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利用喷射器之双级冷冻系统研发子计画一

利用喷射器之双级冷冻系统研发子计画一1
利用喷射器之双级冷冻系统研发—子计画一
「新型喷射压缩器之性能提升研究(2/3)」
Design and improvement of new-type Ejector
计画编号:NSC 88-2212-E-002-027
执行期间:87年8月1日至88年7月31日
计画主持:陈瑶明(国立台湾大学机械系)
研究助理:张渊仁,尤铭锵
一,摘要
在实验方面,对传统与瓣状喷射压缩器在不同马
赫数,AR值(喷射压缩器等截面段面积与主喷嘴喉部
面积之比值)与长度进行性能测试.实验结果发现马
赫数越高,性能越佳,唯其所需的热源温度也越高;
在适当马赫数下,其性能稍差,然所需的热源可使用
太阳能等中低阶热源来驱动.至於AR值影响效应方
面,则显示其对传统与瓣状喷射压缩器性能的影响迥
异.对於瓣状喷射压缩器而言,AR值增加,其性能会
先增后减,存在一最佳AR值,在此最佳值,瓣状喷射
压缩器在抽吸能力与增压性能表现上有最佳的协调;
反之,对於传统喷嘴之喷射压缩器,AR值增加时抽吸
比会增加,但所能达到的极限背压却会降低.长度影
响效应方面之实验结果显示,当喷射压缩器混合段长
度越短时,瓣状喷射压缩器之性能越高.以上结果证
明同时使用瓣状喷嘴与缩短混合段长度确实可以有效
的提升喷射压缩器之性能.
The behavior and characteristics of a petal nozzle
are investigated experimentally by testing it under various
operating conditions, i.e. generator temperature,
evaporator temperature and condenser temperature. In
addition, the effects of AR (area ratio of constant area
section of ejector to nozzle throat) and mixing length on
ejector performance are studied by testing ejectors with
various values of AR and mixing length of ejector. For
comparison, a conventional conical nozzle with the same
Mach number as that of petal nozzle is also used.
Experimental results demonstrate that the compression
ratio and the entrainment ratio can be enhanced if using
the petal nozzle in an ejector with a larger AR value.
Moreover, for the ejector with a petal nozzle, an optimum
AR value exists under which a maximum compression
ratio can be found. The results also show that decreasing
the mixing length can increasing the performance of
ejector.
二,计画缘由与目的
由於台湾位处亚热带,加上工业与民生之需求,
使得冷冻空调系统的使用率日趋升高,由於绝大部份
的冷冻空调系统仍然使用传统机械式压缩机,造成用
电需求大幅提升.根据台电於民国八十五年底之统
计,台湾地区每户人家平均拥有1.15台的冷气机,夏
季中冷气用电量高达七百万瓩的巨量,近年尚在持续
增加中,87年入夏用电尖峰更七度打破纪录迭创新高
达二千三百九十五万瓩,较86年增加约一百七十一万
瓩,电力供应至为紧涩,台电公司指出,近年来为了
提升生活及工作环境品质,冷气空调的大量使用系造
成夏季电力吃紧最主要因素之一.在台电系统最高负
载中,冷气空调用电量约占整体用电量的三成.因此,
若能节省冷冻空调系统的用电量,不但可以节约能
源,更可以缓和兴建新电厂的殷切需求.再者,由於
冷冻空调大量使用氟氯碳化物,造成臭氧层的破洞危
机,使得许多的氟氯碳化物逐渐遭到禁用,此一问题
受到冷冻空调业界及政府环保相关团体之重视.
从冷冻系统的原里可知,最耗电的元件为「压缩
机」,而压缩机也是冷冻空调内最贵的元件,一部压缩
机的性能好坏,直接关系到整个冷冻空调的效率,因
此,要解决冷冻空调的耗电问题,首先应针对此关键
元件来解决.使用不耗电的蒸汽喷射式冷冻空调系统
(steam-jet refrigeration system)是解决此一问题的良
好方案.相较於传统式压缩机,喷射式压缩器内部并
无任何往复移动或旋转元件,因此,并不会产生磨耗,
不需润滑,可长时间操作不需考虑过热与冷却问题,
亦不会产生噪音与震动;而喷射压缩式冷气系统运作
能量的来源,可利用工厂废热及太阳能等廉价之中,
低温热源来驱动,无须电能,使得此类原本无法再利
用之热源得以再利用,再加上其使用水为冷媒,因此
也没有氟氯碳化物破坏臭氧层的环境污染问题产生.
三,瓣状喷射压缩器之开发
3.1 喷射压缩器测试设备
本实验的设备如图一所示,主要构件除了喷射压
缩器(ejector)以外,尚包括蒸气产生器(generator),蒸气
蒸发器(evaporator),冷凝器(condenser),液体收集器
(receiver),过热器(superheater),循环水泵(pump)及其
它相关配属的阀,冷冻机,真空泵,管路等.
P
P
P
P
P
P
P
P
PPPPP
v ac uum
p ump
5to n
refrigerator
v ac uum
p ump
pQ
Qm
T
T
TT
T
T
T
T
T
P
T
P
1
23
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7产生器
过热器
喷射压缩器
蒸发器集液器
冷凝器泵浦
Qf low meter
pres s ure gauge
thermo c ouple
pres sure senser
v alve
f lexibile tube
chec k v alve
图一:新型喷射压缩器测试系统
3.2 新型式瓣状喷嘴
为探讨瓣状喷嘴与传统圆形喷嘴对喷射压缩器
性能的影响,本实验采用两不同形式但出口面积与喉
部面积比例相同之主喷嘴,其中瓣状喷嘴(petal
nozzle)(细部尺寸见图二(a))为黄铜所制,喉部直径
2mm,共有六瓣,每瓣长约6.5mm,宽2mm,喷嘴出
口角度约十度.其尾端有螺牙,可密接在喷嘴座上,
以便安装於实验系统.传统圆锥型喷嘴(conical
nozzle)(细部尺寸见图二(b))为黄铜所制,喉部直径
2mm,出口直径9.3mm,利用水蒸气(k=1.327)操作
下,对应马赫数(Ma)约为4.35.
2
( b) 传统圆形喷嘴
(a) 瓣状喷嘴
图二:新型喷射压缩器内装置之瓣状喷嘴与传统喷嘴
3.3新型式瓣状喷射压缩器
为探讨具瓣状喷嘴与传统喷嘴的喷射压缩器,
其混合段长度及AR值(喷射式压缩器等截面段面积与
主喷嘴喉部面积之比值)对抽吸及增压效果的影响,
本实验选择5种不同AR值的喷射压缩器(ejector)与三
种不同混合段长度的喷射压缩器进行测试,其尺寸如
下:
ManozzleARL1:L2:L3
4.35Conical
60
80
100
196
300
6:4:6
4.35Petal
60
80
100
196
300
6:4:6
2.5:1:6
1.5:0.5:6
喷射压缩器之设计皆参考前人文献的理论,其渐
缩段长度:等截面积段长度:渐扩段长度:等截面积
段直径之比例分别为6:4:6,2.5:1:6,1.5:0.5:
6.AR值为60,80,100,196与300.
主流
副流
混合流
抽吸混合区
等截面区
渐扩区主喷嘴入口区
dt2dt1
L1L2L3
ms
.
PsTs
TP
.
mPPP
bbm
.
PT
图三:新型喷射压缩器测尺寸图
3.4 新型喷射压缩器性能测试
图四为新型喷射压缩器与传统喷射压缩器性能
比较图,在相同的蒸气产生器温度及蒸气蒸发器温度
下操作时,其最大抽吸比与极限背压之关系图,图五
为新型喷射压缩器与传统喷射压缩器性能无因次化结
果图.
经由比较图四中主,副流工况相同的操作状态点
后可以看出,在极限背压方面,具瓣状喷嘴的喷射压
缩器在较低的主流入口压力及较高的副流入口压力
下,其极限背压较传统喷射压缩器为高,均增加约1
3 torr;但在较高的主流压力及较低的副流压力下,
极限背压的增加变得不明显,甚至减少;而在抽吸比
方面,则两者差距不大,仅在当主流入口压力较小时,
具瓣状喷嘴的喷射压缩器之抽吸比略高於传统喷射压
缩器;当主流入口压力较大时,其抽吸比会略小.
比较图五的两条无因次性能曲线,也可发现在抽
吸比方面,瓣状喷射压缩器除了在主流入口压力与副
流入口压力较大的操作工况下抽吸比较传统喷射压缩
器为低外,在其他的主副流操作工况下,瓣状喷射压
缩器的抽吸比与传统喷射压缩器相若.而在极限背压
方面,瓣状喷射压缩器在所有的主副流操作工况下,
其极限背压皆较传统喷射压缩器为高,均增加约2 4
torr.
比较图中的两条性能曲线,可以发现瓣状喷射压
缩器的性能曲线皆位於传统喷射压缩器的右边,亦即
在抽吸相同的副流量下操作,瓣状喷射压缩器所能达
到的增压效果皆较传统喷射压缩器为高(约增加10%
30%).
由实验的结果来看,具瓣状喷嘴之喷射压缩器的
极限背压较传统喷射压缩器为高;而其抽吸比则均改
变不大.
图四:新型与传统喷射压缩器性能测试结果
3
图五:新型与传统喷射压缩器性能测试无因次化结果
另外,AR值(喷射压缩器等截面积段与主喷嘴
喉部之面积比)对喷射压缩器是个相当重要的参数,
AR值不同,喷射压缩器的性能亦受到影响.故本研究
也针对不同AR值的具瓣状喷嘴之新型喷射压缩器进
行性能分析,期能找出最适合之AR值.
将五种不同等截面段面积的喷射压缩器,配合瓣
状主喷嘴,在相同的蒸气产生器温度及蒸气蒸发器温
度下操作,比较其结果,如图六及图七,图六为最大
抽吸比与极限背压之关系图;图七为最大抽吸比与极
限增压比之关系曲线.由图六中可以看出,在AR值较
小时,有数个工况中的抽吸比并不稳定,显示在这些
工况是无法操作的,因此其结果并未显示在图中.但
随著喷射压缩器之AR值的增加,其抽吸比会迅速增加
而且其极限背压也会增加,也就是整个网状图有往右
上方移动的趋势,此种现象,从AR为196增加到300
的时候表现的更为显著.若观察图七可以发现,当喷
射压缩器之AR值从80增加至300时,其抽吸比不但
随之增加,其压缩比也会增加,尤其是AR值从100
增加至196时,其增加的幅度较钜,但是当AR值从
196增加至300时,其增加的幅度显然较小使得整个曲
线似有转而向左上方移动之趋势.但由此实验结果可
以明显得知,其性能曲线与随著AR值增加之趋势与传
统喷射压缩器极不相同,显示瓣状喷射压缩器之优异
能力.由图七也可看出,在相同的主,副流操作状态
下,当AR值增加时,喷射压缩器的性能曲线往右上方
移动,抽吸比与增压比均增加,利用价值较大.
根据上述实验结果,具瓣状喷嘴的喷射压缩器,
其整体的抽吸与增压的行为不但与传统喷嘴之喷射压
缩器相反,且与理论所推导的趋势不同.
为了能进一步了解不同混合段长度的喷射压缩
器性能不同,可把实验结果性能曲线均绘於一图上,
以便相互比较,如图八.由图八中可发现,在相同的
主,副流操作工况下,长度最长与次长的喷射压缩器
其抽吸比与所能达到的极限背压均相差不多,仅在抽
吸比较低的主副流工况下,次长的喷射压缩器之抽吸
比与极限背压较最长的喷射压缩器稍高,增加的幅度
并不大;而最短的喷射压缩器则很明显的拥有不同性
能表现,在抽吸比较低的主副流工况时,其抽吸比与
最长的喷射压缩器相当;但在抽吸比较高的主副流工
况时,其抽吸比就明显的提升,而在极限背压方面,
在任何工况下,皆明显超过次长与较长喷射压缩器,
另外,由图中可以看出,最短的喷射压缩器在较低抽
吸比时,拥有较其他喷射压缩器更强的增压能力;在
较高抽吸比时,其增压比提升的幅度较小.
图六:不同AR值新型喷射压缩器性能测试结果
图七:不同AR值新型喷射压缩器性能测试无因次化结

4
图八:不同混合段长度下,抽吸比与极限背压之关系

四,结 论
一,由AR值对喷射压缩器的影响中,当AR值增加时,
不论是瓣状或传统喷射压缩器,其最大抽吸比皆会增
加,但是对增压比的影响在瓣状与传统喷射压缩器是
截然不同的.对於瓣状喷射压缩器而言,随著AR值的
增加,其极限增压先增后减,因此,由实验中推测有
一最佳AR值座落在200 250之间,此时的瓣状喷射压
缩器在抽吸能力及最佳的增压性能具有最佳的协调;
对於传统喷射压缩器,增压性能却随著AR值的增加而
降低.
二,当缩短喷射压缩器之混合段长度时,可以发现喷
射压缩器性能会有显著增加,显示瓣状喷嘴的确具有
快速混合的能力,因此可以缩短喷射压缩器来降低其
流体与壁面之摩擦损耗.
五,参考文献
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