陳光明 孫翔 宣永梅 高能 郝新月

(1 浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310007；2 浙大寧波理工學(xué)院能源與環(huán)境研究所 寧波 315100)

隨著工業(yè)發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越大。隨之而來(lái)的能源短缺、價(jià)格上漲以及全球性的環(huán)境問(wèn)題，使得研究人員轉(zhuǎn)向?qū)稍偕茉吹难芯?，并考慮優(yōu)先利用低品位能源、提高能源利用效率。

噴射器是一種可以利用高壓流體引射低壓流體，有效利用流體壓力能的部件，最早的研究開(kāi)始于在19世紀(jì)60年代[1]。1901年，K.Chunnanond 等[2]將噴射器用于抽除蒸汽冷凝器中的不凝性氣體。當(dāng)時(shí)噴射器主要用于蒸汽機(jī)領(lǐng)域，代替機(jī)械泵給鍋爐加水，噴射制冷循還沒(méi)有提出。經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，如今噴射器作為一種具有升壓、節(jié)流、泵送、混合等多功能的部件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

本文將對(duì)噴射器的工作機(jī)理、性能評(píng)價(jià)指標(biāo)、理論模型建立、結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)性能的影響以及噴射器在制冷中的應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1 工作機(jī)理及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 噴射器的工作機(jī)理

噴射器按噴嘴出口截面工作流體的速度大小可分為亞音速噴射器與超音速噴射器。超音速的物理過(guò)程是指流體的實(shí)際流速大于流體所處狀態(tài)時(shí)聲音傳播速度的流動(dòng)過(guò)程；反之，實(shí)際流速小于流體所處狀態(tài)時(shí)聲音傳播速度的流動(dòng)過(guò)程為亞音速流動(dòng)。本文主要介紹超音速噴射器。

圖1 是一個(gè)超音速噴射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作機(jī)理示意圖。噴射器可分為噴嘴、接受室、恒面積段和擴(kuò)壓段四部分，噴射器的工作機(jī)理為:高壓(高于相應(yīng)臨界流動(dòng)的滯止壓力)的工作流體依次經(jīng)過(guò)噴嘴的漸縮、漸擴(kuò)段，速度在噴嘴喉部到達(dá)音速，在噴嘴出口截面到達(dá)超音速。在此過(guò)程中，工作流體的壓力降低，壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。噴嘴出口的工作流體憑借其較低的靜壓，與引射流體入口之間形成壓差，驅(qū)動(dòng)引射流體進(jìn)入接受室。隨后二者混合，在混合過(guò)程中發(fā)生劇烈的質(zhì)量、動(dòng)量、能量交換，混合流體速度由超音速降為亞音速時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)激波現(xiàn)象，壓力升高，進(jìn)入擴(kuò)壓室。在擴(kuò)壓室內(nèi)，混合流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能，最終從噴射器出口排出，實(shí)現(xiàn)了把引射流體壓力升高的目的。

圖1 噴射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作機(jī)理[3]Fig.1 Principle of ejector configuration[3]

1.2 噴射器性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

噴射器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]主要有:噴射系數(shù)、壓縮比、膨脹比、噴射器效率等。噴射制冷系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)有:系統(tǒng)制冷量、COP 等。

噴射系數(shù)是對(duì)噴射器引射能力的評(píng)估，可以被定義為噴射器引射流體與工作流體的質(zhì)量流量之比。

式中:me為引射流體的質(zhì)量流量，kg/s；mg為工作流體的質(zhì)量流量，kg/s。

壓縮比被定義為噴射器出口混合流體與引射流體的壓力之比。

式中:pc為噴射器出口混合流體的靜壓力，kPa；pe為引射流體的靜壓力，kPa。

膨脹比被定義為噴射器進(jìn)口的工作流體壓力與噴射器接受室前的引射流體壓力之比。

式中:pg為噴射器進(jìn)口工作流體的靜壓力，kPa；pe為引射流體的靜壓力，kPa。

索科洛夫等[4]指出，噴射器的完善性可用噴射器效率來(lái)衡量，即引射流體獲得的與工作流體喪失的之比。

式中:eg、ec、ee分別為工作、混合、引射流體的單位，kJ/kg。

式中:h0、s0為等熵滯止?fàn)顟B(tài)下工質(zhì)的比焓、比熵，kJ/kg、kJ/(kg·K)；h0，e、s0，e為與周圍環(huán)境處于平衡狀態(tài)下工質(zhì)的比焓、比熵，kJ/kg、kJ/(kg·K)；T0，e為環(huán)境溫度，K，通常取293 K。

S.Elbel 等[5]提出了噴射器對(duì)功的恢復(fù)效率，同時(shí)考慮了引射流量和壓力提升的影響。他們把噴射器效率定義為實(shí)際能從噴射器中恢復(fù)的能量的比例，即從接受室入口到擴(kuò)壓室出口引射流體被等熵壓縮的功除以從噴嘴進(jìn)口到擴(kuò)壓室出口理論上工作流體可以被回收的最大能量。

式中:ω為噴射系數(shù)；h為引射流體經(jīng)等熵壓縮在擴(kuò)壓室出口的比焓，kJ/kg；hsn，in為引射流體接受室入口的比焓，kJ/kg；hmn，in為工作流體噴嘴入口的比焓，kJ/kg；h(pdiff，out，smn，in)為工作流體經(jīng)等熵膨脹在擴(kuò)壓室出口的比焓，kJ/kg。

上述性能指標(biāo)中，噴射系數(shù)是最直接、最容易理解的指標(biāo)，反映了通過(guò)消耗一定數(shù)量的工作流體來(lái)獲得一定數(shù)量引射流體的壓力提升，但是沒(méi)能反映流體所攜帶能量的價(jià)值。索科洛夫等[4]的效率雖然試圖反映流體的能量問(wèn)題，但是由于概念本身存在的缺陷，例如基準(zhǔn)態(tài)問(wèn)題，使得它難以得到實(shí)際使用；更為嚴(yán)重的是，它忽視了混合過(guò)程是噴射器的本質(zhì)特征，把工作流體與引射流體分開(kāi)單獨(dú)考慮，因此它不能真實(shí)反映噴射器的實(shí)際工作過(guò)程。文獻(xiàn)[5]所提出的噴射器對(duì)功的恢復(fù)效率雖然克服了效率所存在的缺陷，但同樣沒(méi)有反映混合過(guò)程是噴射器的本質(zhì)特征，因此也不能真實(shí)反映噴射器的實(shí)際工作過(guò)程。

本文作者認(rèn)為，要建立合理的噴射器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，首先要建立能夠反映噴射器本質(zhì)特征的理想噴射器模型，用實(shí)際噴射器的性能與理想噴射器的性能接近的程度作為評(píng)價(jià)實(shí)際噴射器優(yōu)劣的指標(biāo)，才有理論和實(shí)際價(jià)值。

2 理論模型進(jìn)展

本節(jié)將介紹噴射器理論模型的研究進(jìn)展。所涉及的模型假設(shè)有:工質(zhì)為理想氣體、噴射器邊界絕熱、入口速度為零、徑向溫度與速度均勻分布等。其他常見(jiàn)的模型簡(jiǎn)化手段包括:恒壓或恒面積混合假設(shè)、將斜激波近似為正激波、引入等熵效率系數(shù)來(lái)近似每段的損失、假設(shè)兩相混合物性質(zhì)均勻以及在工作流體形成的有效面積喉部開(kāi)始混合。

1942年，J.H.Keenan 等[6]最先提出了基于理想氣體動(dòng)力學(xué)理論的噴射器一維數(shù)學(xué)模型，研究的是一個(gè)簡(jiǎn)化的恒面積混合的噴射器，且不包含擴(kuò)壓段。其假設(shè)包括:工質(zhì)為理想氣體、噴射器邊界絕熱、流動(dòng)為等熵過(guò)程，入口速度為零，此外還討論了正激波現(xiàn)象。1950年，J.H.Keenan 等[7]在之前研究的基礎(chǔ)上考慮了噴射器的多種幾何結(jié)構(gòu)，包括不同的噴嘴和混合段尺寸，其模型將噴射器分為4 個(gè)基本的子部件:噴嘴、接受室、混合室和擴(kuò)壓室?；谝陨霞僭O(shè)，結(jié)合動(dòng)量、能量和質(zhì)量守恒方程，即可確定各子部件關(guān)鍵界面工質(zhì)的參數(shù)。

J.T.Munday 等[8]假設(shè)工作流體從噴嘴噴出后，并不立即與引射流體混合，而是為引射流體形成一個(gè)收斂管道，該管道就像一個(gè)收斂的噴嘴，這樣引射流體在某個(gè)位置加速到音速，該位置即為喉部，如圖2所示[8－10]。在此之后，兩股流體在相同的壓力下發(fā)生混合。

圖2 噴射器假想有效面積Fig.2 Effective area occurring in the ejector throat

J.C.Dutton 等[11]對(duì)恒面積混合的超聲速噴射器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，理論分析了基于簡(jiǎn)化的恒面積混合且無(wú)黏滯力相互作用的一維模型。研究了7個(gè)無(wú)因次變量對(duì)噴射器壓力恢復(fù)性能，即壓縮比的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，理論預(yù)測(cè)的噴射器最大壓縮比較實(shí)驗(yàn)值高15%～22%。該誤差很大程度上是由于模型忽略了流動(dòng)過(guò)程中的摩擦損失。

在Keenan 模型的基礎(chǔ)上，I.W.Eames 等[12]進(jìn)行了模型的一項(xiàng)重要改進(jìn)，考慮了噴嘴、混合段和擴(kuò)壓段的摩擦損失，在計(jì)算質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒時(shí)計(jì)入了基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的等熵效率經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

Huang B.J.等[3]也提出過(guò)類似的模型，同樣假設(shè)工質(zhì)為理想氣體，且考慮到摩擦和混合損失而采用等熵效率系數(shù)。以R141b 為工質(zhì)，在多種工況下對(duì)11種不同幾何結(jié)構(gòu)的噴射器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該理論模型采用的等熵效率系數(shù)基于相同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

Huang B.J.等[13]研究了壅塞現(xiàn)象對(duì)噴射器性能的影響，繪制了背壓對(duì)噴射系數(shù)的影響曲線。如圖3所示[3]，發(fā)生壓力與蒸發(fā)壓力保持不變，其中噴射器的運(yùn)行模式分為3 種:臨界(雙壅塞)、亞臨界(單壅塞)和回流模式。當(dāng)背壓低于臨界背壓，噴射系數(shù)是恒定的，達(dá)到極大值，臨界模式下工作流體與引射流體均發(fā)生壅塞；當(dāng)背壓大于臨界背壓而小于極限背壓，噴射系數(shù)隨背壓的增大而減小，此時(shí)為亞臨界模式，僅工作流體發(fā)生壅塞；當(dāng)背壓大于極限背壓，噴射系數(shù)為0，即回流模式下噴射器無(wú)法工作。他們?cè)敿?xì)闡述了臨界模式下恒壓混合噴射器的一維模型。該模型假設(shè)開(kāi)始混合截面位于恒面積段內(nèi)，而且引射流體達(dá)到音速，然后工作流體與引射流體在相同的壓力下進(jìn)行混合。有學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改，得到更準(zhǔn)確的結(jié)果[14－15]。

圖3 噴射器的運(yùn)行模式Fig.3 Operational modes of ejector

Liu Jiapeng 等[16]在Huang B.J.等的基礎(chǔ)上提出了進(jìn)一步簡(jiǎn)化的模型。用含有4 個(gè)參數(shù)的兩個(gè)線性方程來(lái)求解噴射系數(shù)與臨界背壓，而4 個(gè)參數(shù)可通過(guò)等熵效率系數(shù)以及幾何尺寸參數(shù)得到。為了簡(jiǎn)化理論模型，假設(shè)了噴射器各部件的等熵效率不隨工況條件和幾何參數(shù)的變化而變化。對(duì)比文獻(xiàn)中可用的實(shí)驗(yàn)值，結(jié)果顯示噴射系數(shù)和臨界背壓的平均誤差分別為3.13%和1.35%。Zhang Hailun 等[17]借助CFD 研究了不同粗糙度對(duì)噴射器整體以及各部件效率的影響，為模型部件效率的選擇提供了參考。

Zhu Yinhai 等[18]提出了一種噴射器臨界模式下同時(shí)考慮流向與徑向的臨界圓二維模型。見(jiàn)圖4，在恒面積段入口截面引入“臨界圓”，采用指數(shù)式來(lái)近似該截面流體的徑向二維速度分布。作者對(duì)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果的最大誤差為10.78%，而Huang B.J.等[3]一維模型的誤差為23%。此外，Zhu Yinhai 等的模型只需要14 個(gè)方程和2 個(gè)等熵系數(shù)，而Huang B.J.等的模型需要18 個(gè)方程和4 個(gè)等熵系數(shù)。Zhu Yinhai 等[19]基于上述模型還研究了兩相工質(zhì)模型。但為了簡(jiǎn)化研究，他們假設(shè)工作流體和引射流體的徑向速度分布為線性而非指數(shù)。

圖4 噴射器結(jié)構(gòu)與A-A 截面流場(chǎng)Fig.4 Configuration of ejector and A-A section flow field

N.S.Kumar 等[20]基于法諾流動(dòng)和可變熱容比，對(duì)一維噴射器模型進(jìn)行了修正。利用法諾流動(dòng)方程來(lái)描述混合段的可壓縮摩擦流動(dòng)。此外，考慮到熱容比在噴射器每段的差異，引入熱容比在各段的平均值進(jìn)行計(jì)算，而不是假設(shè)一個(gè)恒定的值。與傳統(tǒng)一維模型相比，該修正模型得到的噴射系數(shù)、背壓的平均誤差分別為4%和5%，具有更高的精度。

涉及亞臨界模式下的噴射器模型研究文獻(xiàn)較少。傳統(tǒng)的噴射器模型側(cè)重于研究理想運(yùn)行工況，即臨界模式下的性能。受客觀因素影響，在某些情況下，噴射器未必能在臨界模式下穩(wěn)定運(yùn)行，因此對(duì)于亞臨界模式的研究具有重要意義。Chen Weixiong 等[21]研究了臨界、亞臨界模式下的一維噴射器模型。亞臨界模式下，仍假設(shè)噴射器內(nèi)壁與工作流體之間仍然存在一個(gè)有效面積區(qū)域，此處引射流體被加速至最大速度，但低于聲速，未達(dá)到壅塞狀態(tài)。除了該有效區(qū)域處的控制方程與臨界模式不同外，其他方程相同。Shi Chaoyin 等[22]提出了工質(zhì)為實(shí)際氣體的臨界與亞臨界模式下的一維噴射器模型。對(duì)于亞臨界模式，采用了與Chen Weixiong 等[21]相同的邊界條件。

Li Fenglei 等[23]也提出了預(yù)測(cè)亞臨界模式下噴射器性能的模型。該模型基于恒壓混合等假設(shè)，可預(yù)測(cè)臨界背壓、極限背壓和噴射系數(shù)。隨著背壓超過(guò)臨界值，噴射系數(shù)呈線性下降，在引射流體流量為零的情況下，結(jié)合質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程和等熵關(guān)系可以得到極限背壓值。

V.Kumar 等[24]提出了一種新型的一維模型。模型引入Prandtl 混合長(zhǎng)度、Prandtl-Meyer 膨脹波、Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性和斜壓效應(yīng)等氣體動(dòng)力學(xué)概念來(lái)確定各個(gè)截面的直徑、混合段長(zhǎng)度、噴嘴出口位置、噴嘴收斂角和發(fā)散角。結(jié)果表明，與Huang B.J.等[3]的一維模型相比，二者面積比、噴射系數(shù)的偏差分別為－0.287%、2.5%。

為了解決1.2 節(jié)評(píng)價(jià)指標(biāo)的問(wèn)題，一些研究者提出了理想噴射器模型。

根據(jù)噴射器的工作特點(diǎn)，A.Arbel 等[25]提出了理想膨脹壓縮機(jī)(Turbine-compressor)模型，以此作為實(shí)際噴射器內(nèi)部損失的比較基準(zhǔn)。R.K.Mcgovern等[26]根據(jù)可逆過(guò)程能效最高的熱力學(xué)常識(shí)，將噴射器作為“黑箱”，假設(shè)在“黑箱”內(nèi)發(fā)生的所有過(guò)程均為可逆過(guò)程，稱之為可逆噴射器并進(jìn)行了分析。以理想膨脹壓縮機(jī)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)一步引入理想熱機(jī)概念以實(shí)現(xiàn)膨脹機(jī)、壓縮機(jī)排出流體之間溫度的一致。雖然這些模型試圖給出噴射器的最高能效以作為實(shí)際噴射器的比較基準(zhǔn)，然而忽視了一個(gè)最基本、最重要的事實(shí)，即實(shí)際噴射器不是通過(guò)功的傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)低壓流體壓力的提升，而是通過(guò)混合過(guò)程中動(dòng)量的交換實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，即實(shí)際噴射器不存在任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，也就不存在任何機(jī)械功的傳遞過(guò)程。混合過(guò)程動(dòng)量交換是噴射器所具有的、區(qū)別于其他能量交換設(shè)備的本質(zhì)特征，任何忽視這一特征的模型都不能真正反映噴射器的本質(zhì)；此外，實(shí)際噴射器的混合壓力遠(yuǎn)低于其出口壓力，而以“膨脹壓縮機(jī)”為基礎(chǔ)的模型都認(rèn)為混合壓力等于出口壓力。因此此類模型偏離實(shí)際噴射器的工作機(jī)理太遠(yuǎn)，不僅不能指導(dǎo)實(shí)際噴射器能效的提高，甚至可能產(chǎn)生嚴(yán)重的誤導(dǎo)。

3 結(jié)構(gòu)尺寸的影響

噴射器作為系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能對(duì)系統(tǒng)效率有著重要的影響，越來(lái)越多的研究關(guān)注于噴射器幾何形狀和運(yùn)行工況對(duì)系統(tǒng)性能的影響。本節(jié)重點(diǎn)關(guān)注噴射器幾何尺寸對(duì)系統(tǒng)性能的影響。從理論上來(lái)說(shuō)，不同的運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)不同的噴射器最佳結(jié)構(gòu)。

3.1 噴嘴

對(duì)于超音速噴射器來(lái)說(shuō)，噴嘴相關(guān)的幾何尺寸包括:噴嘴出口位置、噴嘴收斂角、發(fā)散角、噴嘴收斂段、喉部、發(fā)散段長(zhǎng)度。

如圖5所示，根據(jù)噴射器噴嘴出口與恒面積直管段的入口對(duì)應(yīng)位置關(guān)系，通常將噴射器分成兩類，文獻(xiàn)稱之恒壓混合噴射器和恒面積混合噴射器。

圖5 噴射器結(jié)構(gòu)區(qū)別Fig.5 Different structure of ejector

此處分類只是依據(jù)噴射器的結(jié)構(gòu)特征而提出的，與噴射器理論模型中所說(shuō)的恒壓混合模型以及恒面積混合模型不同。恒壓混合模型是指混合過(guò)程動(dòng)量方程中所用的壓力為恒定值，而恒面積混合模型是指在混合過(guò)程動(dòng)量方程中流動(dòng)方向上的橫截面的面積保持不變。J.H.Keenan 等[7]最早提出恒壓混合噴射器的概念，J.T.Munday 等[8]提出恒壓混合模型，J.H.Keenan 等[6]提出恒面積混合模型，而Huang B.J.等[3]提出的噴射器結(jié)構(gòu)上是恒面積混合噴射器，但混合模型卻采用恒壓混合模型。

噴嘴出口位置對(duì)噴射器的性能有較大影響。對(duì)于固定結(jié)構(gòu)的噴射器，通常是根據(jù)設(shè)計(jì)工況，按經(jīng)驗(yàn)確定噴嘴位置。但當(dāng)運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，此時(shí)的噴嘴位置往往不能提供較好的噴射器性能。S.Aphornratana 等[27]首次提出可移動(dòng)噴嘴的設(shè)計(jì)，即噴嘴可在混合室內(nèi)軸向移動(dòng)，研究了噴嘴位置對(duì)系統(tǒng)制冷量和性能系數(shù)的影響，結(jié)果表明這種噴射器具有良好的變工況適應(yīng)性。R.Yapici[28]進(jìn)行了一種可移動(dòng)噴嘴噴射制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，最佳的噴嘴出口位置在距恒面積段進(jìn)口上游5 mm 處。K.Chunnanond 等[29]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將噴嘴引回恒面積段外，即噴嘴向噴射器上游移動(dòng)，可以減小膨脹波的膨脹角，更多的引射流體通過(guò)由此產(chǎn)生的更長(zhǎng)的夾帶管段進(jìn)入恒面積段，從而提高噴射器的性能。另一方面，引射流體的增多使得混合流體的動(dòng)量降低，激波位置向上游偏移，噴射器不得不在較低的背壓下工作。Chen Shaojie 等[30]以R236fa 為工質(zhì)從理論與實(shí)驗(yàn)上對(duì)可移動(dòng)噴嘴的噴射器性能進(jìn)行了研究，其通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了噴嘴位置對(duì)噴射器臨界模式下的噴射系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)臨界噴射系數(shù)隨噴嘴出口與恒面積段入口距離的增加先增大后不變。因此在一定范圍內(nèi)，臨界噴射系數(shù)取決于引射流體的壅塞情況。當(dāng)噴嘴向上游移動(dòng)時(shí)，混合流體在恒面積段內(nèi)達(dá)到聲速，臨界噴射系數(shù)保持不變。Wang Chen 等[31]提出了一種自適應(yīng)噴嘴結(jié)構(gòu)的噴射器，即在噴嘴上安裝波紋管，噴嘴位置可根據(jù)工作壓力的變化而改變，波紋管的設(shè)計(jì)基于數(shù)值模擬的結(jié)果。Fu Weina 等[32]數(shù)值研究了噴嘴出口位置的影響。結(jié)果表明，當(dāng)噴嘴出口至恒面積段進(jìn)口距離與噴嘴喉部直徑的比值從0 增至19時(shí)，噴射系數(shù)持續(xù)增大；當(dāng)該比值繼續(xù)增大，噴射系數(shù)急劇下降，此時(shí)噴嘴出口截面位于混合室收斂段進(jìn)口的上游。此時(shí)工作流體在噴嘴出口膨脹較劇烈，導(dǎo)致引射流體流動(dòng)有效面積減小，從而導(dǎo)致噴射系數(shù)驟降。史海路等[33]實(shí)驗(yàn)研究了噴嘴出口位置的影響，結(jié)果均顯示存在最佳位置使得噴射系數(shù)最大。最佳噴嘴出口位置值還會(huì)隨著其他幾何尺寸的變化而變化[14，34]。

Wang Lei 等[35]利用CFD 數(shù)值研究了噴嘴的收斂角和發(fā)散角，噴嘴收斂段、喉部和發(fā)散段長(zhǎng)度對(duì)噴射器性能的影響。隨著噴嘴收斂角的增大，工作流體流量與噴射系數(shù)先緩慢增大再急劇下降；隨著噴嘴發(fā)散角的增大，工作流體流量與噴射系數(shù)先急劇上升再緩慢下降；隨著噴嘴收斂段、喉部和發(fā)散段長(zhǎng)度的增加，噴射系數(shù)先增大后減小。在其所研究的幾個(gè)幾何因素中，噴嘴喉部和發(fā)散段尺寸對(duì)噴射系數(shù)的影響較大。姚軼智等[36]通過(guò)在噴嘴尾部設(shè)置靜態(tài)擾流元件，拓展混合空間以增強(qiáng)動(dòng)量交換效率的同時(shí)將傳統(tǒng)的動(dòng)量交換過(guò)程由二維變?yōu)槿S，在亞音速工況下提升了噴射器噴射系數(shù)，但臨界壓力降低。薛康康等[37]提出采用花瓣形噴嘴提高混合效率的方法提升了噴射器性能，數(shù)值結(jié)果表明，與圓形噴嘴相比，該結(jié)構(gòu)下的臨界背壓提高了5%，噴射系數(shù)最多可提高13.3%。

3.2 接受室

接受室收斂角是影響噴射器性能的重要參數(shù)之一。Wu Hongqiang 等[38]研究了恒壓混合下接受室收斂角θ對(duì)引射系數(shù)的影響。收斂角較小時(shí)，噴射系數(shù)隨θ的增大而增加，當(dāng)θ介于8～10°時(shí)，達(dá)到最大值，之后隨θ增大緩慢減小。因此，對(duì)于給定長(zhǎng)度的混合室，存在一個(gè)最佳的接受室收斂角。當(dāng)收斂角大于最佳收斂角時(shí)，作者通過(guò)CFD 解釋了此時(shí)噴射系數(shù)減小的原因，即隨著收斂角的增大，噴射器內(nèi)渦流的分布更加明顯，從而降低了噴射器性能。

A.S.Ramesh 等[39]從數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)上對(duì)收斂角介于0～22°的6 個(gè)不同尺寸噴射器進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在所研究的工況下，收斂角12°的噴射器對(duì)應(yīng)的噴射系數(shù)最佳，與收斂角0°對(duì)應(yīng)的最佳噴射系數(shù)相比，增加了99.1%。

但是，對(duì)于不同的噴射器類型、不同的工質(zhì)、不同的運(yùn)行工況，最佳收斂角的值往往不同[40－44]。

3.3 恒面積段

面積比是影響噴射器性能的一個(gè)重要因素。面積比，如式(7)所示，為恒面積段截面積與噴嘴喉部截面積的比值。

式中:dm為恒面積段截面的直徑，mm；dnozz為噴嘴喉部截面的直徑，mm。

S.Varga 等[45]采用可變喉部面積噴射器，在保持恒面積段直徑不變的情況下，通過(guò)改變噴嘴直徑，控制面積比在13～27 范圍內(nèi)，利用CFD 研究了面積比對(duì)噴射系數(shù)的影響。結(jié)果表明，在恒定的工作流體壓力和引射流體壓力條件下，雖然噴射系數(shù)隨面積比的增加而增加，但這也導(dǎo)致了臨界背壓變小。因此，面積比存在一個(gè)最佳值，應(yīng)根據(jù)工況條件選擇其值。當(dāng)面積比取21 時(shí)，噴射系數(shù)取到最大值0.26，這與Sun Dawen[46]在類似工況下的結(jié)果吻合度較高。S.Varga等[47]還通過(guò)實(shí)驗(yàn)將結(jié)果與CFD 數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)和比較，發(fā)現(xiàn)CFD 與實(shí)驗(yàn)的工作流體流量吻合較好，平均相對(duì)誤差為7.7%，但CFD 對(duì)引射流體流量及引射系數(shù)的預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差約20%。Pei Pucheng等[48]利用CFD 對(duì)燃料電池用噴射器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究，該噴射器利用高壓一次氫氣引射未反應(yīng)完全的二次氫氣，最佳面積比范圍為9～12.53。Ma Xiaoli 等[49]提出了在噴嘴喉部?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)主軸的方法，使噴嘴喉部面積在操作者的控制下動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)主軸遠(yuǎn)離噴嘴時(shí)，噴嘴喉部面積增加，從而改變面積比。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主軸位置向噴嘴方向移動(dòng)時(shí)，由于一次流量的減少，引射流量減少，存在最佳噴射系數(shù)。臨界背壓隨主軸尖端到噴嘴距離增加而顯著增加。V.V.Nguyen 等[50]通過(guò)移動(dòng)主軸、改變噴嘴出口位置，從而調(diào)節(jié)面積比，發(fā)現(xiàn)與固定結(jié)構(gòu)噴射器相比，可變幾何結(jié)構(gòu)噴射器的性能得到較大提高。

對(duì)于恒面積段長(zhǎng)度，K.Pianthong 等[51]認(rèn)為，隨著恒面積段長(zhǎng)度的增加，臨界背壓緩慢增加，達(dá)到一定極限后開(kāi)始下降。但是最大噴射系數(shù)幾乎不受恒面積段長(zhǎng)度的影響。Yan Jia 等[52]數(shù)值模擬的結(jié)果也顯示恒面積段長(zhǎng)度對(duì)噴射系數(shù)的影響很小。Chen Weixiong 等[15]的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隨著恒面積段長(zhǎng)度與直徑之比從2 增至10，當(dāng)引射壓力較低時(shí)，噴射系數(shù)先增大而后趨于穩(wěn)定；當(dāng)引射壓力較高時(shí)，該長(zhǎng)徑比對(duì)噴射系數(shù)的影響不大。

3.4 擴(kuò)壓段

擴(kuò)壓段的結(jié)構(gòu)尺寸包括擴(kuò)壓段長(zhǎng)度、發(fā)散角。K.Banasiak 等[53]研究了擴(kuò)壓段發(fā)散角對(duì)噴射器對(duì)功恢復(fù)效率的影響，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，最佳發(fā)散角約3°。當(dāng)發(fā)散角由2°減至1°時(shí)，擴(kuò)壓段內(nèi)壁的摩擦效應(yīng)加劇使得該效率迅速降低，而當(dāng)發(fā)散角由3.5°增至15°時(shí)，動(dòng)量混合的不完全導(dǎo)致該效率緩慢降低。Li Shengyu 等[54]利用CFD 研究了擴(kuò)壓段長(zhǎng)度對(duì)噴射系數(shù)的影響，噴射系數(shù)隨著擴(kuò)壓段長(zhǎng)度的增加先迅速增加再緩慢減小。M.S.Lee 等[55]也借助CFD 對(duì)噴射器擴(kuò)壓段尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。Yan Jia 等[56]的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在其所研究的范圍內(nèi)，擴(kuò)壓段長(zhǎng)度對(duì)噴射系數(shù)的影響很小。Dong Jingming 等[57]的CFD模擬結(jié)果表明，在相同的恒面積段長(zhǎng)度下，其所研究的幾種擴(kuò)壓段長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的噴射系數(shù)幾乎一致，而臨界背壓隨擴(kuò)壓段長(zhǎng)度的增加而增大并趨向于某一恒定值。

4 噴射制冷技術(shù)的應(yīng)用

噴射制冷技術(shù)的應(yīng)用形式主要是各類噴射制冷系統(tǒng)，包括單級(jí)噴射制冷系統(tǒng)、多級(jí)噴射式制冷系統(tǒng)、噴射－壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)、噴射－吸收復(fù)合制冷系統(tǒng)、無(wú)泵噴射制冷系統(tǒng)等[58－59]。

噴射制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)COP 被定義為制冷循環(huán)獲得的制冷量與輸入系統(tǒng)的能量之比，即:

式中:Qe為系統(tǒng)制冷量，kW；Qg為發(fā)生器熱，kW；Wpump為循環(huán)泵功，kW。

由于發(fā)生器熱與泵功在能量品位上差別較大，用上述指標(biāo)衡量系統(tǒng)的優(yōu)劣是有欠缺的。可以采用系統(tǒng)效率來(lái)評(píng)價(jià)熱和機(jī)械能共同驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)在熱力學(xué)理論研究方面似乎更為合理，但如上文所述，概念本身存在的問(wèn)題，使得這一評(píng)價(jià)指標(biāo)在很多場(chǎng)合會(huì)失去實(shí)際意義。熱和機(jī)械能共同驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)本文不做討論。

4.1 單級(jí)與多級(jí)噴射制冷系統(tǒng)

單級(jí)噴射制冷系統(tǒng)是形式最簡(jiǎn)單的噴射制冷系統(tǒng)，原理如圖6所示。發(fā)生器出口的高溫高壓制冷劑氣體作為工作流體經(jīng)噴射器噴嘴加速，在接受室中引射來(lái)自蒸發(fā)器的低壓制冷劑，二者在混合室中完成動(dòng)量交換、質(zhì)量交換后經(jīng)擴(kuò)壓室排入冷凝器。冷凝器出口的制冷劑分為兩股，一股經(jīng)循環(huán)泵加壓送入發(fā)生器，另一股經(jīng)節(jié)流閥降溫降壓后送入蒸發(fā)器。在噴射制冷系統(tǒng)中，噴射器在臨界條件下運(yùn)行，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的噴射系數(shù)、制冷量和COP，當(dāng)背壓超過(guò)臨界背壓，噴射器性能將顯著降低。

圖6 單級(jí)噴射制冷系統(tǒng)Fig.6 Single stage ejector refrigeration system(SERS)

考慮到工況條件的影響，Z.Aidoun 等[60]基于熱力學(xué)模型對(duì)單級(jí)噴射制冷系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，研究了設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下的噴射器性能。研究發(fā)現(xiàn)在非設(shè)計(jì)工況下，由于混合不充分和激波的存在，增加了內(nèi)部過(guò)熱的產(chǎn)生。為了防止內(nèi)部凝結(jié)，噴射器進(jìn)口需要設(shè)置大約5 ℃過(guò)熱度，但過(guò)大的過(guò)熱度會(huì)限制冷凝器的效率。B.Gil 等[61]在蒸發(fā)溫度10 ℃、冷凝溫度40 ℃、發(fā)生溫度70～200 ℃的工況下，通過(guò)數(shù)值手段研究了不同工質(zhì)(丙酮、苯、環(huán)戊烷、環(huán)己烷、甲苯、R236ea、R236fa、R245ca、R245fa、R365mfc、RC318)在噴射制冷循環(huán)中的性能，結(jié)果表明每種工質(zhì)的最佳噴射系數(shù)、最大COP 以及對(duì)應(yīng)的最佳發(fā)生溫度均不相同。

有學(xué)者將預(yù)熱器、預(yù)冷器引入單級(jí)噴射制冷系統(tǒng)[62]，原理如圖7所示。預(yù)熱器與預(yù)冷器的本質(zhì)均為回?zé)崞?，但它們布置的位置及目的有所差異。預(yù)熱器被設(shè)置在噴射器出口與發(fā)生器入口，即噴射器出口的制冷劑加熱即將進(jìn)入發(fā)生器的制冷劑，降低了發(fā)生器所需的加熱量，減小了冷凝器的負(fù)荷。預(yù)冷器被設(shè)置在冷凝器出口與蒸發(fā)器出口，即用蒸發(fā)器出口的制冷劑冷卻冷凝器出口即將進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑，降低了冷凝器的負(fù)荷，保證了進(jìn)入噴射器制冷劑的過(guò)熱度，但降低了系統(tǒng)制冷量。Sun Dawen 等[63]對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究。研究發(fā)現(xiàn)，如果在循環(huán)中引入預(yù)熱器，則可減少熱輸入量和冷卻負(fù)荷，在所研究的工況下COP 可提高約20%。但額外的兩個(gè)換熱器，導(dǎo)致額外的成本且增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度。引入預(yù)熱器可以提高系統(tǒng)COP，雖然設(shè)置預(yù)冷器不一定能提高系統(tǒng)COP，但有時(shí)可以降低系統(tǒng)能耗，預(yù)冷器的設(shè)置有沒(méi)有意義取決于蒸發(fā)器出口制冷劑為預(yù)冷器提供的冷量是否多余。例如，在壓縮空氣冷凍干燥技術(shù)中，為確保壓縮空氣中的含濕量達(dá)到要求，需將其降溫至壓力露點(diǎn)2～10 ℃，而用氣設(shè)備并不需要如此低的溫度，往往在蒸發(fā)器前設(shè)置一個(gè)預(yù)冷器，用蒸發(fā)器出口的低溫壓縮空氣預(yù)冷蒸發(fā)器前的高溫壓縮空氣，可以回收多余的冷量，從而降低了蒸發(fā)器的負(fù)荷。

基于單級(jí)噴射制冷系統(tǒng)，有學(xué)者提出了一種朗肯－噴射制冷復(fù)合系統(tǒng)，最典型的循環(huán)原理如圖8所示。該類系統(tǒng)利用汽輪機(jī)等透平機(jī)械的乏汽作為工作流體驅(qū)動(dòng)噴射器，在獲得輸出電功率的同時(shí)產(chǎn)生制冷量，即冷電聯(lián)產(chǎn)。Zheng Bin 等[64]對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究，噴射器由汽輪機(jī)的乏汽驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)可同時(shí)產(chǎn)生電力和制冷量。以R245fa 為工質(zhì)，在tg＝122℃、tc＝25 ℃、te＝70 ℃的工況下，效率為56.8%，且大部分損失發(fā)生在噴射器中。A.Habibzadeh等[65]理論研究了不同工質(zhì)(R123、R141b、R245fa、R600a、R601a)對(duì)該種系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明，R141b 對(duì)應(yīng)的的最佳壓力最低，R601a 對(duì)應(yīng)的的損失最低。P.Haghparast 等[66]研究了噴射器幾何形狀對(duì)帶有兩級(jí)蒸發(fā)器的朗肯－噴射復(fù)合系統(tǒng)性能的影響，該系統(tǒng)可以提升傳統(tǒng)有機(jī)朗肯循環(huán)的輸出電功率。結(jié)果表明，輸出電功率隨噴射器面積比、引射流體流量的增加而提高，隨噴嘴喉部直徑、工作流體壓力的增加而降低，隨恒面積段直徑的增加而提高。A.Ahmadzadeh 等[67]研究了一種由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的聯(lián)合朗肯－噴射制冷系統(tǒng)(CPER)，功率為50 kW。該系統(tǒng)主要由兩個(gè)循環(huán)組成:集熱器循環(huán)和制冷循環(huán)。通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算及分析，結(jié)果表明，熱能利用率提高25.5%，效率提高21.27%，總成本降低7.76%。Zhang Chenghu 等[68]提出了一種同時(shí)輸出功率和熱量的新型有機(jī)朗肯循環(huán)與噴射式熱泵相結(jié)合的系統(tǒng)。該系統(tǒng)仍以汽輪機(jī)乏汽作為工作流體驅(qū)動(dòng)噴射器，與傳統(tǒng)的有機(jī)朗肯循環(huán)相比，新型聯(lián)合循環(huán)最大凈輸出功率提高10.78%，最大熱回收能力提高19.04%。之后還對(duì)朗肯循環(huán)與噴射式熱泵并聯(lián)布置的系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析[69]。也有學(xué)者對(duì)朗肯循環(huán)與噴射制冷循環(huán)相結(jié)合的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究[70]。而在另一種與朗肯循環(huán)相結(jié)合的噴射制冷系統(tǒng)中[71]，噴射制冷子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，噴射器并不是由汽輪機(jī)的乏汽驅(qū)動(dòng)，可視為兩子系統(tǒng)的復(fù)合式系統(tǒng)。

圖8 朗肯－噴射制冷復(fù)合系統(tǒng)Fig.8 Combined SERS and power system

太陽(yáng)能作為可驅(qū)動(dòng)噴射式制冷的低品位熱源之一，近些年得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，其最初的形式如圖9[72]。由于存在制冷劑泄漏風(fēng)險(xiǎn)以及太陽(yáng)能子系統(tǒng)與噴射制冷子系統(tǒng)的耦合導(dǎo)致控制困難等原因，該系統(tǒng)的應(yīng)用受到了限制。因此，該系統(tǒng)的另一種形式出現(xiàn)了，如圖10所示。該系統(tǒng)中，太陽(yáng)能子系統(tǒng)通過(guò)中間換熱器將集熱器收集的熱量傳輸給噴射制冷子系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)后者運(yùn)行。與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)COP 更高，更環(huán)保。但由于太陽(yáng)能間斷、不連續(xù)，所提供的熱量不穩(wěn)定，使得該系統(tǒng)的整體效率較低。學(xué)者們研究了集熱器[73－76]、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度[77]、蓄能裝置[78－81]、可變幾何形狀噴射器[82－84]對(duì)該系統(tǒng)性能的影響。

圖9 太陽(yáng)能噴射制冷系統(tǒng)Fig.9 Solar-driven ejector refrigeration system(SoERS)

圖10 含中間換熱器的太陽(yáng)能噴射制冷系統(tǒng)Fig.10 Solar-driven ejector refrigeration system with intermediate heat exchanger

此外，有學(xué)者對(duì)該系統(tǒng)與朗肯循環(huán)的耦合系統(tǒng)進(jìn)行了研究，原理見(jiàn)圖11。M.Elakhdar 等[85]對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，集熱器類型為拋物線槽式，他們研究了不同制冷劑(R601a、R245fa、R123、R141b)對(duì)噴射系數(shù)、系統(tǒng)COP 的影響，結(jié)果表明，R601a 提供的噴射系數(shù)和COP 最高。此外，有學(xué)者還研究了與之類似的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)[86－87]。

圖11 朗肯－太陽(yáng)能噴射制冷系統(tǒng)Fig.11 Solar-driven ejector refrigeration system combined with a power cycle

含多個(gè)噴射器的噴射制冷系統(tǒng)、含多個(gè)蒸發(fā)器的噴射制冷系統(tǒng)等在一定情況下既能滿足不同的系統(tǒng)需求，又能提高傳統(tǒng)噴射制冷系統(tǒng)的性能?？紤]到固定幾何形狀噴射器的變工況適應(yīng)性較差，F(xiàn).Aligolzadeh 等[88]提出了多種不同尺寸噴射器并聯(lián)布置的系統(tǒng)形式，如圖12所示，每個(gè)噴射器僅在特定的背壓范圍內(nèi)工作，即背壓決定噴射器運(yùn)行的方案，該系統(tǒng)可以在工況變化的情況下以較高的效率連續(xù)運(yùn)行。

圖12 一種多噴射器制冷系統(tǒng)Fig.12 Multi-ejector refrigeration system

關(guān)于多級(jí)噴射制冷系統(tǒng)，Xing Meibo 等[89]提出使用兩個(gè)噴射器從傳統(tǒng)的兩級(jí)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)中回收節(jié)流過(guò)程損失的功，系統(tǒng)COP 可提高10.5%～30.6%。Chen Guangming 等[90]提出了一種由兩個(gè)熱源驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)，如圖13所示，該系統(tǒng)可由兩種不同品位的熱源驅(qū)動(dòng)，以R236fa 為工質(zhì)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M。結(jié)果表明，在低于21.7 ℃的冷凝溫度下，后一種系統(tǒng)的性能優(yōu)于常規(guī)單級(jí)系統(tǒng)。

圖13 一種由兩個(gè)熱源驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)噴射制冷系統(tǒng)Fig.13 Two-stage ERS driven by two heat sources

4.2 噴射－壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)

近年來(lái)，噴射－壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)得到了廣泛的研究。噴射器噴射系數(shù)與運(yùn)行工況對(duì)噴射制冷系統(tǒng)性能的影響至關(guān)重要。對(duì)于單級(jí)噴射制冷循環(huán)而言，當(dāng)其他參數(shù)不變，蒸發(fā)壓力增大時(shí)，噴射系數(shù)以及冷凝壓力也會(huì)增大。本文介紹三種類型的噴射－壓縮復(fù)合系統(tǒng)，第一種類型可稱為含壓縮機(jī)的噴射制冷系統(tǒng)，其中壓縮機(jī)的作用主要是提升引射流體的壓力；第二種類型可稱為含噴射器的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)，其中噴射器主要是作為一種膨脹裝置；第三種類型，噴射－壓縮復(fù)疊系統(tǒng)，該類系統(tǒng)由噴射子循環(huán)與壓縮子循環(huán)組成。

第一類系統(tǒng)于1990年由M.Sokolov 等[91]提出，其基本形式如圖14所示，在傳統(tǒng)單級(jí)噴射制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入壓縮機(jī)，置于蒸發(fā)器出口，增加引射流體的壓力，從而提高了噴射器的性能。Xu Yingjie等[92]對(duì)傳統(tǒng)的含壓縮機(jī)的噴射制冷系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，即在蒸發(fā)器入口增加了氣液分離器和節(jié)流閥，如圖15所示。結(jié)果顯示，在所研究的工況下，新系統(tǒng)COP 可達(dá)6.30，較前者提高了21.95%，表明新系統(tǒng)具有更好的節(jié)能潛力。楊悅等[93]對(duì)以太陽(yáng)能為熱源的此類系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，研究了壓縮機(jī)壓比對(duì)系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明存在最佳壓比為1.45。

圖14 含壓縮機(jī)的噴射制冷系統(tǒng)Fig.14 ERS with a booster compressor

圖15 一種改進(jìn)的含壓縮機(jī)的噴射制冷系統(tǒng)Fig.15 Improved ERS with a booster compressor

針對(duì)第二類含噴射器的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)，其原理如圖16[94]，將噴射器并入蒸氣壓縮循環(huán)一方面可減少與膨脹裝置相關(guān)的不可逆損失，另一方面提高了壓縮機(jī)吸入壓力，減小了壓縮功，從而提高COP。

圖16 含噴射器的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)Fig.16 Compression refrigerating system with an ejector

E.Nehdi 等[94]研究了蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、噴射器面積比、工質(zhì)對(duì)該系統(tǒng)COP 的影響，采用R141b 時(shí)系統(tǒng)性能較好，最大COP 為4.9。當(dāng)以R141b 為工質(zhì)，tc＝30 ℃，te＝－15 ℃，面積比取最佳面積比時(shí)，該循環(huán)COP 較傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)提升約22%。H.K.Ersoy 等[95]以R124a 為工質(zhì)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，COP 比傳統(tǒng)壓縮系統(tǒng)高6.2%～14.5%。N.B.Sag 等[96]以R134a 為工質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，COP 增加了7.34%～12.87%，效率增加了6.6% ～11.24%。Wang Xiao 等[97]從理論上對(duì)4種不同的含噴射器的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行了比較。還提出了一種新的循環(huán)，將噴射器置于蒸發(fā)器和氣液分離器之間，使其具有更好的性能。也有學(xué)者提出了其他配置形式[98－99]。

D.A.Dokandari 等[100]對(duì)該系統(tǒng)的復(fù)疊式系統(tǒng)進(jìn)行了研究，即將高溫循環(huán)的蒸發(fā)器作為低溫循環(huán)的冷凝器，分別以CO2和NH3作為低溫循環(huán)和高溫循環(huán)的工質(zhì)。與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式復(fù)疊系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的COP 和第二定律效率較前者分別提升7%和5%。

M.Elakdhar 等[101]提出了一種在不同壓力水平下運(yùn)行的雙蒸發(fā)器系統(tǒng)。如圖17所示，在該系統(tǒng)中，噴射器將從兩個(gè)蒸發(fā)器出口的工質(zhì)進(jìn)行混合，與常規(guī)循環(huán)相比，該循環(huán)使COP 提高了32%。由于與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮制冷相比，噴射器提高了壓縮機(jī)進(jìn)口的工質(zhì)壓力，故壓縮機(jī)僅需要很少的功率輸入。

圖17 一種含多個(gè)蒸發(fā)器的噴射－壓縮復(fù)合系統(tǒng)Fig.17 Multi-evaporator ERS

此外，T.Rostamnejad 等[102]對(duì)第一類與第二類相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了研究，如圖18所示，以效率為目標(biāo)函數(shù)對(duì)該系統(tǒng)的工質(zhì)進(jìn)行了篩選，并與第二類含噴射器的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)和常規(guī)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明:在所研究的6 種工質(zhì)中，R1234ze 最為理想，在冷凝溫度為40 ℃和蒸發(fā)溫度為5 ℃時(shí)，該系統(tǒng)的效率分別比后兩者高5.7%和15.5%。

圖18 含額外壓縮機(jī)及噴射器的壓縮制冷系統(tǒng)Fig.18 Compression refrigerating system with an extra ejector and compressor

第三類是噴射－壓縮復(fù)疊系統(tǒng)，該類循環(huán)由噴射子循環(huán)與壓縮子循環(huán)組成。1993年，M.Sokolov等[103]首先提出了這種系統(tǒng)，原理如圖19所示。太陽(yáng)能噴射子系統(tǒng)與壓縮子系統(tǒng)間設(shè)一接觸式換熱器作為中間冷卻器，該換熱器既作為太陽(yáng)能噴射子系統(tǒng)的蒸發(fā)器，也作為壓縮子系統(tǒng)的冷凝器。A.Arbel等[104]對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究，證明了其可行性。Sun Dawen[105]將文獻(xiàn)[103]采用的中間接觸式換熱器換成了間壁式換熱器，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值研究，并分別以R134a、水作為壓縮子循環(huán)、噴射子循環(huán)的工質(zhì)，結(jié)果表明，該聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)COP 比常規(guī)循環(huán)增加50%。H.Vidal 等[106]利用TRNSYS 對(duì)帶有蓄熱器的該系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，分別以R141b 和R134a作為噴射子循環(huán)和壓縮子循環(huán)的工質(zhì)，對(duì)中間換熱溫度以及平板集熱器面積進(jìn)行了優(yōu)化。K.Megdouli等[107]對(duì)噴射子循環(huán)與兩個(gè)壓縮子循環(huán)三者復(fù)疊的系統(tǒng)進(jìn)行了研究，將噴射制冷系統(tǒng)作為第三級(jí)冷卻循環(huán)，從高溫冷凝器回收余熱。在總損失最小化的情況下，通過(guò)理論證明了該系統(tǒng)與兩個(gè)壓縮子循環(huán)復(fù)疊的系統(tǒng)相比具有更高的COP 和更低的損失。Chen Guangming 等[108]提出了一種提高噴射－壓縮復(fù)疊系統(tǒng)效率的方法，即利用壓縮子循環(huán)壓縮機(jī)出口的過(guò)熱CO2蒸氣預(yù)熱噴射子循環(huán)發(fā)生器前的制冷劑，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。分別以R245ca、R600、R601b 為噴射子循環(huán)工質(zhì)對(duì)蒸發(fā)溫度－40～0 ℃范圍內(nèi)的系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，該方法在低蒸發(fā)溫度下對(duì)提升系統(tǒng)性能更有效。喬夏瑩等[109]對(duì)圖19所示系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，研究了發(fā)生溫度、中間溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

圖19 一種太陽(yáng)能噴射與壓縮結(jié)合的制冷系統(tǒng)Fig.19 Combined SoERS with compression refrigeration system

4.3 噴射－吸收復(fù)合制冷系統(tǒng)

吸收式制冷是常見(jiàn)的制冷方式之一，最基本的形式如圖20，原理及分類可以參考文獻(xiàn)[110]。吸收式制冷可由各種低品位熱源驅(qū)動(dòng)，但是與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮制冷相比，其系統(tǒng)COP 普遍較低。

圖20 吸收式制冷系統(tǒng)Fig.20 Absorption refrigeration system

噴射－吸收復(fù)合制冷循環(huán)最早由Chen Liting[111]提出，在這種循環(huán)中，噴射器引射蒸發(fā)器中的制冷劑至吸收器，原理如圖21所示。系統(tǒng)高度依賴于噴射器幾何形狀，最佳COP ＝0.85，而常規(guī)循環(huán)在相同工況下(tg＝120 ℃、tc＝40 ℃、te＝5 ℃)的COP ＝0.68，當(dāng)冷凝器溫度降低至30 ℃，COP 可達(dá)1.5。C.Vareda 等[112]數(shù)值模擬了噴射器混合段直徑對(duì)該系統(tǒng)性能的影響。該系統(tǒng)以氨－硝酸鋰為工質(zhì)對(duì)，噴射器位于吸收器入口，取代溶液膨脹閥。液－氣噴射器從蒸發(fā)器中吸入制冷劑蒸氣，吸收器壓力高于蒸發(fā)器壓力，而不需要額外的能源消耗。結(jié)果顯示:與傳統(tǒng)的單效吸收式制冷循環(huán)相比，噴射器的設(shè)置使得發(fā)生溫度降低約9 ℃，且在中等溫度范圍COP 升高；其次，混合段的直徑對(duì)系統(tǒng)COP 影響較大，可變幾何形狀的噴射器更有利于系統(tǒng)控制與優(yōu)化。Liang Xiao等[113]提出一種采用兩個(gè)噴射器的吸收式制冷系統(tǒng)，即設(shè)置額外的噴射器替代圖21所示系統(tǒng)中的循環(huán)泵，該噴射器由發(fā)生器出口的高壓工質(zhì)驅(qū)動(dòng)。熱力學(xué)分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的吸收式制冷系統(tǒng)相比，盡管該系統(tǒng)無(wú)需循環(huán)泵，但由于犧牲了部分制冷劑流量，使得系統(tǒng)COP 降低。

圖21 噴射－吸收復(fù)合制冷系統(tǒng)(a)Fig.21 Combined ejector-absorption refrigeration system(a)

另一種噴射－吸收復(fù)合制冷系統(tǒng)的原理如圖22所示[114]，將噴射器置于發(fā)生器和冷凝器之間，增加了蒸發(fā)器中制冷劑的流量，從而實(shí)現(xiàn)性能的提升。作者研究了運(yùn)行工況參數(shù)對(duì)該系統(tǒng)噴射系數(shù)、COP 的影響，在tc＝30 ℃，te＝5 ℃或te＝10 ℃的條件下，該系統(tǒng)最佳COP 較傳統(tǒng)單效吸收式制冷系統(tǒng)高20%～40%。

圖22 噴射－吸收復(fù)合制冷系統(tǒng)(b)Fig.22 Combined ejector-absorption refrigeration system(b)

G.K.Alexis 等[115]從理論上對(duì)這兩種系統(tǒng)進(jìn)行了比較，在相同的發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度條件下，第二種系統(tǒng)(引射蒸發(fā)器中的工質(zhì)排至冷凝器)提供的COP介于1.099～1.355 ，高于第一種系統(tǒng)(引射蒸發(fā)器中的工質(zhì)排至吸收器)的COP，介于0.274～0.382 。

Hong Daliang 等[116]提出了一種改進(jìn)的噴射－吸收復(fù)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)在高熱源溫度下為雙效循環(huán)，在低熱源溫度下為單效循環(huán)。低壓發(fā)生器出口處的部分制冷劑蒸氣被高壓發(fā)生器出口處的制冷劑蒸氣直接引射至冷凝器，通過(guò)使用噴射器，降低了外部熱源的品位，系統(tǒng)COP 比傳統(tǒng)的單效循環(huán)高30%。Yan Xiaona 等[117]對(duì)文獻(xiàn)[16]提出的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，系統(tǒng)COP 比單效吸收式制冷系統(tǒng)高30%，發(fā)生溫度比雙效吸收式制冷系統(tǒng)至少低20 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果吻合度較高。

Shi Yuqi 等[118]提出了一種雙熱源驅(qū)動(dòng)的噴射－吸收復(fù)合制冷系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，該系統(tǒng)借助噴射器，以高壓發(fā)生器中蒸氣為工作流體，引射低壓發(fā)生器出口的蒸氣。在該系統(tǒng)中，從低壓發(fā)生器引出的蒸氣流量多于傳統(tǒng)的雙效循環(huán)，這意味著可以使用更多的低品位熱量，系統(tǒng)所需的輸入熱量和驅(qū)動(dòng)循環(huán)所需的熱源溫度可以降低。該研究以溴化鋰－水作為工質(zhì)對(duì)，185～215 ℃的熱空氣作為高溫?zé)嵩?，太?yáng)能集熱器加熱的熱水作為低溫?zé)嵩?。在熱空氣進(jìn)口溫度215 ℃的工況下，該系統(tǒng)的COP 可達(dá)0.95，比單效循環(huán)高約20%，且驅(qū)動(dòng)溫度比傳統(tǒng)的雙效循環(huán)低。此外，噴射－吸收復(fù)合系統(tǒng)也可以與有機(jī)朗肯循環(huán)相結(jié)合。Wang Jiangfeng 等[119]對(duì)一種與朗肯循環(huán)相結(jié)合的噴射－吸收復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)可同時(shí)輸出功率(612.12 kW)和制冷量(245.97 kW)。作者研究了各工況參數(shù)(即發(fā)生溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度、汽輪機(jī)進(jìn)出口壓力、溶液氨濃度)對(duì)系統(tǒng)性能(即制冷量、凈輸出功率和效率)的影響，結(jié)果表明，噴射器的引入提高了傳統(tǒng)系統(tǒng)的性能。K.Abdul等[120]對(duì)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的結(jié)合了朗肯循環(huán)的第二種噴射－吸收復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，太陽(yáng)能集熱器的損失最大，太陽(yáng)能子系統(tǒng)以R141b 為工質(zhì)時(shí)，其損失占總損失的79.61%。

4.4 無(wú)泵噴射制冷系統(tǒng)

在噴射制冷系統(tǒng)中，盡管泵的功率遠(yuǎn)小于其他部件，耗電量較小，但它往往是系統(tǒng)中唯一的運(yùn)動(dòng)部件，需要更多的維護(hù)成本，并且在運(yùn)行過(guò)程中，泵與其他部件相比更可能出現(xiàn)故障。此外，對(duì)于廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射制冷系統(tǒng)，泵是唯一用電設(shè)備，如果采用無(wú)泵噴射，不僅可省去高品位電能的消耗，而且系統(tǒng)可應(yīng)用于無(wú)電力場(chǎng)所。因此，無(wú)泵噴射制冷系統(tǒng)被廣泛的研究。總的來(lái)說(shuō)，該類系統(tǒng)有如下幾種:重力式、旋轉(zhuǎn)式、熱驅(qū)動(dòng)式以及熱管－噴射制冷系統(tǒng)。

重力式無(wú)泵噴射系統(tǒng)的基本配置如圖23所示。V.M.Nguyen 等[121]提出了一種重力式無(wú)泵噴射循環(huán)，以水為工質(zhì)搭建了一臺(tái)制冷量7 kW 的樣機(jī)。由于發(fā)生壓力、冷凝壓力、蒸發(fā)壓力依次降低，故要使工質(zhì)在無(wú)泵的情況下完成循環(huán)，發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器需從高到低布置，換熱器之間的壓差通過(guò)它們之間的高差補(bǔ)償，該系統(tǒng)高度約7.5 m。J.Kasperski[122]指出，系統(tǒng)布置的高差主要由工質(zhì)種類和工況決定。該類系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是高差限制導(dǎo)致的對(duì)場(chǎng)地的高度要求，以及管道長(zhǎng)度較長(zhǎng)引發(fā)的阻力大、熱耗散大的問(wèn)題。J.Kasperski[123]還提出過(guò)一種旋轉(zhuǎn)式的無(wú)泵噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用離心力克服壓差，可縮小重力式系統(tǒng)的尺寸和工質(zhì)的充注量。

圖23 重力式無(wú)泵噴射系統(tǒng)Fig.23 Gravity pumped ejector system

針對(duì)熱驅(qū)動(dòng)式無(wú)泵噴射系統(tǒng)，Huang B.J.等[124]提出過(guò)一種多功能發(fā)生器的噴射制冷系統(tǒng)，其原理如圖24所示。該系統(tǒng)包括兩個(gè)發(fā)生器，由一個(gè)蒸氣發(fā)生器和一個(gè)排氣室組成。蒸氣發(fā)生器加熱工質(zhì)升高壓力，而排氣室冷卻工質(zhì)降低壓力，兩個(gè)發(fā)生器通過(guò)閥切換交替運(yùn)行，以此產(chǎn)生壓差驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在tg＝90 ℃、tc＝32.4 ℃、te＝8.2 ℃的工況下，COP 為0.22。

圖24 一種熱驅(qū)動(dòng)式無(wú)泵噴射系統(tǒng)Fig.24 Ejector system with thermal pumping effect

S.B.Riffat 等[125]提出了一種熱管－噴射制冷系統(tǒng)，基本原理如圖25所示。該系統(tǒng)由熱管、噴射器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥組成。發(fā)生器中的工質(zhì)被加熱升壓，在噴嘴中加速?gòu)亩湔舭l(fā)器中的低壓工質(zhì)，二者混合后進(jìn)入冷凝器，冷凝器中的一部分工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥后進(jìn)入蒸發(fā)器，另一部分通過(guò)熱管內(nèi)壁材料的毛細(xì)作用返回發(fā)生器完成循環(huán)。以甲醇、乙醇和水為工質(zhì)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究，結(jié)果顯示，甲醇的效果較好，系統(tǒng)COP 可達(dá)0.7。B.M.Ziapour 等[126]對(duì)前人提出的這種系統(tǒng)進(jìn)行了能量和分析。計(jì)算結(jié)果表明，系統(tǒng)COP、第二定律效率均隨著蒸發(fā)溫度的升高和冷凝溫度的降低而增大?？倱p失隨著冷凝溫度、發(fā)生溫度的升高而增大，隨蒸發(fā)器溫度的升高而降低。對(duì)于大直徑熱管，在tg＝100 ℃、tc＝30 ℃、te＝10 ℃的工況下，COP 可以達(dá)到0.30。此外，Ling Z.[127]還提出一種垂直布置的基于虹吸效應(yīng)的熱管－噴射制冷系統(tǒng)。

圖25 熱管－噴射制冷系統(tǒng)Fig.25 Combined heat pipe and ejector refrigeration system

5 總結(jié)與展望

本文首先對(duì)噴射器的工作機(jī)理以及噴射系數(shù)、壓縮比、膨脹比和噴射器效率等常見(jiàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了介紹。其次，回顧了噴射器設(shè)計(jì)理論模型的發(fā)展歷程，闡述了噴射器噴嘴、接受室、恒面積段和擴(kuò)壓段尺寸對(duì)其性能的影響。最后，對(duì)主要的幾種噴射制冷系統(tǒng)展開(kāi)了討論，即單級(jí)與多級(jí)噴射制冷系統(tǒng)、噴射－壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)、噴射－吸收復(fù)合制冷系統(tǒng)、無(wú)泵噴射制冷系統(tǒng)。

噴射器模型的研究方面，大多基于理想氣體、絕熱邊界、入口速度為零、徑向溫度與速度均勻分布等假設(shè)，或采用將斜激波近似為正激波、引入等熵效率系數(shù)等簡(jiǎn)化手段。這些假設(shè)或簡(jiǎn)化手段是模型準(zhǔn)確性不足的重要原因。

結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)噴射器性能的影響研究方面，大量研究證明，噴嘴出口位置、噴嘴收斂角、發(fā)散角、接受室收斂角、恒壓混合段長(zhǎng)度、面積比、擴(kuò)壓段長(zhǎng)度均存在最佳值，而恒面積段長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)并不會(huì)顯著影響噴射器性能，各參數(shù)變化對(duì)噴射器性能影響的劇烈程度各不相同。

噴射制冷技術(shù)方面，近年來(lái)學(xué)者們進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究。對(duì)于工質(zhì)的選擇，不同工質(zhì)適用的最佳工況溫度范圍不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況合理選擇工質(zhì)，以保證系統(tǒng)安全、高效的運(yùn)行。對(duì)于單級(jí)噴射制冷系統(tǒng)，預(yù)熱器的引入可以提高系統(tǒng)COP，但預(yù)冷器未必，設(shè)置預(yù)熱器、預(yù)冷器的必要性應(yīng)根據(jù)其中熱量、冷量的來(lái)源以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析綜合考慮。對(duì)于噴射－壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)，這兩種子系統(tǒng)的復(fù)合既可以降低傳統(tǒng)壓縮系統(tǒng)的能耗，也可以提升傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的性能。噴射制冷與吸收式制冷均為低品位熱源可驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，二者的結(jié)合使得系統(tǒng)性能得到了很大的改善。無(wú)泵噴射制冷可用于無(wú)電力環(huán)境，這一優(yōu)勢(shì)是其他系統(tǒng)難以替代的。

由于篇幅限制，本文沒(méi)有介紹噴射器內(nèi)部流動(dòng)及能量傳遞的數(shù)值模擬以及可視化研究，也沒(méi)有介紹不同工質(zhì)在噴射制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用特性研究。

從本文討論可以看出，噴射器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，可利用低品位熱能作驅(qū)動(dòng)力，近年來(lái)引起學(xué)界以及工業(yè)界的廣泛關(guān)注。但是，能源效率不高、環(huán)境適應(yīng)性不強(qiáng)，仍然是噴射器得到大規(guī)模應(yīng)用的重要障礙。因此，建議進(jìn)一步開(kāi)展下列研究工作:

1)從熱力學(xué)機(jī)理著手，研究噴射器可能達(dá)到的理想最高效率，以此作為噴射器性能完善度的衡量指標(biāo)；

2)深入開(kāi)展噴射器內(nèi)部流動(dòng)、能量交換、動(dòng)量交換等機(jī)理的研究，特別是有關(guān)超聲流動(dòng)激波產(chǎn)生、激波強(qiáng)度、激波消除等機(jī)理的研究以及超聲兩相流動(dòng)機(jī)理研究。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)沿流動(dòng)方向噴射器內(nèi)表面型線，以減少噴射器內(nèi)部的不可逆損失；

3)深入研究外部工況參數(shù)與噴射器內(nèi)部幾何參數(shù)之間的關(guān)系，研究?jī)?nèi)部幾何參數(shù)可調(diào)的噴射器結(jié)構(gòu)，提高噴射器對(duì)外部工況變化的適應(yīng)性；

4)開(kāi)展噴射器應(yīng)用技術(shù)研究，包括針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合開(kāi)展不同流程以及相應(yīng)工質(zhì)選擇的研究，以提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率。