自调节喉嘴比喷射器的研制

摘要

喷射器可以利用太阳能、工业余热和汽车废热等低温热源驱动进行喷射式制冷，为废热能源利用开辟了一条新途径，对我国节能减排具有重要的促进作用。然而与传统压缩式制冷相比，喷射式制冷系统的主要缺点在于制冷效率不高，以及在变工况下不能稳定运行，限制了喷射式制冷的发展和应用。本文针对该问题，设计了一种自调节喉嘴比的喷射器，能够在变化的一次流压力条件下，始终保持较高的引射比，对喷射式制冷系统的发展应用有重要的理论意义和应用价值。
　　首先，研究得到了最优喉嘴比与一次流压力之间的变化规律。仿真分析了不同喉嘴比下引射比随着一次流压力的变化关系。结果表明，不同喉嘴比下，喷射器引射比均随着一次流压力先增大后减小，但是引射比的极值点不同，即同一压力下不同喉嘴比的引射比不同。然后，根据这些仿真结果得到了最优喉嘴比和一次流压力的变化关系。研究了不同一次流压力下引射比随着背压的变化关系，并与引射比随着一次流压力的变化曲线做了对比，发现背压的变化会造成引射比随着一次流压力先增大后减小的趋势。
　　其次，提出并设计了一种自调节喉嘴比喷射器，实现了变工况下引射性能始终保持最优。在喷射器的喷嘴内部加入一段弹性波纹管，弹性波纹管随一次流压力伸缩，推动喷针移动改变对喷嘴的堵塞面积，进而改变喷射器的喉嘴比。而每个一次流压力都对应一个最优的喉嘴比，喷针的形状设计受波纹管伸缩和喉嘴比两个因素共同影响，针对以上情况，设计了一种带有截距的外凸圆台式的喷针。最后对比了这种自调节喉嘴比喷射器和普通固定喉嘴比的喷射器的引射比，发现在一个一次流压力在15-40bar正弦变化的周期内，固定喉嘴比喷射器的工作时间只能占一个周期的26.2％到81.7％，最大引射比只能占自调节喉嘴比喷射器的最大引射比的27.8％到89.9％，而自调节喉嘴比的喷射器在一个周期内都能工作，而且始终工作在最优引射比的状态。
　　最后，搭建喷射器测试实验平台，并实验研究了自调节喷射器的性能，实验表明了提出的自调节喷射器的可行性。本文自主搭建设计了一个专用于测量喷射器引射比的实验平台，设计了可替换喷针和喷嘴的喷射器，测试不同喉嘴比下引射比随一次流压力的变化关系。结果表明不同的一次流压力对应一个引射比最高的喉嘴比，这和仿真的结果是一致的。另外，对比了20组不同工况下仿真和实验的引射比，仿真和实验在同一工况下最大误差是9.3％，使仿真和实验进行了相互验证。
　　综上所述，自调节喉嘴比的喷射器能够有效解决喷射器在变工况下稳定高效运行难题，并可以应用于喷射器设计与优化，将其应用于低品位热源驱动的喷射式制冷系统能够提高系统的制冷性能。

目录

声明

主要符号表

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 喷射器制冷系统的研究

1．2．2 制冷剂的研究

1．2．3 喷射器结构参数的研究

1．3 本文的研究内容

第2章 自调节喉嘴比喷射器的设计

2．1 喷射器的工作原理

2．2 喷射器的参数和性能指标

2．3 自调节喉嘴比喷射器

2．3．1 自调节喉嘴比喷射器的设计路线

2．3．2 自调节喉嘴比喷射器的结构设计

2．3．3 喷针的移动位移与流体压力的关系

2．4 本章小结

第3章 喷射器的数值模拟

3．1 数值模拟的基本原理

3．1．1 控制方程

3．1．2 湍流模型

3．1．3 控制方程的离散和求解

3．2 仿真模型设置

3．2．1 工作条件

3．2．2 结构尺寸

3．2．3 网格划分

3．2．4 仿真设置

3．3 本章小结

第4章 喷射器的仿真结果与分析

4．1 最优喉嘴比的研究

4．1．1 喉嘴比对引射比的影响

4．1．2 喉嘴比对二次流质量流量的影响

4．1．3 最优喉嘴比与一次流压力的关系

4．1．4 喷针的形状

4．2 背压的影响

4．3 自调节喉嘴比的喷射器与传统喷射器对比

4．4 本章小结

第5章 自调节喉嘴比喷射器的实验研究

5．1 实验平台搭建

5．1．1 实验平台总体设计

5．1．2 喷射器设计

5．1．3 实验设备选型

5．1．4 数据采集系统

5．2 实验结果分析

5．3 实验与仿真对比

5．4 本章小结

6．1 本文总结

6．2 课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的项目