蒸汽喷射式制冷系统实验研究

　　0 引 言

　　随着生产技术的发展，人类对能源的需求剧增，有限的能源正在日益枯竭. 同时人类对环境的破坏日益严重，节能与环保已经成为当今国际社会共同关注的一个热点问题. 蒸汽喷射式制冷能够利用低能位能源，如工业废热和太阳能等作为驱动力，水等环境友好型工质作为制冷剂的制冷技术. 1910年Maurice Leblan 研制了第一台蒸汽喷射制冷系统[1].蒸汽喷射式制冷系统具有结构简单、可靠性高、成本低等优点，该系统在20世纪30年代曾被较多地应用于大型建筑的空调系统. 但由于COP 较低，随后被体积紧凑、效率更高的机械压缩式制冷系统取代[2]. 随着化石能源的日益匮乏，人类对能源的需求量逐年增加，蒸汽喷射式制冷技术作为一种利用低品位热能驱动的绿色制冷技术，越来越受到社会各界的关注.

　　1 蒸汽喷射式制冷工作原理

　　如图1所示，蒸汽喷射式制冷系统共有6部分组成: 蒸汽发生装置、喷射器、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、循环泵. 从发生器出来的高温高压蒸汽作为工作流体，在喷嘴出口处高温高压流体被加速为超音速流体. 高速工作流体产生低压用于引射来自蒸发器的制冷蒸汽，两种流体在混合室内充分混合. 在扩压器中混合流体经历再压缩过程并由超音速减速为亚音速，混合气体排至冷凝器冷凝为液态. 冷凝后的制冷剂一部分经膨胀阀降压降温进入蒸发器，另一部分被循环泵升压送回至蒸汽发生装置完成制冷循环.

　　2 实验装置和系统

　　本文设计一套如图2所示的蒸汽喷射式制冷系统实验台，用于研究工况条件以及喷射器结构对系统的性能影响. 该实验系统主要由喷射器、冷凝器、高温蒸发器、低温蒸发器、循环泵、储液器和阀门等装置组成. 在高温蒸发器、低温蒸发器和储液器上装有液位计用来观察实验过程中的液位变化. 实验中制冷剂工质为水，为提高实验的准确性，采用超纯水机造出的超纯水作为实验用水. 高温蒸发器的热源和低温蒸发器的热负荷采用两个功率为5kW 的电加热器来模拟. 冷凝器的压力变化通过一台功率为4300W的循环冷却器控制. 除以上基本装置外，还需要采集数据的温度传感器和压力传感器，温度传感器和压力传感器的精度分别为±0. 5℃和±0. 08%.采用安捷伦数据采集仪完成数据采集.

　　3 实验结果与分析

　　3.1 工况条件对喷射式制冷性能的影响

　　3.1.1 冷凝压力的影响

　　图3为在工作蒸汽温度110℃、蒸发温度10℃、喷嘴喉部直径2mm、喷嘴出口直径8mm、喷嘴与混合室进口距离50mm 条件下，系统COP 随冷凝压力的变化曲线. 从图3可知，随着冷凝压力的升高，系统COP先是保持不变，当达到某一临界值，即临界冷凝压力时，系统的COP 急剧下降直至为零. 典型蒸汽喷射式制冷系统的工作区域可以分为3 部分[3]: 临界区域、亚临界区域和回流区域. 在临界区域即临界冷凝压力之前的区域，随着冷凝压力的变化，系统COP保持不变，这是由于引射流体在混合室内产生的壅塞现象所致. 在亚临界区域，随着冷凝压力的增大，工作流体与引射流体混合而产生的激波向喷嘴侧移动，因此会干扰工作流体与引射流体的混合，使得引射流体流量减少，系统COP 降低. 当冷凝压力增大到一定程度，工作流体不再引射低温蒸发器的流体，引射流体流量为零，该区域即为回流区域.