余熱鍋爐型噴射式制冷系統的工作特性試驗研究

李 壘 ，李慶普

（1.棗莊學院 機電工程學院，山東棗莊 277160；2.浙江大學 機械與能源工程學院，杭州 310058；3.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

隨著能源危機的加深、環境污染的加重以及新型技術產業的興起，地熱能、太陽能、核能、風能等新型潔凈能源逐漸成為研究的重點，而以噴射器為主要載體的低品位能源的利用開發成為能源節約研究的不可或缺的部分。

為對相關領域中噴射器的可行性應用提供指導，楊志平等［1-2］基于使用噴射器的熱電聯產系統、新型LNG氣化加熱系統研究平臺，對噴射器的使用對系統性能的影響進行了研究。此外，為實現噴射器結構的最優化設計，諸多學者對試驗變量對噴射器性能的影響同樣做了大量工作。何麗娟等［3-5］分別對工作流體/引射流體的壓力/溫度、冷凝器進口壓力、噴射器背壓等工況參數對噴射器及系統性能的影響進行了試驗研究，進而為噴射器及系統改進的方式提供試驗依據。而何磊等［6-8］則把研究焦點關注在噴嘴減縮/漸擴段進出口內徑及長度、混合室截面內徑/長度、擴壓段出口內徑及長度等噴射器結構參數上。此外，王雨風等［9］利用FLUENT軟件建立了兩相流CO2噴射器非均相模型，基于噴射器內部流場的相變、壓力和速度變化情況，通過噴嘴段結構參數的優化，實現對噴射器系統性能的高效設計。為校核設備運行范圍，戴征舒等［10］在以引射流體質量流量為零的極限工況下，對縮放噴嘴的出口背壓受工作流體壓力的影響規律進行了試驗研究。

為充分利用鍋爐余熱，提高能源利用效率，本文以發生溫度、蒸發溫度、冷凝溫度表征工況變量，以噴嘴喉部內徑、混合段喉部內徑表征噴射器結構變量，以試驗的方式對鍋爐余熱型噴射式制冷系統的性能進行了研究，旨在為系統性能的優化提供方向。

1 試驗裝置

鍋爐余熱型噴射式制冷系統試驗臺如圖1所示。系統主要由鍋爐、水泵、發生器、電磁流量計、噴射器、質量流量計、蒸發器、冷凝器、膨脹閥、過冷器、工質泵及一些輔助部件組成。

圖1 噴射式制冷系統試驗臺Fig.1 Experimental bench for ejector refrigeration system

鍋爐內膛附有加熱水管，用于吸收鍋爐余熱氣體的熱量，而后，高溫水在水泵的驅動下流進發生器與噴射式制冷系統中的工質進行換熱；發生器內工質經加熱形成高壓高溫氣體，高壓工作流體與低壓引射流體在噴射器內相互混合，形成的混合流體經質量流量計1進入冷凝器，其中質量流量計1主要適用于測量氣相工質質量流量，用于測量系統工質總質量流量，而為增強換熱效果、減小試驗臺占地空間，冷凝器選用微通道換熱器，并使用變頻風機對換熱量進行調節，進而實現設備性能的最優化；為增強質量流量計2測量精度，避免工質泵發生氣蝕，特別設計了過冷器用于對工質進行過冷處理；由過冷器分出的兩股工質，一股經工質泵升壓流進發生器，一股經膨脹閥節流降壓流入蒸發器，與載冷劑進行換熱，表達制冷效果。自此完成整個系統循環。

試驗使用電磁流量計對鍋爐熱水流量進行測量，而使用質量流量計對工質流量進行測量，其中質量流量計1為氣相流量計，質量流量計2為液相流量計，用于測量引射流體質量流量；此外，使用壓力變送器、鉑電阻對管路內工質、水壓力、溫度進行測量。使用三維利空軟件對試驗數據進行處理分析，各測量元件詳細參數見表1。

表1 各測量參數相關參數Tab.1 Parameters of the measurement equipment

為詳細分析系統內不同設備對工質的作用效果，對系統不同管路內工質的壓焓物性進行了分析，如圖2所示。由圖可知，工質在發生器內為等壓吸熱過程，其焓值隨換熱量的增加而增大，形成工作流體；工質在噴射器噴嘴內的流動為等焓降壓過程，工質雖然在流動過程中速度逐漸增大，但其總體能量保持不變；在噴射器混合段，由蒸發器流出的引射流體與噴嘴出口處的工作流體相互混合，完成流體能量、熱量的交換，此過程為等壓混合過程，如圖中圓圈所示；在噴射器內擴壓段，混合流體壓力升高，形成中壓流體流進冷凝器，而工質在冷凝器、過冷器的換熱過程為等壓散熱過程；由過冷器分出的兩股工質，一股經工質泵作用流經發生器，在泵的驅動下，工質壓力升高且焓值增大，這是因為工質在流經工質泵時部分機械功轉化為內能，使工質焓值增大，一股經膨脹閥節流降壓流經蒸發器，膨脹閥的節流過程為等焓過程，即工質與外界環境并不發生換熱過程；蒸發器內工質與載冷劑進行換熱，此過程為等壓散熱過程。

圖2 噴射式制冷系統壓焓曲線Fig.2 Pressure-enthalpy curve of ejector refrigeration system

2 噴射器

在噴射式制冷系統中，作為核心元件的噴射器，本質而言，類似于制冷系統中的壓縮機，是系統內主要的升壓元件。噴射器主要由噴嘴、卷吸室、混合室、擴壓室等主要部分組成，兩股流體在其內部混合，進行能量、動量交換。其中，高壓流體為工作流體，低壓流體為引射流體，工作流體與引射流體相互混合，在進行能量交換的同時，最終形成一股特定壓力下的混合流體，噴射進入冷凝器，具體如圖3所示。

圖3 噴射器結構及內部工質流場示意Fig.3 Schematic diagram of ejector structure and working medium flow field

噴嘴主要由漸縮段、等面積段、漸擴段3個部分組成［11］。其中，在漸縮段內，工作流體壓力逐漸降低，流速逐漸增大；在等面積段，工作流體壓力、流速等均保持不變，且此時工作流體達到聲速；在漸擴段，工作流體速度在此增大，進而達到超聲速狀態，且壓力再次降低。總體而言，工作流體在噴嘴內流動是一個壓力降低、速度增加的過程，在噴嘴出口處，工作流體達到超音速狀態。

卷吸室內，工作流體壓力極低，在流體高低壓差的作用下，由蒸發器內流出的引射流體進入卷吸室。兩者在等面積混合段充分混合，進而實現能量、熱量的充分交換，最終形成一股能量、熱量分布均勻的單股流體。而在進入等面積混合段前，兩種流體由噴嘴流進過渡段，為方便計算，在流動過程中假設工作流體在中心區流動，而引射流體沿著噴射器壁面呈環形軸向流動，且此時兩種流體并不發生能量、熱量交換。

利用擴壓段對混合流體流出壓力進行控制，當混合流體在等面積混合段出口處為亞音速狀態時，混合流體在擴壓段內壓力逐漸升高，速度逐漸降低，最終達到a狀態點；當混合流體在等面積混合段出口處達到音速狀態時，混合流體在擴壓段內壓力逐漸降低，速度逐漸增大，最終達到超音速狀態（b狀態段）。

數據分析中，可使用膨脹比（噴嘴前、后工作流體壓力比值）、壓縮比（引射流體壓縮終壓與初壓的比值）、噴射系數（引射流體與工作流體質量流量比值）對噴射器性能分別進行評價。

此外，為方便噴射器內工質流動機制的計算，對噴射器內工質流動做如下假設：

（1）流體在噴射器內流動為一維、穩態流動；

（2）工作流體與引射流體均可視為飽和蒸汽，且流體在噴射器中的流動為等熵流動；

（3）流體在噴射器內的流動損失可分別用其在噴嘴、擴壓室、混合室內流動效率進行表征。

3 試驗數據處理

為實現試驗目標，主要對蒸發器、發生器、冷凝器及工質管路內的溫度、壓力、流量等進行測試，并對水側溫度、流量進行測量，進而實現換熱器內換熱量的計算。

使用噴射系數ER評價噴射器性能［12］，表征單位工作流體經過噴射可卷吸引射流體的質量，即：

式中 m1——混合流體質量流量，由質量流量計1 測量獲得，kg/s；

m2——引射流體質量流量，由質量流量計2 測量獲得，kg/s。

使用機械COP對噴射式制冷系統進行評價，即蒸發器換熱量與水泵和工質泵功耗之和的比值，即：

式中 Qe——蒸發器換熱量，W；

Ww，Wr——水泵和工質泵耗功，可由所測電壓/電流計算獲得，W。

式中 m2——引射流體質量流量，kg/s；

hin，hout——蒸發器進出口工質焓值，kJ/kg。

4 試驗結果分析

在蒸發溫度、冷凝溫度保持恒定的工況下，發生溫度對噴射系數的影響規律如圖4所示。由圖可知，噴射系數隨著發生溫度的升高呈現先增加后減小的變化趨勢。當發生溫度為80 ℃時，噴射系數達到最大值。

圖4 發生溫度對噴射系數的影響Fig.4 Influence of generation temperature on the ejection factor

發生溫度的升高表征噴嘴進口處工作流體壓力的增大，而工作流體比容隨壓力的增大而減小，因此工作流體質量流量隨發生溫度的升高而增大；前期階段，發生溫度的升高不僅可使工作流體質量流量增加，還可使工作流體可用能增大，而蒸發溫度保持不變導致引射流體的驅動力增大，可使引射流體質量流量增大，且其表現出的增加比重大于工作流體，致使噴射系數隨著發生溫度的升高而增大；后期階段，雖然工作流體質量流量隨發生溫度的升高而增大，但噴射器混合段結構保持不變，致使工作流體流通面積隨其質量流量的增加而增大的同時導致引射流體流通面積減小，雖然流通面積對質量流量的影響并不大，但其可間接減小引射流體驅動力，導致引射流體質量流量隨發生溫度的升高而減小，最終致使噴射系數隨著發生溫度的升高而減小。

此外，相同試驗工況下，噴射系數隨著噴嘴喉部內徑的減小而增大。這是因為：噴嘴喉部內徑的減小致使工質流體流動阻力增大，直接導致工質流體質量流量降低，且可使工作流體提前到達聲速，使其在噴嘴出口處流速更大、靜壓更低，間接導致引射流體驅動力增大、質量流量升高，兩者均對噴射系數的增加起到促進效果。

為對系統性能受工況變量的影響進行分析，選用機械COP為指標對系統性能進行評價。發生溫度對機械COP的影響規律如圖5所示。由圖可知，與噴射系數ER相似，機械COP隨著發生溫度的升高呈現先增大后減小的變化趨勢，隨噴嘴喉部內徑的減小而增大，當發生溫度為80 ℃時，機械COP達到最大值。

圖5 發生溫度對機械COP的影響Fig.5 Influence of generation temperature on mechanical COP

試驗主要通過調節鍋爐側水泵運轉頻率實現對發生器換熱量的控制，進而實現對發生溫度的控制，且水泵耗功隨著運轉頻率的增大、發生溫度的升高而增大，此外，系統中工質泵功率隨著發生溫度的升高、工作流體質量流量的增大而增加，因此，系統總功耗隨著發生溫度的升高而增大。在前期階段，引射流體質量流量的增大使蒸發器換熱量增加，且換熱量的增加效果大于功耗的惡化效果，兩者致使機械COP隨發生溫度的升高而增大；在后期階段，系統功耗仍隨發生溫度的升高而增加，但引射流體質量流量卻隨發生溫度的升高而減小，使蒸發器換熱量減小，進而致使機械COP隨發生溫度的升高而減小。

發生溫度、冷凝溫度保持恒定時，蒸發溫度對噴射系數的影響規律如圖6所示。由圖可知，噴射系數隨著蒸發溫度的升高而增大，且兩者幾乎呈線性正相關。本質而言，工作流體的質量流量受蒸發溫度、冷凝溫度等工況條件的影響并不大，主要受到噴射器噴嘴的結構設計及進口狀態的影響，因此蒸發溫度對噴射系數的影響可從引射流體質量流量受蒸發溫度的影響進行解釋。蒸發溫度的升高表征噴射器引射流體進口壓力增大，而卷吸室內流體壓力環境變化較小，此將直接導致引射流體驅動力增大，進而使引射流量質量流量增加。因此，在工作流量質量流量保持不變的前提下，噴射系數與引射流量呈正相關，也隨蒸發溫度的升高而增大。

圖6 蒸發溫度對噴射系數的影響Fig.6 Influence of evaporation temperature on the ejection factor

此外，相同試驗工況下，噴射系數隨著噴射器喉部直徑的增大而增大。雖然喉部直徑并不會對工作流體、引射流體的流動機制產生影響，但喉部直徑的增大致使混合流體流通面積增大，通過影響引射流體的流動分布使引射流體質量流量增大。

蒸發溫度對機械COP的影響規律如圖7所示。由圖可知，與噴射系數ER相似，機械COP同樣隨著蒸發溫度的升高而增大，隨喉部內徑的減小而增大。發生溫度保持不變時，系統功耗可視為恒定，而蒸發溫度的升高不僅可使蒸發器換熱溫差增大，還可使引射流體質量流量增加，兩者均可使蒸發器換熱量增大，最終致使機械COP隨蒸發溫度的升高而增大。

圖7 蒸發溫度對機械COP的影響Fig.7 Influence of evaporation temperature on mechanical COP

當發生溫度、蒸發溫度保持恒定時，冷凝溫度對噴射系數的影響規律如圖8所示。由圖可知，對于噴嘴喉部內徑為7 mm的噴射器，當冷凝溫度小于40 ℃時，噴射系數值變化并不大（即保持恒定），約為0.142，而當冷凝溫度大于40 ℃時，噴射系數即急劇下降。在采集數據中顯示：工作流量質量流量大于混合流體質量流量，即此時噴射器噴射效果失效。由于冷凝溫度對噴嘴進出口處工作流體狀態、噴射器引射流體進口狀態、卷吸室內流體狀態影響很小，因此冷凝溫度對工作流體、引射流體的質量流量影響很小，即此時噴射系數受冷凝溫度的影響很小。但冷凝溫度的升高使工作流體的可用能減小而引射流體被壓縮至冷凝壓力所需動力更大，最終致使引射流體倒流，噴射器失效。此外，噴射系數隨冷凝溫度的變化臨界值隨著噴嘴喉部內徑的減小而降低，這是因為噴嘴喉部內徑的減小使噴嘴出口處工作流體壓力靜壓更低，進而使引射流體發生倒流時對應的混合流體壓力更低（冷凝溫度相對降低）。

圖8 冷凝溫度對噴射系數的影響Fig.8 Influence of condensation temperature on the ejection factor

試驗使用AR（混合段喉部與噴嘴喉部面積比）［13］表征噴射器兩喉部對噴射系數ER的影響比重，具體試驗結果如圖9所示。由圖可知，噴射系數隨著AR的增加而增大，即兩者呈正相關，這與噴射系數隨噴嘴喉部內徑的減小、噴射器喉部內徑的增大而增加的原因相同。此外，當AR<8時噴射系數的增加比重小于AR>8時噴射系數的增加比重，這是因為：AR<8時，AR主要通過減小噴嘴喉部內徑進行調節，而AR>8時，AR的增加是由混合段喉部內徑的增加導致的，而不同的強化機制致使不同的噴射系數增加效果。

圖9 AR對噴射系數的影響Fig.9 Influence of AR on the ejection factor

5 結論

（1）噴射系數和機械COP隨發生溫度的升高呈現先增加后減小的變化趨勢，且兩者還隨著噴嘴喉部內徑的減小、蒸發溫度的升高、噴射器喉部直徑的增大而增大。

（2）冷凝溫度較低時，冷凝溫度對噴射系數影響很小，其值基本保持不變，而當冷凝溫度超過某一值時，噴射系數急劇降低，此時噴射器完全失效；噴射系數隨著AR的增加而增大，其影響機制與噴嘴喉部內徑、噴射器喉部內徑對噴射系數的影響相同。