基于实际气体的圆柱形混合室喷射器设计及优化方法

从热力学过程出发,通过引入单相及两相流声速计算模型,提出了基于实际气体的圆柱形混合室喷射器设计方法。用该方法计算出的喷射系数能与实验值较好吻合,误差在±17%内。新设计方法预测出必定存在一个使喷射系数设计值最大的最优混合室出口压力,为方便且快速确定该最优混合室出口压力与喷射器设计工况的关系,引入了最优扩压室升压比倒数。分别计算了水蒸气、氨、R290、R134a和R22圆柱形混合室喷射器常见工况下最优扩压室升压比倒数与膨胀比、压缩比的关系曲线,进而拟合出最优扩压室升压比倒数与膨胀比、压缩比的关系式。在喷射器设计过程中利用这些关系式可迅速算出最优扩压室升压比倒数,从而确定最优混合室出口压力,设计出高效喷射器。     

亚临界气体喷射器的设计计算

计算气体压缩喷射器可达到喷射系数的研究已很成熟,但对亚临界气体喷射器可达到喷射系数,大多采用气体喷射压缩器的方法进行计算。针对亚临界气体喷射器的特性,给出了3种计算方法:气体喷射压缩器计算方法;喷射泵计算方法;气体喷射器计算方法。研究表明:对膨胀比和压缩比都小于临界压力比的亚临界气体喷射器,膨胀比较大时,工作介质的弹性影响不能忽略;压缩比较小时,引射介质的弹性影响应该忽略;进而得出在膨胀比和压缩比都接近临界压力比时,适宜采用把工作介质视为弹性,引射介质视为非弹性的气体喷射器计算方法;而在膨胀比和压缩比都非常小且接近于1时,应该采用把工作介质和引射介质都视为非弹性的喷射泵计算方法。     

喷射器几何结构对压缩/喷射制冷循环性能的影响研究

以R134a为工质,采用包含混合室内摩擦损失的等面积混合模型,研究了两相喷射器几何结构和工况参数对压缩/喷射制冷循环性能系数(COP)、单位容积制冷量(qv)、压缩比和排气温度的影响,并与传统压缩制冷循环的性能进行对比。结果表明:喷射器存在一个最优面积比使压缩/喷射制冷循环COP和单位容积制冷量qv最大,且最优面积比值随工质的不同和工况参数的变化而变化;在相同工况参数下,以R134a为工质的喷射器最优面积比大于以R1234yf为工质的喷射器最优面积比;在相同工质和工况参数下,等面积混合模型计算的最优面积比小于等压混合模型的计算值,即在相同工质和工况参数下,按照等面积混合模型设计的喷射器外型尺寸较小;给出的以R134a和R1234yf为工质的喷射器最优面积比与冷凝温度、蒸发温度、过冷度和过热度之间的关联式,可供工程设计参考;在所进行的研究工况范围内,压缩/喷射制冷循环较传统压缩制冷循环COP最大可提高20%,单位容积制冷量qv最大可提高28%,此时冷凝温度为55℃,蒸发温度为-10℃,过冷度和过热度都为0℃,对应的喷射器最优面积比为4.5。     

压缩/喷射制冷循环中两相喷射器性能

考虑引射流体的壅塞现象和混合室内的凝结激波现象,对混合室采用恒面积混合模型,应用质量守恒、动量守恒和能量守恒对两相喷射器建立了热力学模型。以R141b为工质,研究了在不同混合压力条件下喷射器内的压力变化趋势,分析了混合压力对系统性能、喷射器喷射系数和出口压力的影响,探讨了喷射器最优引射室压降、系统最优性能系数及相应的性能提高率随冷凝温度和蒸发温度的变化情况。结果表明:在本文计算工况范围内,两相喷射器混合室内无凝结激波的发生;对混合室采用恒面积混合模型相比等压混合模型更合理;恰当选择混合压力对优化系统的性能非常重要,其最佳值略低于引射流体压力,而远高于引射流体的临界压力,且其对应于喷射器取得最高的喷射系数。     

喷射系数的微机计算

把蒸汽喷射器喷射系数的计算方法归纳整理后编成ＦＯＲＴＲＡＮ程序在微机上运行通过，解决了小膨胀比、小压缩比蒸汽喷射器喷射系数难以通过查图表获取的困难。经考核，所编制的程序运行可靠，计算快速准确，可用于蒸汽喷射器的工程设计。文中介绍了程序编制方法，并给出了算例。     

混合室直径对带喷射器的跨临界CO2热泵性能影响

通过在跨临界CO₂系统中引入喷射器是回收系统节流损失的有效手段。实验研究了混合室直径分别为1.2、1.4、1.6 mm时,对带喷射器的跨临界CO₂热泵整体性能以及喷射器自身性能的影响。整个实验中热水进口温度、蒸发温度不变,热水出口温度作为比较基准,在实验中为变量。结果表明,混合室直径对压缩机排气温度影响较小,而其对压缩机排气压力影响较大,当混合室直径为1.6 mm时,压缩机排气压力最小;当混合室直径为1.6 mm时,系统制热系数最高。     

喷射器出口结构对反应器混合特性的影响

喷射反应系统中喷射器的流体出口结构严重影响反应器内液液混合特性。为了考察喷射器出口结构对喷射反应器内部液体速度分布规律的影响,文中设计了5种出口结构的喷射器,利用粒子图像测速仪(PIV)对喷射反应器内部流场进行了测量;利用摄像法和数字图像处理技术记录和分析正己烷与水的混合过程,得到反应器内液液混合体系在不同喷射器和不同循环流量下的灰度变化曲线。由结果可知:在正己烷-水液液体系混合过程中,反应器内的液液混合时间、混合均匀程度和混合死区的位置均与喷射器出口结构紧密联系。四侧开孔喷射器的混合时间比两侧开孔的减少了50%左右,2排孔喷射器流出的两股流体会发生碰撞,产生的涡量极值比单排孔增加了45%,较有利于液液混合。另外,当实验中循环流量达到一定值之后,它对反应器的液液混合性能影响将不再明显。     

不同出入口条件下气液喷射器喷射性能的数值模拟

针对气液喷射器传统二维几何模型和模拟中未考虑温度导致气液相变的不足,建立三维几何模型,导入考虑时间、温度影响的气液相变UDF程序,用CFD软件模拟气液喷射器喷射性能.40000 s条件下有相变的模拟结果与实际情况符合较好.改变气液喷射器出入口气液相的速度和压力条件,得到气液喷射器轴线速度、压力、温度、引射比及气液相体积分数等参数.结果表明,随液化天然气(LNG)入口速度增加,气液喷射器引射比增大,合理的LNG入口速度能使喷射器内各相体积分数及引射比趋于稳定,有利于喷射器正常喷射;随混合出口压力增加,引射比减小,LNG体积分数增大,过大的出口压力会导致气液喷射器内喷射偏斜、扩散室出口气相闪蒸汽(BOG)液化现象,不利于喷射器正常喷射.液相入口速度11~12 m/s、混合出口压力0.101~0.304 MPa时,气液喷射器喷射性能最优.     

一种基于二维速度场的R141b喷射器新模型

根据喷射器内部速度场分布改进了混合过程的数学模型,建立了一种基于二维速度场的极限—亚极限喷射器模型。计算了R141b工质的临界背压值及极限—亚极限状态下的喷射系数。与实验数据对比表明:理论极限喷射系数和临界背压值的平均误差分别为4.63%和3.8%;亚极限状态下的理论喷射系数比常规一维模型更加契合实验值。此模型可较好的预测R141b喷射器极限—亚极限状态的性能。     

R23/R134a一级分凝和二级分凝自复叠喷射制冷循环性能理论分析

基于非共沸混合工质自复叠原理应用于喷射制冷循环的研究,对一级分凝和二级分凝自复叠喷射循环进行了理论分析,研究了使用R134a/R23非共沸混合工质时制冷剂的配比、冷凝温度和蒸发温度对两种循环性能的影响,结果表明：随着低沸点组分R23质量分数由0.10增至0.20,一级分凝循环喷射器压比在3.4附近变化,而二级分凝循环喷射器压比在1.8附近变化,两种循环COP均增大;随着冷凝温度由18℃升至23℃,一级分凝循环喷射器压比由3.242增至3.792,而二级分凝循环喷射器压比由1.860升至1.867,两种循环COP均降低;随着蒸发温度由-10℃降至-15℃,一级分凝循环喷射器压比由3.454降至2.832,而二级分凝循环喷射器压比由1.870降至1.840,两种循环COP均升高,并且在相同工况下,二级分凝循环COP远高于一级分凝循环;二级分凝循环在喷射器压比为1.8时,可获得-15℃温区的制冷温度。     

蒸汽喷射器混合室两相流动的数值模拟

应用适用于跨声速流动的湿蒸汽两相流模型对蒸汽喷射器内流体的流动进行了数值模拟研究。重点研究了蒸汽喷射器混合室内流体的流动过程,并比较了采用湿蒸汽模型和理想气体模型计算结果差异。研究结果表明,湿蒸汽模型中,蒸汽喷射器引射系数略高于理想气体模型的,混合室内喷嘴出口和引射蒸汽入口附近激波产生的局部高压明显小于理想气体模型的,工作蒸汽速度、温度的降低也要比理想气体模型的小。     

内部不可逆损失对喷射器性能影响理论分析

喷射器作为喷射式制冷系统的关键部件,其性能对系统性能有着重要影响。建立了采用实际气体性质且考虑喷射器内两相存在的喷射器性能预测模型,并定义了喷射器内部各部分不可逆损失,利用理论模型对喷射器内部各部分不可逆损失程度对喷射器性能的影响进行理论分析,讨论了喷射器内部各部分不可逆损失程度对喷射系数、喷射器效率和喷射器出口背压的影响。结果表明,工作流体在喷嘴中的不可逆损失以及引射流体在吸入室的不可逆损失对喷射系数影响较大,扩散段不可逆损失和混合段不可逆损失对喷射系数几乎没有影响;随着喷射器内部各部分不可逆损失的减小,喷射器效率增大,同时可以使喷射器出口背压提高。     

两级低压引射器的结构设计与数值分析

引射器是目前家用燃气热水器、壁挂炉中燃烧器的重要组成部件,承担着两种以上介质相互引射及其混合的关键任务。首先对燃气燃烧器用的两级引射器进行了结构设计和优化,并对设计出的两种两级引射器进行了二维、稳态的数值模拟,探究了两级引射器内燃气和空气进行动量及质量交换的混合过程,采用质量引射系数和出口甲烷质量分数标准差系数来分别表征引射器的引射性能和混合性能,研究了引射器结构参数和运行参数对引射器性能的影响。研究表明,两种两级引射器均可以引射超过化学当量比的空气,第一级引射器混合段的长度存在最优值使引射器质量引射系数达到最大,当引射器其他参数相同时,优化后的两级引射器在不同背压下引射性能均有提升,在不同背压下混合性能有所降低,背压越高引射性能提升程度越大,混合性能降低程度越小。     

蒸汽喷射压缩器的变工况特性模拟与分析

采用改进热力学,建立了蒸汽喷射压缩器变工况特性数值计算模型。结合水蒸气物性程序,对热压缩海水淡化系统中的蒸汽喷射压缩器的变工况性能进行了计算,分析了工作蒸汽压力、引射压力、混合蒸汽压力的变化对引射系数的影响。计算结果表明,当压缩蒸汽的压力高于设计值时,引射系数随压缩压力的增大而减小,而当压缩低于设计值时,引射系数保持不变;提高引射蒸汽压力会引起引射系数的增大;主动蒸汽压力偏离设计值时,主动蒸汽压力的降低（低于设计值）或提高均会引起喷射器性能的降低。     

Comparative study between vapor compression and multi effect boiling desalination systems

In the present study the following arrangements are considered:a- Multi effect vapor thermocompression (Fig. 1)b- Multi effect boiling (Fig. 2)c- A hybrid multi-effect boiling/vapor thermocompression.In arrangement “c” the effects operated at pressures higher than atmospheric pressure are of the vapor thermocompression type while these operated at sub atmospheric pressures are of the multi effect boiling type.Thermodynamics relations for the three systems under consideration are analysed. The numerical study includes the solution of these equations together with calculations of the heat transfer areas required for the units. The enter effect variations of the thermodynamics properties of water are accurately computed using special subroutines designed for this purpose.The present analysis starts by the arrangement “a” for which the thermodynamics representation of an effect is shown in Fig. 3. Sample of the results for the thermocompression process is presented in Fig. 4 which gives the entrainement ratio (the mass ratio of the secondary to priming steam) as a function of the temperature difference between the priming and secondary streams with the temperature difference across the evaporator condenser as a parameter.It should be realized that using an ejector to perform the compression of the entrained vapor is considered to be a low efficiency process due to irreversibilities encountered in the entrainment, mixing, and compression process. However, the advantages of using the ejector here is that it acts as a controlling device, influenced by the following parameters:1- total temperature difference between the hot and cold ends of the plant2- concentration ratio of the brine and its effect on the boiling point elevation3- number of effects4- temperature difference across the condenser evaporator unitscurves of Fig. 4 are used to calculate the performance ratio of the considered systems. The outcomes showed that using ejectors over the same total temperature difference would result in a reduction of the number of effects used in a conventional MEB without experiencing a proportional reduction in the plant productivity. That would lead to a reduction in the capital and running costs as far as the pumping power is concerned. For specific temperature difference, this arrangement could be benificial for small capacities since a smaller number of effects would require less maintaince and gives more stable characteristics.On the other hand, the hybrid arrangement would include the advantages of both MEB and VTC. That means less number of effects without loosing the plant's potential performance ratio. The deviding pressure line between the VTC and the MEB is chosen in such a way to avoid the interference of different ejectors, namely the driving and venting ejectors, in a subatmospheric effect.