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蒸汽喷射制冷循环的实验研究：喷嘴的几何形状对系统性能的影响
摘要：本文介绍了一项蒸汽喷射制冷的实验研究，构建一个1kw冷冻能力的试验用冰箱并测试。该系统使用各种测试温度和各种主要喷嘴进行测试。锅炉饱和温度范围从110℃到150℃，蒸发器温度固定在7.5℃。八种不同几何形状的主要喷嘴被用于试验。六个喷嘴的喉部直径范围从1.4mm到2.6mm，出口马赫数均为4.0。另外两个喷嘴喉部直径均为1.4mm，但马赫数不同，分别为3.0和5.5。实验结果表明，主要喷嘴的几何形状对喷射器的性能具有重要影响进而可影响到系统的COP值。
关键词：制冷喷射器蒸汽喷射

1介绍
在许多工业过程中，系统环境排出的热量被浪费，如果用热驱动制冷系统将这些废物热转化为有用的冷量，那么就可减少从公共事业公司购买的用于普通制冷循环的电能。使用最广泛的热驱动制冷循环是吸收式制冷循环和蒸汽喷射式制冷循环[1]。
这两种热驱动制冷循环都是用低品位的热能外加少量必需的电能驱动工作流体循环和控制系统。吸收式制冷系统的COP值要优于蒸汽喷射式制冷系统。然而，喷射式制冷在构成，运行和控制方面相对简单。它只使用单组分工质（只用一种制冷剂）。而且，喷射制冷系统是唯一可以使用水（最为环保和便宜的制冷剂）的制冷系统，把水作为系统的单一组分工质。
蒸汽喷射制冷的系统性能强烈依赖于安装的喷射器。在过去，一个小型蒸汽射流被用于实验研究。研究出运行温度和主要喷嘴位置[2,3]的影响。一些研究人员用CFD技术解释喷嘴里的过程[4,7]。小型蒸汽喷射制冷机也适用于使用太阳能[8,9]。
在本文中，研究的是主喷嘴的几何形状（喷嘴面积比）和工作条件对喷射器性能的影响。组建一台试验用蒸汽喷射制冷机。蒸汽喷射器用八种不的主喷嘴进行测试。喷嘴喉部直径分别为1.4，1.7，2.0，2.3，2.4和2.6mm。喷嘴面积比为7:1（马赫数3），20:1（马赫数4），和88:1（马赫数5.5）。蒸汽喷射制冷机的运行环境被设定为了使系统利用工业生产过程中的废热在正常条件下产生通常的制冷效果。锅炉温度设定为110℃至150℃。蒸发器温度固定在7.5℃。测试结果表明，主喷嘴的喉部直径和面积比对喷射器性能具有重要影响。
2背景
一个蒸汽喷射器的图解如图1所示。来自锅炉的高压蒸汽，称为初级流体，通过主喷嘴扩大（体积）和加速。这就使得超音速主流体在喷嘴出口平面和后面的混合室中形成了一个压力非常低的区域。这个低压区把从蒸发器（制冷效果产生的地方）来的二次流体引向混合室。主流体和次流体之后在混合室混合。由于主流体的高动量，混合流仍处在超音速区。在混合室的后部，正常冲击，一系列的斜冲击，或者假冲击会减少[4,5,10]。冲击产生了主要的压缩效果和流动速度从超音速到亚音速的突然下降。流体的进一步压缩是通过在亚音速扩压器的淤塞来实现的。蒸发器的排气压力与冷凝器的饱和压力相等。一个用来描述喷射器性能的重要参数是夹带比：
Rm=次流体的质量流量∕主流体的质量流量
在蒸汽喷射制冷循环，如图2所示，喷射器把产生制冷效果的蒸发器中的低压饱和水蒸气吸入，作为二次流体。它使用锅炉中高温高压的饱和蒸汽作为主流体。喷射器将废气排入冷凝器，在那里通过避免使热量散到环境中而将热蒸汽被冷凝成液体。蒸汽喷射制冷循环性能由蒸汽喷射制冷性能系数来定义：

因为在锅炉中的焓变与在蒸发器中的焓变没有太大差别，所以可以假设：

图3表示一个典型的喷射器性能曲线。在锅炉和蒸发器温度固定而冷凝汽压力变化的条件下，喷射器的性能曲线分为三个区域：阻流，非阻流，和逆流[1]。
在阻流区域，喷射器在低于临界压力（临界背压）下工作。喷射器吸入固定量的二次流体使得夹带率为一个常数。这是由于流动阻塞在混合室。在这个区域里，横向撞击形成了一个压缩效果，被认为出现在混合室的喉部（等面积管段）。冲击的位置依赖于背压。当背压增加时，冲击会在不干扰混合过程的条件下向蒸汽流上部移动（主喷嘴方向）。

在非阻流区域，喷射器的背压值高于临界压力。当压力增加时，夹带率明显下降。流体的阻塞不在混合室。横向冲击被认为向上游移动进入混合室（管道汇聚部），扰乱了主流和二次流的混合过程。
在逆流区域，喷射器的背压比压力分界点处的压力高。在这个区域，混合流反向流回二次流入口，因此喷射器最终会发生故障。

图4显示，工作压力对射流喷射器性能的影响基于实验数据[1]。当主流压力（锅炉饱和压力）下降时，通过主喷嘴的临界质量流量减少。因为，混合室里的流量是一定的，当临界质量流量减少时，更多的二次流被夹带进来。这样，夹带率的值就增加了。然而，喷射器将在低临界压力下工作。这是因为混合流的动量也在减少，结果使得临界背压降低。
当二次流的流体压力（蒸发器饱和压力）增加时，临界背压和夹带比都会增加。由于二次流体压力也就是喷射器上游