工业应用

提供参考,如确定喷射式制冷系统能够达到的最低蒸

发温度

、

确定喷射器作为真空吸气装置时的工作条件

。

本文建立了固定尺寸喷射器极限工况的一维理

论模型

，

使用

EES

编写了相对应的计算程序

，

并与相

关文献中实验数据进行对比用实验的方法研究了

。

喷射器的极限工况性能

，

采用的工质为

R134a

和

R134a/R32

按质量浓度混合工质。

1：1

2

喷射器一维模型

建立了喷射器一维模型

，在给定喷射器尺寸参数,

工作流体温度儿

，

工作流体压力

P

”

，

喷射器岀口背压

P..

的条件下

，

预测喷射器在极限工况下的性能

。

2.

1

一维计算模型假设

计算模型主要参考

Huang"

的计算模型

，

见图

2

O

建立模型时有如下假设

：

(1)

假设喷射器中的制冷剂为理想气体

，

其定压

比热容为定值

C

”

和比热比

k

；

(2)

制冷剂在喷射器中的流动为一维定常流动

；

(3)

1

作流体

、

引射流体和扩压室出口流体的动

能忽略不计

；

(4)

为了简化计算模型中引入了等爛效率系数

，

；

(5)

1

作流体和引射流体在截面

y-y

处开始混

合

，

并且混合过程在定压下进行

；

图

2

喷射器理论模型原型图

Fig.

2

Schematic

diagrammodel

of

theorotical

of

ejector

performance

2.2

计算流程设计

计算模型适用于固定尺寸喷射器计算条件为

，

：

给定工作流体温度儿

，

工作流体压力

P

”

，

喷射器出口

背压巴

。

根据质量守恒

、

能量守恒公式及气体动力学公

式压力匚"

，

工作流体在

1-1

截面上的马赫数、

M,

”

、

工

作流体压力

P

v

服从式其中，

(

1),

y

是绝热系数

，

数值

上等于定压比热容与定容比热容的比值

：

由假设可知

，

工作流体和引射流体在截面

1-1

和

截面工作流体在截面

y-y

之间没有混合

，

1-1

到截面

y-y

之间是近似等爛的过程

。

工作流体和引射流体经

过动量和能量交换之后得到一股均匀的混合流体

，

这

个过程位于激波之前，

有下式

：

二

T

=

(二)今

P

td

(2)

人

、

P

动量

14

低温工程

2019

年

质量流量分别为混合流体的速度

，，

V

”

v

py

,

5

、

工作流

体在

y-y

截面上的速度引射流体在截面上的速

、

y-y

度

,r

m

,r

py

,T

y

分别为混合流体的温度、y-

工作流体在

y

截面上的温度

、

引射流体在

y-y

截面上的温度

，

妇

为摩擦引起的动量损失系数

。

混合流体在

rn-m

截面和

2-2

截面之间的某一个

截面

AUV

处

，

会产生激波

。

假设混合流体在激波之

后的流动为等爛流动

，

可得如下公式

：

式中

：是混合流体的

巴是

2-2

截面上的压力

，

P

”

压力

，

M

”

是混合流体的马赫数

。

从

2-2

截面流经扩压室到

c-c

出口的过程中

，混

合流体速度逐渐减小

，

压力逐渐增大由式

，

（

6

）

可以

求出喷射器出口背压的迭代值

P

“，

如P..

若匕

」

“

岭与

相差较大

，

则对代,进行迭代

。

尸

2

=

（

1

L

⑹

p

a

和

P",

两个量之间有如下关系

：

P

” ）

=

匕

（

1

+

屮尤

）朮

（

7

极限工况下的引射流体压力巴即喷射器在给定

工况下的最低引射流体压力

P.,0

根据文献

，等爛效率系数及动量损失系数取值:

Spym

=0.88,^

=0.

82

O

计算流程图如图

3

。

图

3

计算流程图

Fig. 3

Calculation

flowchart

2.3

与文献数据对比

戴征舒

3

以

R134a

为工质

，

在一定的出口背压

下

，

研究了喷射器极限丁-况下最低引射流体压力匕,

随工作流体压力匕的变化规律

。

将按照文献

［

3

］

中

的尺寸计算出的理论结果与文献

［

3

］

实验结果相对

比

，

最低引射流体压力

P

“

的计算结果九_“

与实验结

果匕

5

的相对偏差为

：巴

（

P.S

-

5

）

/匕

5

X

100%

，

对比结果如图

5,

最大相对偏差为

1&

93%

。

表

1

理论计算结果与文献

［

3

］

实验结果对比

Table

1

Comparison

between

theoretical

calcultion

resultsresultsin

and

experinental

literature

3

文献

［3

］

实验

本文计算

喷射器出

工作流

口背压

/

体压力

结果

：

最低引

结果

：

最低引

相对

Pp/MPa

射流体压力

射流体压力

MPa

偏差

/%

3

/MPa

"/MPa

0.66

1.610.87

0.49

0.54

0.66

2.01

0.41

0.434.56

0.662.0.389.38

19

0.41

0.77

2.59

0.45

0.42

-7.03

0.772.42

0.48

0.55

14.56

0.772.0.52-9.89

19

0.47

0.77

2.01

0.55

0.47

-

15.05

0.77

第

2

期

喷射器极限工况性能的理论与实验研究

15

®-

储

」

液

罐

卩

H-

流

阀

图喷射式制冷系统

4

Fig. 4

Ejector

refrigeration

system

表

2

喷射器结构尺寸

Table

ejector

2

Structureparameters

of

参数

数据

喷嘴出口直径

0.612

喷嘴喉部

（

临界截面

）

直径

d,/mm

0.492

混合室入口出口

（

）

直径

d

2

/mm

1.

15

实验步骤如下

：

液态制冷剂在发生器中受热汽

化通过冷水机组调

，进入喷射器

形成高温高压蒸汽

，

；

节冷凝水温度

，

使冷凝器出口温度达到实验设定值,

逐渐调节节流阀至完全关闭

，

引射流体压力下降至稳

定值时开始读数

。

实验系统采用恒温控制的发生器保证工作流体

温度的稳定

；

其余各点的温度测量采用精度为

±0.5

t

的铜-康铜热电偶

；

压力测量采用选型如表

3

所示

的压力传感器

；

温度和压力传感器输出的信号采用数

据采集仪进行收集

；

喷射器工作流体和引射流体质量

流量采用质量流量计进行测量质量流量计量程

，

18.

14

kg/min,

精度

±0.03%

。

表

3

压力传感器选型

Table

3

Typensor

of

pressure

压力传感器

量程

/MPa

精度/%

工作流体压力传感器

0—

6.9

0.25

引射流体压力传感器

0

—

2

0.25

混合流体压力传感器.

03

—

5

0.25

4

结果与分析

在不同冷凝温度下

，

对喷射器极限工况进行了实

验研究

，

实验数据如表

4

。

4.

1

最低引射流体压力随工作流体压力变化规律

图工质为

5

中

，

R134a,

控制冷凝器出口温度

7

在七取一个点

20-35

弋的范围内变化

，

每

5

，

调节发

表

4

喷射器极限工况实验数据

Table

4

Experimental

dataejectorunder

of

limit

operating

conditions

工作流体压力

最低引射流体压力

制冷剂

冷凝温度/弋

Pp/MPa

"/MPa

20

1.85

0.34

200.29

2.09

20

2.37

0.24

20

2.66

0.23

20

2.70

0.23

25

2.710.31

252.36

0.35

25

2.

12

0.41

单工质

25

1.85

0.49

25

1.84

0.49

30

2.69

0.40

302.390.48

300.52

2.08

300.57

1.83

350.54

2.70

35

2.39

0.57

35

2.06

0.61

35

1.83

0.69

15

2.99

0.78

15

2.740.84

15

2.45

0.89

15

2.23

0.95

15

1.951.00

20

3.12

0.93

混合工质

20

2.86

0.98

202.52

1.06

20

2.39

1.07

20

1.55

16

低温

r.

程

2019

年

图

5

单工质喷射器极限工况下最低引射流体压力与

工作流体压力变化规律

Fig.

suction

5Variation

of

minimum

pressure

with

primary

flow

inlet

pressure

ofwithsingle

ejector

refrigerant

under

limit

operating

condition

4

--

-

w

.3

'

.2

d

1

F

W

0

U

s

s

一

2

.9

瑶

0.X

1.5

2.5

2.0

3.0

T

作流体爪力

P/MPa

图混合工质喷射器极限工况下最低引射流体

6

压力与工作流体压力变化规律

Fig. 6

Variation

ofpressure

minimum

suction

with

primary

flowmixed

inlet

pressureejector

of

with

refrigerants

under

limitcondition

operating

波的位置前移

，

进而使引射流体斥力升高。

因此

，喷

射器最低引射流体压力不仅受到喷射器匸作流体圧

力的影响.也受到喷射器出门背压的影响

4.2

混合段压差随出口背压变化规律

在极限工况下

，

混合段压力升高的程度可以用混

合段压差

AP

来表示'

，

近似为喷射器出口背压

P,

与最低引射流体压力

P

“

的差值.即

AP

=

P.

o

-

图

7

中

，

丁.质为作流体温度

R134a,

控制

T.

T„

在

63

—

73

七的范围内变化.调传冷凝器出口温度匚

，

使

冷凝压力

P.

在，

1

—

1.5

MPa

的范围内变化

观测在工

作流体温度稳定的状态下.喷射器混合段压差

AP

受

出口背压的影响

P

”

。

O3^

0

3

^

0

3

4

O

3

2

O

3

0

8

O.

2

O.

O.

O

2

6

4

2

O.

2

2

0

2

0.6

0.8

P/MPa

图

7

单工质喷射器出口背压对混合段压力升高的影响

Fig. 7back

Effectpressureof

of

atoutlet

ejectorwith

singleon

refrigerant

pressureri

in

mixing

ction

图

8

中

，工质为

R134a/R32

混合物

，

控制工作流

体温度儿在

68

—

83

七的范围内变化

，

调节冷凝器出

口温度匚，

使冷凝压力匕在

1

一

1.5

MPa

的范围内

变化

，，

观测在匚作流体温度稳定的状态下

喷射器混

合段圧差

AP

受出口背压

P

”

的影响

。

当喷射器出口

背压不变时

，

喷射器工作流体压力越高.喷射器最低

引射流体圧力越低

，

混合段压差越高

0

O.

O.

O

O

O

O.

O

O

O

1.2

1.4

1.6

P/MPa

图

8

混合工质喷射器出口背压对混合段压力升高的影响

Fig. 8back

Effect

ofpressureof

at

outletwith

ejector

mixed

refrigerants

onmixing

pressure

ri

in

ction

由图当工作流体温度不变时

7

、图

8

可知

，

，

减小

喷射器出口背压会使混合段压差增大这是因为

，

喷

射器出

I

第

2

期

火箭推进剂贮箱低温性能试验压力控制方法研究

53

(3)

该控制方法并不限于贮箱低温综合性能试

验中应用亦可用于贮箱其它类型低温试验中试验贮

，

箱的压力稳定控制

，

同时也可以运用在其他低温介质

压力波动时过滤压力波动

。

参考文献

1

张华.垂直管道低温气-液两相流动弹状流流型及动态特性的研

(上接第

16

页)

4.3

理论计算结果与实验结果对比

按照图

3

所示的计算流程图

，

使用

EES

编写了

喷射器极限工况性能的计算程序

，

并计算了使用

R134a

和

R134a/R32

质量浓度等比例混合工质的喷

射器在极限工况下的性能

。最低引射流体压力

P

“

的

计算结果宀的与实验结果哪的最大相对偏差为

22.

6%

,

如图。

9

所示

图

9

EES

计算结果与实验结果对比

Fig. 9

Comparison

between

experimental

results

and

EES

calculation

results

理论与实验对比结果表明

，，

在研究工况下

提出

的理论模型能够较好的预测喷射器的极限工况性能

。

但是，

理论结果与实验结果存在一定的偏差

，

偏差的

原因可能在于

：

理论计算采用了理想气体假设

，

和实

际情况有一定偏差实验读数误差等

、

。

5

结论

对使用

R134a

和

R134a/R32

质量浓度等比例混

合工质的喷射器的极限工况性能进行了实验研究

；

建

立了喷射器一维理论模型

，

在文献

[3]

和本文里的喷

射器尺寸下

，

分别计算了喷射器在极限工况下的性

能，

并与实验数据进行了对比

。

得出如下结论

：

究

[D].

上海

：

上海交通大学

,2009.

2

傅娟•低温推进剂贮存中的自增压现象及液体量测钛方法研究

[D].

长沙

：

国防科学技术大学

,2014.

3

王娇娇厉彦忠

，

，，

王鑫宝

等.低温推进剂管路预冷沸腾换热特性

研究综述

[J].

宇航学报

.2017,38(8)

:780-786.

4

杨彬.低温推进剂在轨贮存蒸发量影响分析与数值研究

[D].

哈尔滨

：

哈尔滨丁程大学

,2014.

(1)

喷射器最低引射流体压力匕,不仅随工作流

体压力

P

”

变化而变化也受到出口背压的影响

，

。

固

定冷凝器出口温度时喷射器工作流体压力在

，

1.5

—

3.2

MPa

范围内喷射器最低引射流体压力

，

P

“

随工

作流体压力的增加而减小

P

r

；

在相同的工作流体压

力下

，

喷射器最低引射流体压力随冷凝器出口温度的

增加而增加

。

(2)

为了表征混合段压力升高的程度

，

以喷射器

出口背压

P,

和最低引射流体压力

P

“

的差值

AP

来

定义混合段压差

。当固定工作流体温

在极限工况下

，

度

，

喷射器出口背压在

1

—

1-7

MPa

范围内时

，

喷射器

混合段压差

AP

随出口背压

P.

的增加而减小；

在相

同的出口背压下

，

喷射器工作流体温度越高

，

最低引

射流体压力越低

，

混合段压差越大

。

(3)

理论和实验对比表明

，

在给定工况范围内

，

建立的模型能较好的预测喷射器在极限工况下的性

能

，。

理论计算结果与实验结果的最大偏差为

22.6%

参考文献

1K

Sasaguchial.

Matsuo,Tasaki

of

, ,

K

kInvestigation

et

supersonic

air

ejectorsr

:ca

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