蒸汽喷射器流动参数与性能的数值分析

    0　引　言

    喷射器作为一种流体压缩、抽吸、输运的设备,在许多工业领域中得到应用。本文研究的是以水蒸气为工质的喷射器,用于喷射制冷系统中,其作用相当于压缩制冷系统中的压缩机。图1为蒸汽喷射制冷系统示意图。

　　蒸汽喷射制冷系统是利用喷射器来带走蒸发器中的饱和蒸汽,并保持蒸发器中低压,实现蒸发制冷的。蒸汽喷射制冷系统不但可以形成很高的真空度,而且抽气能力也很大,可以提供很大的制冷量,尤其适用于以水为制冷剂的制冷方式。这是因为,一方面,水具有蒸发潜热大、无污染、易获得的优势,是一种很好的制冷剂;另一方面,由于喷射器的体积小,克服了传统蒸汽压缩制冷系统中,因水蒸气在低压下比容很大,使系统中机械真空泵非常庞大的缺点。尤其是近年来,随着环保意识的增强,氟利昂制冷剂的禁用,以及人们对空调制冷需求的增加,以水为制冷剂受到人们的关注。

    另外,蒸汽喷射制冷系统对热源的要求较低,可以利用太阳能、余热、废汽等低品位热源。同时,整个系统中除了一回流泵外,无传动部件,具有系统成本低、操作维修简单等优点。

    在喷射制冷循环系统中,制冷性能系数COP定义为制冷量与输入的能量之比,即

    式中:Qe、Qg分别为蒸发器和发生器的换热量,W为循环所需的机械功,Δhe、Δhg为蒸发器和发生器中的焓差,qms、qmm为引射流体和工作流体的质量流量。在喷射制冷循环中机械功可以忽略,则

COP=qm_s/qm_m·Δhe/Δhg=Er·Δhe/Δhg(2)

    式中:Er是喷射器的喷射系数,Er=qms/qmm。由式(2)可以看出,喷射系数对喷射制冷系统的性能系数起关键作用,因而,本文采用了喷射系数作为指标对喷射器性能进行评估。

    对以蒸汽为工质的喷射器进行分析,除了要考虑喷射器内部的射流、卷吸、扩散、混合等喷射器工作的内在过程外,还要充分认识到由于水蒸气本身的物性远偏离理想流体的物性规律,而必须按真实流体来分析其内部的流动过程。因此,通过简单的理论分析,是很难精确预测超声速蒸汽喷射器内复杂的流动结构的。本文借助Phoenics软件平台,通过求解可压缩流体的二维N-S方程,对一实验用的蒸汽喷射器内的流动进行数值模拟。由实验结果探讨了其内部激波的产生及其对喷射器性能的影响,分析了二次壅塞产生的压力条件。

    1　喷射器的结构及模拟工况

    1.1　喷射器的结构

    喷射器中,高温、高压的工作流体经拉伐尔喷嘴降压升速,实现势能向动能的转化,喷嘴出口的高速工作流体不断地卷吸、携带走引射流体,来实现蒸发制冷。