双蒸发压缩/喷射制冷系统及两相喷射器的研究

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在能源与环境问题日益突出的当今社会,深入开展节能减排工作显得尤为迫切。由于制冷暖通空调行业涉及人们日常工作和生活的方方面面,其能量消耗不容忽视,因此对其开展节能降耗的技术研究成为节能减排的一项重要工作。目前的制冷暖通空调系统仍以传统压缩制冷循环为主,其系统中膨胀阀的节流损失严重,而用两相喷射器作为制冷系统的膨胀装置是一种回收节流损失的有效措施。因此,针对用两相喷射器作为膨胀装置的压缩/喷射制冷系统及其两相喷射器的研究,受到了越来越多研究者的关注和重视。在本文中,首先修正了两相喷射器理论模型,设计加工了两相喷射器,以制冷剂R134a为工质,研究了两相喷射器作为膨胀装置的双蒸发压缩/喷射制冷系统的性能及其节能潜力;搭建了双蒸发压缩/喷射制冷系统实验平台,分析了工况参数对制冷系统性能及两相喷射器性能的影响规律;最后研究了喷射器几何结构尺寸对两相喷射器性能及制冷系统性能的影响。主要研究内容及结论如下:(1)修正了等面积混合两相喷射器模型,在模型建立过程中,考虑了制冷剂真实物性参数、混合室摩擦损失等因素,利用该模型对以R134a为工质的双蒸发压缩/喷射制冷循环进行了热力学分析,获得了工况参数和喷射器面积比对制冷系统性能的影响规律。结果表明:冷凝温度、蒸发温度、工作流体过冷度和高低温蒸发器制冷负荷比对双蒸发压缩/喷射制冷系统性能的影响较大,引射蒸气过热度的影响较小。当冷凝温度越高、蒸发温度越低、工作流体过冷度越小、高低温蒸发器制冷负荷比越大时,双蒸发压缩/喷射制冷系统的节能效果越显著。与传统压缩制冷循环相比,在研究工况范围内,双蒸发压缩/喷射制冷循环COP最大可提高30.77%,单位容积制冷量最大可提高43.77%。喷射器存在一最优面积比使双蒸发压缩/喷射制冷循环性能最佳,最优面积比值随工况参数的变化而变化,并得到了喷射器最优面积比与工况参数的如下关联式:ARopt =-1.35exp(4.06φ-0.55Tc-0.02Tle-0.48△Tc+1.18△Tle)-3.17φ-0.14Tc+0.06Tle+0.17△Tc+15.57(2)设计加工了两相喷射器,以R134a为工质,搭建了的双蒸发压缩/喷射制冷系统实验台,研究了工况参数对制冷系统性能的影响,并与相同制冷量和外界工况参数条件下的传统压缩制冷系统性能进行了对比分析。结果表明:在研究工况范围内,与传统压缩制冷循环相比,双蒸发压缩/喷射制冷系统总(?)损降低,COP和(?)效率升高,且COP和(?)效率的提高率随冷凝器进水温度和压缩机转速的增加、高温蒸发器进水温度的的减小而增大。压缩机转速固定时,双蒸发压缩/喷射制冷系统较传统压缩制冷系统COP和(?)效率的提高率分别为16.94~30.59%、7.57~28.29%,总(?)损可减小8.38~26.15%;变压缩机转速时,双蒸发压缩/喷射制冷系统较传统压缩制冷系统COP和(?)效率的提高率分别可达32.64%和23.32%。随引射流体质量流量的增加,双蒸发压缩/喷射制冷系统(?)效率逐渐减小;系统COP先增大后减小,引射流体质量流量为45.5kg/h时,COP达到最大值。低温蒸发器进水温度对双蒸发压缩/喷射制冷系统性能的影响相对较小。(3)利用搭建的双蒸发压缩/喷射制冷系统实验平台,研究了工况参数对固定几何结构尺寸两相喷射器性能的影响规律。结果显示:在所研究实验工况范围内,喷射器引射系数随压缩机转速、冷凝器进水温度和高温蒸发器进水温度的升高而减小,随低温蒸发器进水温度和引射流体质量流量的增加而增大;喷射器压升比随压缩机转速、冷凝器进水温度和高温蒸发器进水温度的升高而增大,随低温蒸发器进水温度和引射流体质量流量的增加而减小;喷射器效率随压缩机转速的增加先减小后增大,随冷凝器进水温度的增加而增大,随高温蒸发器进水温度的升高和低温蒸发器进水温度的降低而减小,随引射流体质量流量的升高先增大后减小。(4)基于Ansys Fluent流体计算平台,通过udf自定义函数加载气液相变模型和两相流声速模型,以实验工况参数为边界条件,研究了喷射器几何结构尺寸对两相喷射器性能的影响。计算结果表明:工作流体的临界质流密度随工作喷嘴入口压力和过冷度的增加而增大,得到了工作喷嘴入口压力0.1~2MPa、无量纲过冷度△T*sub为0~1工况条件下的制冷剂R134a的壅塞关联因子Cf值((0≤△T*sub<0.15:Cf=0.96;0.15≤△T*sub≤1:Cf=1),并通过与水的壅塞关联因子取值对比发现,饱和或过冷液体在工作喷嘴内的闪发壅塞流动过程中,R134a的亚稳态效应弱于水的亚稳态效应。在所考察工况条件和喷射器几何尺寸范围内,较小的工作喷嘴喉部直径、较大的工作喷嘴出口直径使喷射器性能急剧下降;较长的混合室长度和较小的混合室直径使喷射器压升比小于1,当混合室长径比为10时,两相喷射器性能最优;扩压室扩压角不应大于9°。(5)实验研究了喷射器几何结构尺寸对两相喷射器性能和制冷系统性能的影响。结果显示:在所考察工况条件和喷射器几何尺寸范围内,制冷系统COP随工作喷嘴喉部直径的增大而减小,当混合室直径为10mm,对应的喷射器最优面积比为4.73时,制冷系统COP较高。
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