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喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院蒸汽喷射式制冷是一种以热能为动力的制冷方式。与溴化锂吸收式制冷机相类似，都是依靠热能而工作的，但蒸汽喷射式制冷机只用单一物质为制冷剂。虽然从理论上谈可应用一般的制冷剂，如氨、氟利昂等，但到目前为止，只有以水为制冷剂的蒸汽喷射式制冷机得到实际应用。当用水为制冷剂时所制取的低温必须在0℃以上，故蒸汽喷射式制冷机目前只用于空调装置或用来制取某些工艺过程需要的冷媒水。喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院蒸汽喷射式制冷循环工作原理如图6．5所示。蒸汽喷射式制冷循环基本工作过程是：锅炉A提供的高温高压水蒸汽称为工作蒸汽。工作蒸汽被输送至蒸汽喷射器(主喷射器)，在喷嘴B中绝热膨胀并迅速降压而获得很大的流速(1000m／s以上)；在蒸发器E中由于制取冷量Q0而汽化的水蒸汽被引入喷射器的混合室C中，与绝热膨胀后的高速工作蒸汽混合，一同进入扩压管D。混合蒸汽在扩压管中将速度能转变为压力能二被压缩到相应的冷凝压力pk然后进入冷凝器H向环境介质放出热量Qk。由冷凝器引出的凝结水分为两路，一路经节流器I节流降压至蒸发压力p0后在蒸发器E中汽化吸热，另一路经凝水泵F送回锅炉继续加热循环。喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院蒸汽喷射式制冷利用制冷剂在低压下的相变汽化吸热来制取冷量，与其他制冷循环相比，具有如下特点:1)蒸汽喷射式制冷机的设备结构简单，金属耗量少，造价低廉，运行可靠性高，使用寿命长，一般不需要备用设备。2)制冷系统操作简便，维修量少。3)蒸汽喷射式制冷循环耗电量少，特别适用于有较多工业余汽的场合，能节约能源。蒸汽喷射式制冷循环的特点喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院4)蒸汽喷射式制冷以水作为制冷剂，根据需要可使制冷剂与载冷剂合为一体，或者采用开式循环形式。由于水具有汽化潜热大，无毒等优越性，所以系统安全可靠。5)用水作为制冷剂制取低温时受到水的凝固点的限制。为了获得更低的蒸发温度t0，正在研制以氨、氟利昂为制冷剂的蒸气喷射式制冷机。另外将蒸汽喷射器与活塞式制冷压缩机、吸收式制冷压缩机等串联，用以作为低压机，也能获得较低的蒸发温度t0。6)蒸汽喷射器的加工精度要求较高，循环中的工作蒸汽消耗量较大，制冷循环效率较低。这一切都限制了蒸汽喷射式制冷的实际应用。喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院太阳能喷射式制冷系统喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院蒸汽喷射泵主要由工作喷嘴、混合室及扩压管三部分组成,其基本结构见图1。在结构上,工作喷嘴采用了缩放喷嘴的结构形式,这种结构可以在其出口获得超音速气流。在混合室与扩压管之间还设有一段等截面的喉管,其作用是使工作蒸汽和被抽吸气体充分混合,以减少突然压缩损失和余速动能的损失。喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院工作过程膨胀增速阶段p点截面到2点截面为工作蒸汽在工作喷嘴内的膨胀增速阶段。较高压力的工作蒸汽在工作喷嘴入口p点处以低于声速的气流速度进入蒸汽喷射泵的工作喷嘴。在工作喷嘴的渐缩段流动时,其压力不断减小,速度不断增加。在工作喷嘴的喉部(最小截面处,1点),气流速度达到音速,即马赫数等于1。工作蒸汽在进入工作喷嘴的渐扩段后,压力进一步下降,气流速度进一步增加,达到超音速状态,在工作喷嘴出口截面处,工作蒸汽的气流速度可达900~1200m/s。喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院混合阶段2点截面到3点截面为工作蒸汽与被抽吸气体的混合阶段。工作蒸汽在工作喷嘴出口截面处所形成的高速气流会在工作喷嘴出口附近形成低压区域,压力相对较高的被抽吸气体就会在压力差的作用下,被吸入到混合室。被抽吸气体在e点被吸入抽气器,从e点流动到3点的过程中,速度不断增加,压力在e点到2点段不断下降到工作蒸汽在工作喷嘴出口截面处(2点)的压力。此后在混合室段和喉管前段(2到4)混合物的压力就一直保持恒定值,即P2=Ps=P3=P4。在混合室的前段(2到s),工作蒸汽与被抽吸气体开始混合。在高速工作蒸汽流的携带作用下,被抽吸气体的速度不断增加并达到超音速状态(在s点截面处达到音速)。而工作蒸汽因此速度不断下降,在混合室的后段(s到3)的某一截面处工作蒸汽与被抽吸气体的流动速度达到相等,之后保持恒定。在混合室的后段(s到3),工作蒸汽与被抽吸气体充分混合,混合物的压力在其进入喉管时已保持恒定。这里需要特别说明的是s点截面的位置并不是固定的,而是随着抽气器运行条件的变化而变化的。喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院压缩阶段3点截面到c点截面为工作蒸汽与被抽吸气体的混合物的压缩阶段。混合物在喉管内流动的过程中,会在喉管内的某一截面(4点)产生激波的现象,激波会导致混合物压力的突升(从P4升高到P5)和气流速度的突降(从超音速v4降到亚音速v5)。当混合物从喉管流入到扩压管内后,其部分动能转化为压能,从而使其流速进一步降低,压力进一步上升至需达到的压力值Pc。喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院数学模型(1)将蒸汽喷射泵内流动的工质当作理想气体处理。(2)工质在蒸汽喷射泵内的流动是一维稳态绝热流动,工作蒸汽在工作喷嘴内的流动是一个等熵膨胀过程,工作蒸汽与被抽吸气体的混合物在扩压管内的流动是一个等熵压缩过程。(3)工作蒸汽与被抽吸气体在混合室内开始混合。(4)工作蒸汽与被抽吸气体具有相同的比重和热比容。(5)工作蒸汽和被抽吸气体都处于饱和状态,且它们在进入蒸汽喷射泵时的速度可忽略不计,混合物从扩压管排出时的速度可忽略不计。喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院蒸汽喷射泵内的质量平衡方程被抽吸气体与工作蒸汽的质量流量比:为了便于分析和计算,可用马赫数来描述工质的流动过程。工作蒸汽在工作喷嘴出口截面处(2点)所达到的马赫工作喷嘴效率一般取值范围为0.75~0.9(1)(2)(3)喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院被抽吸气体在工作喷嘴出口截面处(2点)所达到的马赫数:由于抽气器内的混合过程定义为一维稳态绝热过程,所以此过程满足动量和能量守恒定律。通过动量和能量守恒方程的联立,其中上标为*的参数M*称为速度系数,它是流体速度与临界速度(或临界声速)之比。它与马赫数之间关系式为M*e2、M*p2及M4都是通过上式计算得到的(4)(5)(6)喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院喉管内激波前后马赫数之间的关系式激波前后压力比可通过动量守恒方程导出通过上述对蒸汽喷射泵内工作过程的具体描述和分析,可知P2=P3=P4。上式就是在这个前提下得到的。(7)(8)喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院扩压管内的压力升高比为扩压管效率一般其取值范围为0.7~0.9工作喷嘴喉部(1点)截面面积为(9)喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院工作喷嘴喉部(1点)与喉管(3点)截面面积比为:工作喷嘴出口(2点)与工作喷嘴喉部(1点)截面面积比为:喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院在给定相关初始压力、质量流量、质量流量比及其它已知的原始数据和初始参数的前提下,根据上述所建立的数学模型,利用计算机采用迭代计算的方法,即可获得抽气器设计的一些重要尺寸参数喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院从设计计算程序设计框图可以看出,计算过程要求迭代计算。因此在计算完工作蒸汽和被抽吸气体的质量流率后,需给定一个P2的估计值,然后进行下一步计算,求解式(3)-(9)并计算出一些相关参数,其中包括Pc。将Pc的计算值与第一步给定的设计值进行比较,如果其误差在允许范围内,则可继续进行下一步计算;否则,回到第五步重新给定一个新的P2估计值,反复第五到第七步,直到误差在允许范围内为止。最后计算得出的结果即为蒸汽喷射泵设计的一些重要尺寸参数,其中包括工作喷嘴喉部截面积A1、工作喷嘴喉部与喉管截面面积比A1/A3和工作喷嘴出口与工作喷嘴喉部截面面积比A2/A1等。喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院喷射式制冷中南大学能源与科学工程学院