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李树江 陈亮 桂 金光 赵健 张轶
(沈阳工业大学)
摘 要 在综合大量蒸汽喷射制冷文献和已有研究成果的基础上，简述蒸汽喷射制冷的原理，对国内外蒸汽喷射制冷的研究和应用现状进行评述，并根据蒸汽喷射制冷的未来需求和相关技术的发展，提出蒸汽喷射制冷的未来发展趋势。
关键词 喷射器 性能系数 制冷量 模型
Development trend and current situation of steam ejector refrigeration
Li Shujiang Chen Liang Gui J un Jin Guang Zhao Jian Zhang Y i
(Shenyang University of Technology )
ABSTRACT Based on documents of steam ejector refrigeration and present research achieve 2ments ,
describes the principle of steam ejector refrigeration ,research on steam ejector refriger 2ation home and abroad and its application.According to the future requirements of steam ejec 2tor refrigeration and the development of its relative technology ,puts forward the future devel 2opment trend.
KE Y WOR DS steam ejector ;COP ;refrigerating output ;
model
1 蒸汽喷射制冷原理
工作蒸汽从喷嘴高速喷出，在喷嘴出口处形成
低压区，抽吸蒸发器中的制冷剂,2种气体在喷射器混合室中混合，压力达到平衡，进入扩压室后压力进一步增大，提高吸入蒸汽的压力。混合蒸汽进入冷凝器中放热，冷凝为液体，液态制冷剂分为2个部分：一部分经过节流阀减压后进入蒸发器；另一部分通过循环水泵进入发生器加热来完成下一次循环(图1)。最早的蒸汽喷射式制冷系统可以追溯到1901年，是由德国的Le.Blance 和英国的Parson 设计。由于其具有结构简单，操作方便，可靠性高等优势，因此在工业上得到广泛应用。但是由于其制冷效率低、体积庞大而逐渐被后来的压缩制冷机所取代。今天，随着能源的日益紧张和环境的严重污染，提高能源的利用率和保护环境已经变得越来越重要。蒸汽喷射制冷可以利用废热、太阳能等低温热源，因此人们对利用蒸汽喷射制冷技术的研究又掀起了高潮。笔者针对蒸汽喷射制冷的
图1 蒸汽喷射制冷循环
国内外研究应用现状和未来发展的趋势进行评述。
2 国外发展现状2.1 蒸汽喷射制冷的理论研究
20世纪70年代,Munday John T.等[1]阐述了
蒸汽喷射制冷原理，预测了蒸汽喷射制冷的制冷系数。
20世纪80～90年代，许多学者对蒸汽喷射制冷进行了研究。Decker Louis O.[2]和Arnold H.G.[3]就蒸汽喷射制冷系统给予描述，将蒸汽喷射制冷和传统压缩制冷进行比较，蒸汽喷射制冷具有
第7卷 第6期 2007年12月 制冷与空调 REFRIGERA TION AND AIR -CONDITION IN G 6210
Ξ收稿日期:2007204216
通讯作者：陈亮,Email :liangchen5212@163
可靠性高，没有移动部件，安装维修费用低等优势，预测利用余热驱动的蒸汽喷射制冷有很大的发展前景。
Tyagi K.P.和S.A.SHERIF[425]等人对蒸汽喷射制冷的可行性进行了分析，并对蒸汽喷射制冷的经济效益也进行了阐述。依据热力学理论对蒸汽喷射器进行研究，最后通过试验得到影响喷射系数的因数。
Satha.Aphornratana[6]对锅炉温度从120℃到140℃，蒸发器温度从5℃到10℃，喷嘴距混合室入口位置11mm和26mm的2种情况进行试验。根据试验结果绘制制冷系数随冷凝器压力变化曲线，讨论各个
工作点的运行情况。通过试验方法得到影响制冷效率的因素包括喷射器出口的压力和温度、蒸发器的压力和温度、工作蒸汽的压力和温度。同时指出，单一的改变某一个参数不能使蒸汽喷射器进入最佳工作状态，可通过改变蒸汽喷射器喷嘴的位置提高制冷系数。
Da2Wen Sun[728]指出背压是影响喷射器制冷效率的因素。当工作蒸汽和蒸发器温度一定时，背压高于某一值时，喷射系数会急剧下降，甚至会降到零。根据试验结果,①当背压和蒸发器的温度一定时，工作蒸汽存在一个最佳的温度，可使喷射系数最高。②当背压和工作蒸汽温度一定时，喷射系数随蒸发器的温度升高而增大。③喷射系数和喷嘴的位置密切相关，当工作条件发生变化时，对于固定喷嘴的喷射器很难保证最佳的制冷效率，但是通过调整喷嘴出口截面到混合室的距离可以获得最大制冷系数。
Yau2Ming Chen和Chung2Yung Sun[9]根据试验结果指出，喷射系数除了与工作蒸汽的温度、蒸发器的温度和背压有关外，还与喷嘴出口处蒸汽的马赫数有关。通过实验方法取M a=4.35，这样才可以得到一个较大的制冷系数，并提出运用二级喷射器串联的方式来提高喷射系数的方法。
DA2Wen Sun[10]对用于蒸汽喷射制冷的11种制冷剂进行试验研究，指出系统采用R152a作为制冷剂能够获得最佳性能，为蒸汽喷射制冷用制冷剂的选择提供了参考。
21世纪，蒸汽喷射制冷的理论研究取得进一步发展。
G.K.Alexis[11]应用流体力学和热力学的理论对蒸汽喷射器的性能进行分析，通过调整喷嘴出口截面到混合室的位置可以提高喷射系数，应用热力学和流体力学原理，推导出喷嘴位置最佳值的计算公式。
I.W.Eames[12]等在Keenan和Neumann的基础上对蒸汽喷射器的模型进行了改进。运用能量守恒、动量守恒、质量连续建立蒸汽喷射制冷模型，也提出调整喷嘴出口截面到混合室的位置可以提高喷射系数。
E.Rusly[13]等采用CFD技术得到蒸汽喷射器的模型，改变了传统通过实验方法获得模型不准确的弊端。对蒸汽喷射器的内部蒸汽混合给出更好的解释，为提高蒸汽喷射制冷效率提供了新的设计方案。
S.K.Zhou[14]等对蒸汽喷射制冷中的引射蒸汽窒息现象的原因进行分析。采用R113和R141b试验，对原有的一维模型进行了改进。试验结果表明，采用不同的制冷剂得到最佳的制冷系数所需的控制参数是不同的。
Kanjanapon[15]等对蒸汽沿着喷射器的轴向流动情况进行分析，得到当工作条件发生变化时，混合蒸汽在喷射器中的压力变化曲线。对蒸汽的窒息现象，蒸汽喷射器存在临界冷凝压力的现象加以解释，蒸汽喷射器只有工作在临界冷凝压力时，喷射系数才可以达到最大。阐明了工作蒸汽温度和冷凝器压力一定的情况下，制冷系数随蒸发器温度升高而增大的原因；也阐述了当工作条件变化时，通过调整喷嘴出口截面到混合室的位置可以获得较大的制冷效率。黄山学院学报
R.Yapici和H.K.Ersoy[16]在定常面积混合模型的基础上，选用R123为制冷剂，得出改变蒸发器和冷凝器的温度比改变工作蒸汽的温度来获得大的制冷系数更优越。对于工作蒸汽温度一定的制冷系统，采用定常面积混合比采用定压混合优越。
2.2 蒸汽喷射制冷循环系统的改进
Passakorn Srisastra和Satha Aphornratana[17]在传统蒸汽喷射制冷系统的基础上，对装置进行改进，省去将冷凝水送回发生器的循环水泵，利用重力使冷凝水回流到发生器中。减少了系统能量的输入，同时可以获得与传统蒸汽喷射制冷一样的制冷系数，提高了整个系统的制冷效率。但是这种方法利用重力作用，装置必须有足够的高度差，因而需要足够大的空间。
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第6期 李树江等：蒸汽喷射制冷的现状及发展趋势
Yuan 2Jen Chang 和Yau 2Ming Chen [18]为了提
高制冷效率，获得较大的喷射系数，采用了新式喷嘴———花瓣型喷嘴。Ian.W.Eames [19]提出了一种新的仿真方法———CFD 方法，通过该方法可以更好地分析蒸汽的混合过程，为设计喷射器提供一个新的思路。
Ian W.Eames [20]等对传统喷射制冷效率进行峨眉山暗岩事件
分析，造成喷射制冷效率低的原因是工作蒸汽和引射蒸汽混合过程中的窒息现象，它引起了能量的很大损失。他们提出了一个新的方法—CRMC (con 2stant rate of momentum change )，采用两级喷射减小窒息现象，提高了喷射制冷效率。
G.K.Alexis 和J.S.Katsanis [21]选用甲醇作为制冷剂，通过试验测出影响蒸汽喷射制冷的因素：包括发生器的温度、冷凝器的温度和蒸发器的温度。实验条件为：发生器温度为117.5～132.5℃，冷凝器温度42～50℃，蒸发器温度-10
～-5℃，测得制冷系数在0.139～0.467之间变化，在应用蒸汽喷射制冷实现低温制冷方面取得了突破。2.3 蒸汽喷射制冷的应用
Eamesi.W Aphorntratanas [22]等将蒸汽喷射制冷和吸收制冷方式相结合，这种混合制冷方式的制冷效率大约是吸收制冷效率的2倍，而且大大降低了吸收系统制冷结构的复杂性和安装维修费用，在利用余热方面开辟了新的道路。
MSokolov [23]将蒸汽喷射器应用于太阳能制冷系统，针对纯喷射制冷循环系统CO P 值较低、经济性较差的缺点，对加强型喷射系统和多级喷射系统进行了研究，在提高CO P 方面取得了非常好的效果。
Wimolsiri [24]叙述了太阳能喷射制冷的原理，阐述了太阳能喷射制冷系统的性能依赖于对制冷剂的选择、操作条件和喷射器的几何尺寸。对于太阳辐射不足采用辅助加热装置来补偿，对变负荷情况采用储冷罐来保持制冷量的恒定。3 国内研究发展现状3.1 蒸汽喷射制冷的理论研究
随着我国经济的高速发展，能源日趋紧张，在20世纪90年代以后，也掀起了对蒸汽喷射制冷的广泛研究。梁作猷[25]总结多年来应用蒸汽喷射器的工程实践，认为蒸汽喷射制冷系统具有构造简单、造价低廉、运行可靠、操作方便、节省占地、节约能源等优点。
刘斯明[26]对蒸汽喷射器内流体进行理论研究，推导出了蒸汽喷射器的抽气数学模型，并给出了该模型与实际蒸汽喷射器实验值的符合范围。
毕荣山[27]等建立了蒸汽喷射器的一维数学模型，利用理想气体对模型进行了求解，对在混合段拥塞现象的发生和拥塞现象对喷射器喷射系数的影响进行了分析。
刘志强[28]等从理论上推导出蒸汽喷射器工作性能参数的计算公式，分析了计算结果，在定压混合理论的基础上，应用结构优化思想，提出了蒸汽喷射器最佳结构设计方案。
王晓东[29]等对单级水蒸气喷射模型进行研究，对三种典型模型的计算结构和试验数据进行比较，在对奥・芳夫计算模型的进一步计算分析中发现计算曲线存在非单调的情况，用回归软件进行回归处理后，得到计算曲线偏离实际部分的修正式，修正后的计算模型可用于单级水蒸气喷射器的设计，为多级泵优化设计提供理论基础。
王宏伟[30]等对蒸汽喷射器的结构进行优化，并采用VB 语言编写蒸汽喷射器系统优化软件，可以使喷射系数在约束条件下达到最大值。
王晓东[31]等在单级泵抽气理论适用性分析以及对其进行修正的基础上，运用直接搜索法，以工作水蒸气耗量最小为设计目标，统筹考虑冷凝器设置、冷凝水流量等因素，对压缩比分配进行优化设计，使能耗最小。3.2 蒸汽喷射制冷循环系统的改进
陈华[32]等在分析影响喷射制冷效率的主要因素的基础上对蒸汽喷射制冷循环加以改进，在喷射器和冷凝器之间增加一个射流泵，用来引射从喷射器喷出的混合蒸汽，增加的射流泵可以降低背压，提高了制冷效率。
张博[33]在Passakorn Srisastra 和Satha Aphorn 2ratana 的基础上对蒸汽喷射制冷循环进行改进，提出了气2液喷射器代替循环泵的双喷射式制冷系统，减小了制冷系统的体积，取得了很好的效果。3.3 蒸汽喷射制冷的应用
陶金亮和史晓平[34]对变工况的情况加以讨论，阐述变工况会影响蒸汽喷射器的效率，甚至会影响蒸汽喷射器的正常运行，提出了两级串联补偿喷射的变工况调节方法，为解决蒸汽喷射器变工况调节的难题提供了新的途径。
徐海涛和桑芝富[35236]对蒸汽喷射器变工况的情况进行了分析，采用数值模拟的方法，计算并分析了工作蒸汽压力和温度、引射蒸汽压力及混合蒸
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8・ 制 冷 与 空 调 第7卷
汽压力等热力参数对喷射器操作性能的影响，同时他们对蒸汽喷射器的工作过程进行了深入分析，从热力学参数的角度出发，建立了蒸汽喷射器喷射系数计算的理想模型、动量守恒模型及动能守恒模型。
刘清和王孟效[37]在总结前人研究成果的基础上，应用质量连续、动量守恒和能量守恒建立蒸汽喷射器的模型，结合纸机热泵的供热特点，采用模糊控制方法解决了造纸行业中的烘缸积水问题。
李自强和张博[38]叙述了以太阳能为热源的蒸汽喷射制冷的原理，理论分析太阳能蒸汽喷射式制冷系统性能改善的方法，并给出几种实用的方案，可大大提高系统的工作性能。在此基础上预测太阳能喷
射式制冷有着广阔的发展前景。
辽宁工学院的廖国进[39]、大连大学的付传起[40]等把蒸汽喷射器应用到炼油装置和石油开采工程，提高了炼油和石油开采的效率，取得了很好的效果。
4 蒸汽喷射制冷的未来发展趋势及建议
1)以提高蒸汽喷射制冷系统的效率为主要内容。通过进一步分析影响制冷系数的因素，建立更加精确的动态数学模型，寻更适合蒸汽喷射制冷的制冷剂，运用智能控制理论，采用高级控制策略，具有自适应、自学习功能的控制器来实现对制冷系统的控制，使控制对象在变负荷的条件下也能在最优工作点运行。
2)蒸汽喷射制冷和其他制冷方式的进一步有机结合。利用喷射制冷结构简单、操作方便、可靠性高的优点，将喷射制冷与吸收制冷、压缩制冷等其他制冷方式相结合，充分利用蒸汽喷射制冷和其他制冷方法的优点，提高整个制冷系统的效率。
3)采用蒸汽喷射制冷技术，充分利用低温热源。广泛开展利用太阳能、工业废热等低温热源，运用蒸汽喷射制冷技术以减少电能或其他一次能源的消耗。
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