基于制冷剂R141B的喷射器混合模型及其实验验证

　　引 言

　　喷射器作为一种增压、混合装置,被广泛用于化工和制冷等多个领域。在喷射式制冷系统中,喷射器因为其增压作用替代了传统的压缩机。与其他制冷方式相比,喷射制冷具有以下优点:可以使用低品位热能例如汽车尾气、化工工业过程余热、太阳能等作为驱动能源;可以使用水作为工质,无破坏臭氧层等环境污染问题;系统不含运动部件,工作稳定可靠。然而喷射制冷系统的性能系数相对较低,限制了其广泛使用。为了优化喷射制冷系统的性能,并对系统进行实时控制与优化,一个简单且精确的喷射器模型是必需的。

　　近年来,喷射器在国内外得到了广泛的研究,建立了一些对喷射器性能进行仿真的模型[1-4]。根据模型的复杂程度和是否含有经验公式,可以分为理论模型、经验模型和混合模型3类。理论模型是指模型依据流体动力学的连续性、动量和能量方程导出。目前大部分的喷射器模型都是属于此类,主要用于喷射器的结构设计和性能仿真[5-6]。这些理论模型虽然精确,但是在计算过程中需要用到流体的物性参数以及需要迭代计算,因而不适合喷射器系统的实时控制与优化。与理论模型相比,经验模型是建立在大量的实验研究之上,模型一般结构简单且不需要流体的物性参数[7-8]。但是经验模型一般只适用于特定的流体和特定的工作条件范围。混合模型结合了理论模型与经验模型二者的优点,一般从流体动力学原理导出,因而具有较高的精度和很好的适应性;同时又用到一些经验简化假设,使其结构简单。现有的喷射器的混合模型很少。Huang和Chang[9]总结了一个由2个经验公式组成的模型,该模型的精度为?10%,但是该模型仍需迭代计算。Chou等[10]提出了一个多参数模型,该模型用到很多经验系数,而这些系数会随着工况的不同而变化,因此限制了其在实时控制与优化方面的应用。最近, Zhu等[11]提出了一种新的喷射器建模方法,建立了一个适用于实时控制与优化的喷射器混合模型,该模型具有结构简单、不需迭代计算的优点。本文在文献[11]提出的建模方法的基础上,对混合模型的建模过程进行深入分析,优化建模过程,得到了一个更加简单、适用范围更广的模型。本文最后实验研究了一个喷射制冷系统,对提出的新型模型进行实验验证,研究结果表明,本文提出的模型能够精确地模拟喷射器的性能。

　　1 系统描述及喷射器基本方程

　　1.1 喷射制冷系统描述

　　喷射式制冷系统主要由喷射器、气体发生器、冷凝器、气液分离器、膨胀阀、蒸发器和循环泵组成,如图1所示。工质在发生器内气化、增压后进入喷射器,经缩放喷嘴后以超音速喷出,在喷嘴附近产生一个低压区,将蒸发器中的低压气体吸入喷射器。这两股气体在喷射器中混合后进入冷凝器,与环境空气热交换后放热冷凝。冷凝液分为两股,一股经膨胀阀降压后进入蒸发器,在那里吸热气化,实现制冷;另一股由循环泵升压后,进入发生器中实现循环。