热虹吸自喷射式制冷系统中喷射器的设计

　　热虹吸自喷射制冷系统是一种基于热管原理研发的喷射式制冷系统[1]，热管是一种新型的高效传热元件，具有等温性好、导热率高、结构简单等优点[2]。喷射器安置在热管的内部，是热虹吸自喷射式制冷系统的核心部件，其扩压比和喷射系数直接影响进入蒸发器中制冷工质的量，进而影响制冷系统的制冷效果。喷射器结构简单，但其内部流场包含激波、黏性干扰、分离涡、真实气体效应等，作用机理复杂，对其还没有形成完善的设计理论[3]。目前设计喷射器的方法主要有3种，即经验系数法、经典力学法和气体动力学法。经验系数法要求设计人员具有一定的经验，因而它的应用受到限制;经典热力学法物理意义明确、比较直观且计算简便，主要缺陷在于对混合过程进行了大大的简化;气体动力学法是在动量守恒的基础上，引进折算速度、相对速度、等熵速度、相对压力、相对密度等函数，把气体或蒸气的折算等熵速度与热力学参数相联系，借助自由流束理论推导出喷射系数的方法。采用气体动力学法对喷射器的设计较经典热力学法合理，能够计算出极限压缩比和喷射系数的限定作用，设计的喷射器可用性强[4]。为此，文中根据气体动力学方法，探讨热虹吸自喷射式制冷系统中喷射器的设计方案。

　　1 喷射器结构尺寸的计算

　　喷射器是完成能量转换的一种装置，即由一定能量(压力和温度)的工作流体将静压能转换为动能，以引射低压低温的流体经过混合室，在扩散室中形成高压高温的流体并射出[5]。喷射器主要由工作喷嘴、混合室、扩散室和接受室组成，其结构如图1。图1中：pp,ph,pc分别为工作流体、引射流体、压缩流体的压力;Tp,Th,Tc分别为工作流体、引射流体、混合流体的温度;ph2为圆锥形混合室入口引射流体的静压力;pΓ为圆锥形混合室出口段混合流体的静压力;p3为圆柱形混合室出口段混合流体的静压力。

　　1.1 工作喷嘴截面

　　计算状态下，喷射器喷嘴中工作流体从喷嘴前的压力pp膨胀到接受室中的压力ph。在大膨胀比(pp/ph>1/πp*)的气体喷射器中，工作喷嘴通常是缩放形的，即拉法尔喷管的形式。其临界截面(喉部)面积Ap*用流量公式求得

式中：mp为工作流体质量流量;vp*为喷嘴临界截面上工作流体的速度;ρp*为喷嘴临界截面上工作流体的密度;rp*为临界截面处工作流体的绝热指数;πp*为工作流体速度为临界速度时的相对压力。

　　喷嘴出口截面积Ap1根据连续性方程来确定

式中：vp1为喷嘴出口截面上工作流体的速度;ρp1为喷嘴出口截面上工作流体的密度。由式(1)，(2)可得