（热能工程专业论文）喷射式制冷系统实验台建设与实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活水平的提高，空调的使用日益广泛。与此同时，大量使用机械压缩制 冷系统带来电能消耗、环境污染的诸多问题也向人类可持续发展提出了挑战。利用太阳 能等可再生资源来满足人们需求是众多可供选择方案中最直接的解决办法。由于可以利 用低温热源驱动，并且本身结构简单、运行可靠，因此喷射式制冷系统今年来在国际上 得到了比较多的关注。 在热能工程专业的实验中，人们对一套实验系统进行性能测试时大都采用人i y , j 萤 各点数据，再通过手工换算成温度、压力等参数从而判断工况并进行调节。这种方法效 率较低，而且容易产生错误。随着工业控制和计算机技术的发展，把数据采集技术和计 算机相结合并运用到实验中的方法被越来越多地采用。 本文利用计算机数据采集技术搭建喷射式制冷实验台并对喷射式制冷系统进行实 验研究，主要研究内容和结论如下； ( 1 ) 利用气体喷射器和喷射式制冷系统数学模型，完成喷射制冷系统和喷射器的性 能计算与结构设计。 ( 2 ) 搭建喷射式制冷系统实验台，并安装温度、压力传感器，配以计算机数据采集 系统，实现实验台的自动化测试。针对喷射式制冷实验的特点，利用v i s u a lb a s i c6 0 编 制专门的数据采集软件。并使其具有控制数据采集卡、数据处理、绘制实时动态曲线和 数据库查询功能的实用性较强的软件。 ( 3 ) 利用制冷剂运行实验系统。结果表明，制冷系统在发生温度t g = 8 3 8 5 c ，冷凝温 度t 。= 2 8 , - , 3 0 ，蒸发温度t 。= 1 2 1 6 c 的情况下可以稳定地运行，c o p 可达0 2 制冷能力 可达0 2 4 k w 。 关键词：喷射器；制冷系统；数据采集系统；性能系数 喷射式制冷系统实验台建设与实验研究 e x p e r i m e n t a lc o n s t r u c t i n ga n ds t u d yo n t h ee j e c t o r r e f r i g e r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ei m p m v e m e n to f t h es t a n d a r do f l i v i n g , a l r - c o n d i f i o n e rh a sb e e nm o r ea n dm o r e p o p u l a r i z e d 。a tt h es a m et i m e , m e c h a n i c a lc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t o r se o n s u n l eab i gq u a n t i t y o fe l e c t r i cp o w e ra n di n d i r e c t l ym a k et h ep o l l u t i o np r o b l e m v e r e ，w h i c hb r i n gf o r w a r da g r e a tc h a l l e n g et ot h eh u n l a n ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a m o n gt h ev a r i o u ss o l u t i o n s ，t h e u t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g ya n do t h e rr e g e n e r a t i v ee n e r g yf o rr e f r i g e r a t i o ni so n eo ft h e p r o m i s i n gc h o i c e s b e c a u s eo fi t sa b i l i t yt ou t i l i z et h el o w - t o m p e r a t u r et h e m m le n e r g y r e s o u r c e s ，a n di t ss i m p l es t r u c t u r ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，t h ee j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e mh a s g a i n e dm u c ha t t e n t i o n i nt h ee x p e r i m e n to f t h e r m a le n g i n e e r i n g ，w h e nt e s t i n gt h ec a p a b i l i t yo f a ne x p e r i m e n t a l s y s t e m , p e o p l eu s u a l l ym e a s u r et h ed a t af r o mt h ea p p a r a t u sa n dn l mt h e mi n t ot e m p e r a t u r e v a l u e ，p r e s s u r ev a l u ee t e ，也e ne s t i m a t et h er u n n i n gc o n d i t i o na n da d j u s ti t t h i sm e t h o d s e f f i c i e n c yi sl o w , a n de r r o r sc a u s e db yh u m a n - f a c t o rm a yo c c u re a s i l y w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fi n d u s 研a lc o n t r o la n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h em e t h o do fa p p l y i n gc o m b i n e dd a t a a c q u i s i t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yi su s e dm o r ea n dm o r e ht h i sp a p e rt h ec o m p u t e rd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi su s e dt ob u i l dt h ee x p e r i m e n to f e j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e m , t h ee j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e m se a p a b i l i t yi ss t u d i e d t h e f o l l o w i n ga r et h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) b a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d e lo fe j e c t o ra n dr e f r i g e r a t i o ns y s t e m , t h es y s t e ma n d e j e c t o r sp e r f o r m a n c ea n a l y z i n ga n ds t r u c t u r ed e s i g n i n ga r ea c h i e v e d ( 2 ) a ne x p e r i m e n t a e j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e mi sb u i l t , t h ec o m p u t e rd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mw i t ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es e n s o r si sb u i l t , w h i c ha c h i e v e st h ee x p e r i m e n t s a u t o m a t i ct e s t i n g as p e c i a ld a t aa c q u i s i t i o ns o f t w a r ei sc o m p i l e db yv i s u a lb a s i c6 0 t h e s o f t w a r e c o n t a i n i n gt h ef u n c t i o n so fc o n t r o l l i n gd a qc a r d ，d a t ap r o c e s s i n g , d r a w i n g r e a l - t i m ec u r v ea n dd a t a b a s ei n q u i r yh a sh i g hp r a c t i c a b i l i t y ( 3 ) t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi s 瑚咀w i t hr e f r i g e r a n t t h er e s u t ss h o wt h a tw h e nt h e r u n n i n gc o n d i t i o ni sg e n e r a t o rt e m p e r a t u r et s = s 3 - s s x 2 ，t h ec o n d e n s e rt e m p e r a t u r et o = 2 8 - 3 0 ，a n dt h ee v a p o r a t o rt e m p e r a t u r et e ：1 2 - - 1 6 c ，t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mc a l l1 7 d ns t e a d i l y , t h e c o pc a na c h i e v e0 2a n dt h ec o o l i n gc a p a c i t yc a l la c h i e v eo 2 4 k w k e yw o r d s ：e j e c t o r ：r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ；d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc o p 大连理工大学硕士学位论文 致谢 本文是在沈胜强教授的悉心指导下完成的。在论文的选题、研究和撰写过程中导师 倾注了大量的心血和汗水。他严谨求实的治学态度、渊博的知识、卓越的才智、敏锐的 思维和谦逊朴实的风格，使我在治学和为人两方面都受益匪浅。在此，向导师致以崇高 的敬意和衷心的感谢! 在论文的研究以及实验过程中，张博老师提供很多重要的意见和宝贵的经验，在这 里表示衷心的感谢! 在实验台的搭建过程中，杜进春老师给予了极大的支持和帮助，付出了辛勤的汗水， 在此向杜老师表示诚挚的谢意l 感谢热能教研室的所有老师在学习期间给予的帮助和鼓励! 感谢朱杰、杨勇、朱红、 吴桢祥、赵家军、盂繁威等研究生在学习和生活中给予的支持和帮助l 感谢我的父亲和母亲，感谢他们对我成长过程中的培养和教育，对我多年求学道路 的支持、帮助和鼓励l 感谢自晶晶在我学习和生活上给予的关心和支持l 感谢国家自然科学基金项目( 5 0 5 7 6 0 0 7 ) 对本研究课题的支持l 一5 1 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所傲的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： s l ? 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 塞j 蕊盎 乒丛 理年三月二生日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 喷射器是一种应用非常广泛的流体机械，它利用工作流体的射流作用来传递能量和 质量。多年来其以结构简单、加工容易、成本低、工作可靠、安装维护方便等优点在动 力、石油化工、冶金、制冷、热工以及农业等技术领域中得到广泛的应用 喷射式制冷系统是利用低温热源来驱动的制冷系统，太阳能、地热以及工业生产中 的低温余热均可以作为它的驱动能源。该系统结构简单，运动部件少，运行稳定，易于 维护。因此该类系统的应用有利于节约能源，尤其对缓解当前化石燃料日益紧张的情况 有着积极的意义。喷射器是喷射式制冷系统的核心部件，它的工作性能直接决定了喷射 式制冷系统的性能和稳定性。许多学者对喷射器和喷射式制冷系统进行了研究。 通过实验分析喷射器和制冷系统的性能特性从而总结规律并加以运用是人们普遍 应用的手段之一。在实验过程中利用数据采集技术记录多项连续的数据既保持了数据采 样的同步性，减少了测量误差，也节省了大量的人力物力。因此越来越多的实验研究的 钡4 试系统应用了计算机数据采集技术。 1 1 气体喷射器的研究进展 喷射器结构如图1 1 所示。其基本理论在十六世纪时就被发现，直到十九世纪六十 年代德国学者g z e u m e 根据动量守恒原理提出了喷射器的基本理论。但这一理论还不 能解决实际计算和应用问题。随着流体力学和空气动力学的发展，到二十世纪三十年代， 喷射器的研究和应用才有了进展。 l 喷嘴；枷入室；3 - 混合室；辛扩散室 图1 1 喷射器结构简图 f i g 1 1s k e t c ho fe j e c t o r 喷射式制冷系统实验台建设与实验研究 为了搞清楚喷射器工作的机理，人们作了大量的理论分析和实验研究。尽管取得了 显著的进展，但是众多参数同时相互影响增加了流动的复杂性。喷射器的模拟仍存在着 难题，其中主要的困难是需要一个对工作气体和引射气体混合过程的可靠的数学描述。 4 0 5 0 年代，k e e n a n 和n e m n a a n t i 】在空气动力学的基础上结合质量、动量、能量守 恒定律首先建立了空气的一维等面积混合流动模型。k e e n a n 等人随后引入等压混合的 概念将其修正【2 】。在后来的五十多年中，他的这一理论已经成为了喷射器设计的理论基 础。 索科洛夫 3 1 在动量守恒的基础上，借助气体动力函数和自由流束理论推导出了计算 喷射系数的方法。e a m e s 等 4 1 改进了k e e n a n 的模型，在喷嘴、混合室和扩散室中引入了 不可逆损失，同时用实验进行了验证。沈胜强等1 5 q 1 对喷射器的工作性能与工质参数、 结构尺寸的关系进行了综合研究，并在此基础上提出了结构优化设计方法。 m u n d a y 和b a g s t e r 【1 2 】通过研究提出k e e n a n 的理论无法预测喷射器“恒能力”的特 性。他们对工作蒸气和吸入蒸气的混合问题提出了新的假设，并得出一个半经验理论。 围绕喷射器性能分析的研究还有很多，多数采用的都是便于实际工程应用以k e e n a n 或者b a g s t e r 的假设为基础的一维分析和实验研究。在喷射器的一维结构设计和性能计 算方法中，必须通过引入经验系数或者假设来评价喷射器结构对其工作的影响。然而由 于喷射器内部的流动与混合过程涉及到比较复杂的跨音速流动和湍流混合，以及受限射 流和自由射流的问题，这些问题的最终解决还取决于气体动力学和流体力学的研究结 果。喷射器结构和加工工艺对喷射器的性能也有影响，喷射器的工况改变要求喷射器的 结构( 如喷嘴的轴向位置、喷嘴喉口、混合室的截面积等) 做出相应调整，以保证喷射 器出于最佳工作状态。 随着对喷射器工作性能和性能预测要求的提高，一维模型由于其计算精度和提供信 息有限，已经难以满足实际需要。喷射器多维模型不能完全取代实验，但是随着模型进 一步发展和完善，在实验结果指引下，喷射器多维模型将会在喷射器的性能分析和结构 设计中发挥更大作用。一些学者尝试应用c f d 软件包来解释喷射器内的流动、混合过 程。n e v e 等 t 3 】考虑到扩散室入口流场均匀度对于扩散室性能的影响，应用计算流体力 学的方法进行研究，使用商业流体力学计算软件包p h o e n i c s l 6 ，湍流模型为后啦模型， 建立起二维轴对称模型。结果显示，尽管扩散室的工作受到入1 ：3 速度场不均匀度的影响， 但对于喷射器恢复静压依然是有用和必需的。r i f f a t 等【1 4 】在1 9 9 6 年分析了以氨为工质的 喷射器三维模型。当时可压缩流体的控制方程十分复杂，所以其采用的不可压缩模型还 不能应用到实际流体中。李素芬等【9 】建立了三维可压缩模型对喷射其中喷嘴的工作情况 进行了研究。其工作气体采用理想气体模型，湍流模型采用标准七唯模型，分析了喷嘴 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 结构中喷嘴渐扩锥角和工作截面对流动的影响，以及进口压力等工作参数对流场的作 用，并分析了喷嘴中激波在不同情况下的变化。r u s l y 等【1 5 】模拟了以r 2 4 5 为工质的喷 射器内的三维流动。在研究中，他们应用了可压缩真实气体模型，得到了关于喷射器内 流动过程可靠的模拟结果。 1 2 喷射式制冷系统的研究进展 喷射式制冷系统( 如图1 2 ) 主要由喷射器，发生器，蒸发器，冷凝器构成，其中 喷射器是它的核心部件，和传统的蒸汽压缩式制冷系统相比，用喷射器取代了压缩机。 据有结构简单，运动部件少，无化学腐蚀等特点。 1 9 1 0 年m a u r i c el e b l a n c 研制了第一台蒸汽喷射制冷系绀阍。该系统在三十年代曾 被较多的应用于大型建筑的空调系统。随后他被体积紧凑、效率更高的机械压缩式制冷 系统取代，对他的研究和发展也停滞不前。 2 0 世纪末，能源和环境的问题日益突出。低温废热和可再生能源的利用得到中外学 者的广泛重视。而喷射式制冷的用能特点正符合这一要求。因此人们对其展开了大量的 研究，以期提高它的性能。 图1 2 传统喷射式制冷系统 f i g 1 2t r a d i t i o n a le j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 喷射式制冷系统实验台建设与实验研究 水作为喷射式制冷系统的工质虽然有气化潜热大，价格便宜，对环境零破坏等优点。 但是它也存在限制系统的制冷温度不能低于0 c ，系统须在负压下工作，大的比容造成 系统体积庞大等缺点。人们先后尝试了氟剥昂类的制冷剂如r 1 1 、r 1 2 、r 1 1 3 、r 1 1 4 、 r 1 4 1 b 等。但是它们因为对大气臭氧层破坏作用而被禁止使用。替代它们的新型制冷剂 如r 1 2 3 、r 1 3 4 a 等也得到了研究。s u a t l 7 1 对以上几种制冷剂作了模拟分析，r 1 2 拥有最 高的喷射系数和效率。c i n z u n g n t l 司对r 1 2 3 、r 1 3 4 a 、r 1 5 2 、r 7 1 7 进行了模拟分析，发 现用同样的喷射器，r 1 2 3 和r 1 5 2 适合于7 0 8 5 c 的热源工作，氨工作的热源温度要高 于9 0 c 。大量结果表明，卤烃类制冷剂比水有较多优势。他们可以提供低于0 c 的制冷 温度，即便在较高的环境温度下也可需要较低的发生温度。所以可采用太阳能，汽车排 气为热源，并且用空气冷凝器提供一个适宜的制冷温度。 ：o n d i m 盯l 脚i o n l a d o o rn i 扣c o n v b 图i 3 带预热预冷器制冷系统 f 逗1 ，3 目e e t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw i t hp r e - e o o l e ra n dp r e , - h e a t e r 研究工质的同时，人们对系统的改进也在进行。在许多研究中【1 9 - 2 4 1 ，为了提高效率， 传统的系统中安装了预热器和预冷器( 如图1 3 ) 。从冷凝器出来的制冷剂的温度在进入 锅炉和蒸发器前分别得到了极大的升高和降低，从而减少了需要的热量和制冷负荷。针 对降低喷射器压缩比可以大幅提高喷射器效率这一特性，s o k o l o v 和h e a r s h g a l l 2 5 提出了 增压喷射式制冷系统( 如图1 4 ) 。即在让从蒸发器出来的蒸汽先经过一个机械增压机 提升压力，然后再进入喷射器。从而以消耗比较小的机械功为代价，使喷射器性能得到 更大提高。降低了的喷射系数实现了低温的制冷循环，使其可以利用太阳能驱动。在国 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 内方承超等【凇明也对增压系统进行了分析，从热力学第一、第二定律出发对增压喷射制 冷循环与纯喷射制冷循环、蒸汽压缩制冷循环进行了比较分析。研究表明这种增压喷射 方式具有良好的技术经济性。但应注意升压机需要的动力要远远大于循环泵的动力，在 评价性能时不能被忽略掉。而且在实际应用中，被带入的升压机的油滴严重影响了喷射 器内光滑干净的工作环境。 图1 4 增压喷射制冷系统 f i g 1 4b o o s t e ra s s i s t e de j e a o rs y s t e m 图i 5 压缩喷射混合系统 f 培i 5h y b r i dc o m p r e s s i o n - j e ts y s t e m s o k o l o v 还提出了另一种改进的压缩喷射混合系统( 如图1 5 ) 它包含传统的 压缩循环和喷射子循环，它们之间用换热器连接。在这个系统，喷射器和压缩机的压缩 比都维持在一个较低的水平。热负荷从蒸发器传给换热器，进而被压缩排放到环境中。 s u n 【2 9 】模拟了太阳能驱动的混合系统。水和r - 1 3 4 a 分别用做喷射和压缩系统的制冷剂。 结果表明和传统压缩系统相比系统的c o p 提高了5 0 。 将喷射器用在传统的吸收式制冷系统也得到了研究。恰当的安装结构大幅提高了系 统c o p , 可以接近于传统的双效吸收系统。此外和传统的高效吸收制冷系统相比他的初 投资也相对较低。很多研究人员试图用喷射器将吸收器的压力提高到高于蒸发器的压力 来改进系统的效率。较早的有k u h l e n s c h m i d t 的设计( 如图1 6 ) 。他的设计中应用了 双效发生器，但是与通常的双效机不同，从第二级发生器中出来的低压蒸气是作为喷射 器的驱动蒸气从蒸发器吸入蒸气，然后排到吸收器中，从而保持了吸收器和蒸发器中的 喷射式制冷系统实验台建设与实验研究 压力差。但是到现在还没有关于这个系统的理论和实验研究结果。不过可以推断系统的 c o p 不会高于单效的吸收系统，因为有部分从一级发生器中出来的制冷剂没有进行蒸发 吸热，直接回到了吸收器。 f i n e r c 脯 群m | o r q h 臼 o q 一 图1 6k u h l e m c h m i d t 设计的喷射吸收混合制冷系统 f 螗1 6h y b r i de j e c t o r - a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m b yk u h l e m c l m a i d t 日q 一。 扫q h l q 。岫e 、晦咖f 图1 7 带有喷射吸收器的吸收系统 f i g 1 7a b s o r p t i o ns y s t e mw i t he j e c t o r - a b s o r b e r 与之形成对比的是c h u n g 3 0 l 和c h e n 3 1 1 将喷射器置于常规单效吸收系统的回热器和 吸收器中间( 如图i 7 ) ，利用从发生器中出来的高温浓液作为喷射器的驱动流体，从 蒸发器吸入蒸气，排到吸收器中。吸收器压力的提高减小了溶液的循环倍率，从而提高 大连理工大学硕士学位论文 了吸收系统效率。但是，这种布置要求制冷剂的蒸气密度比较大，这是受到液体驱动的 喷射器不能适应于制造较高真空度的限制。 提高发生器的温度和提高吸收器的压力一样能提高单效吸收系统的效率。其中一个 显著的方式由a p h o m r a t a n a 和e a m e s 3 2 1 提出( 如图1 8 ) 。喷射器置于发生器和冷凝器 之间。如果应用高温热源，发生器温度将会升高，溶液浓度维持恒定所以避免了发生 器内的结晶。喷射器利用从发生器来的高压蒸气作公所流体。在蒸发器制冷剂蒸气不仅 在吸收器被溶液吸收还被喷射器卷吸。所以c o p 高于常规的系统。实验表明c o p 可达 0 8 6 - - 1 0 4 。该系统的主要缺点是发生器必须在高温( 1 9 0 c - 2 1 0 c ) 下运行，因此存在 材料腐蚀的问题。 日 臼 d 嘶 e 邺蝴 图1 8a p h o r n r a t a n aa n de a m e s 设计的喷射- 吸收制冷系统 f i g 1 8h y b r i de j e c t o r - a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mb ya p h o m r a t a n aa n de a m e $ 在喷射式制冷系统中，除了用机械泵是液态制冷剂回到发生器外，人们还尝试了使 用其他方法。r i f f a t 和h o l t 3 3 】提出把热管的原理应用到喷射器上。从冷凝器出来的制冷 剂液体通过毛细作用回到发生器。类似的还有施明恒等州对太阳能毛细驱动喷射式空调 进行了模拟研究( 如图1 9 ) 。系统中用由多孔吸液芯构成的毛细泵将冷凝液传给发生 器。结果显示该系统可以在一定条件下正常运行。但当系统循环阻力大于毛细泵所能提 供最大动力时系统将无法运行。另一个可行的办法是高架冷凝器来利用冷凝器和发生器 间的重力压头 3 5 , 3 日。但笨重庞大的结构会引起增大流动阻力和保温困难等问题。 用一个气液喷射器替代机械泵将冷凝液送入发生器是一个较新的替代机械泵的方 法，此系统就是双喷射式制冷系统。如图1 1 0 该系统中机械泵被喷射器取代，避免了 喷射式制冷系统实验台建设与实验研究 机械泵的气蚀问题，工作时减少了电力消耗，在理想情况下可以成为一个完全由热源驱 动的循环。这也使喷射式制冷系统更具适应性和竞争性。张博1 3 7 1 在太阳辐射条件下的模 拟结果显示太阳能双喷射式制冷系统的全天平均c o p 可以接近0 2 。曲晓萍娜】建立了气 液喷射器分析模型，对气液喷射器的升压能力进行分析，结果显示水的喷射系数最大， 在c f c 卤代烃制冷剂中r ll 的喷射系数较大。沈胜强等印柏】对双喷射制冷系统的性能 进行了计算分析，结果表明对于不同的制冷剂，系统c o p 能达到o 0 4 - 0 2 6 。 l 太阳能集热器；2 毛细泵；3 一发生器；4 喷射器；5 冷凝器； 6 蒸发器；7 节流阀；s 热水换热器；9 水箱；l o 一调节阀 图1 9 太阳能毛细驱动喷射式制冷系统 f i g 1 9s o l o re j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e md r i v e nb yc a p i l l a r yp u m p 图ll o 太阳能双喷射制冷系统图 f i g 1 1 0s o l a rh i - e j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 1 3 计算机数据采集系统 在热能工程专业的实验中，需要记录多个数据，如不同测点的温度、压力、流量等。 传统的读数是采用人工读取仪表数据并记录，如果系统不能处于稳定的状况下运行，记 录的数据不是同一瞬时的，这就不能保证读数的同时性，必然会产生误差。人工的记录 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 次数和频率有限，平均值在工况出现波动时会有偏差。人工记录在长时间的实验情况下 很难记录下全部实验过程的数据，不利于实验后的分析。如果采用计算机数据采集技术 就可以弥补以上不足。在计算机数据采集系统里，数据可以同时记录，而且系统可以设 置采样周期。按要求连续采集数据，记录了整个实验过程，事后可被调用分析。精密的 传感器使测量数据更加精确，增强了实验效果。此外还可以利用计算机对运行工况做出 判断，进行反馈调节，从而完成实验在设计工况下的自动化运行。所以计算机数据采集 技术在实验中的应用是高技术含量下进行科学研究的必然趋势。 计算机数据采集系统( 如图1 1 1 ) 是计算机应用的一个重要分支，是获取信息的主 要和先进的手段之一。其数据采集部分是由多路开关、采样保持电路、测量放大器和 a d 转换器组成。被检测对象首先由传感器将收集到原始信号经滤波放大后送入多路转 换器，多路转换器则轮流切换各被测信号，使它们与测量电路依次接通，并被送入保持 器。信号通过采样保持后变成间断模拟量，为模数转换做准备。信号通过a d 转换器后 变成离散的数字信号再传给上位机，由上位机对采集的信号进行分析处理【4 1 1 。整个过程 都在计算机软件的控制下完成。 匝塑卜匝雯叵卜 模 计 拟 算 多 机 垌 圆圈_ + 匝墅圉卜路数 一删 切 据 匾堕卜匝雯叵卜+ 换 总 器 线 图1 1 l 数据采集系统示意图 f i g 1 1 1s k e t c h o f d a t aa c c l u i s i f i o ns y s t e m 数据采集系统广泛地应用在实验分析、工业控制、测试和测量过程中。现在多数的 数据采集系统由计算机系统和采集卡组成。这样的数据采集系统价格便宜，结构简单， 正在越来越多的应用在各种场合中 数据采集系统的主要性能指标： 喷射式制冷系统实验台建设与实验研究 系统分辨率。数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低有效 位值( l s b ) 占系统满度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压值来表示。 系统精度。当系统工作在额定采集速率下每个离散子样的转换精度。模数转换 器的精度决定了系统精度的极限值。 采集速率。又称系统通过率，指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模 拟信号在单位时间内所完成的采集次数，或系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。 动态范围。某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最 小幅值之比的分贝数。 科学技术的飞速发展，使数据采集技术不断进步和完善。计算机性能的提高使系统 的用户操作界面更友好、简单，数据采集部分和数据处理部分联系更紧密，提高了监测 的实时性。新材料技术的发展使新型的传感器不断问世，并向着集成化、智能化方向发 展。芯片的发展使采集系统的分辨率大幅提高。总线技术的发展缓解了数据通信困难的 问题。 总体来讲，现代数据采集系统具有如下特点： 一般由计算机直接进行数据分析和处理，使得数据采集的质量和效率大为提高， 同时节省了硬件资源。 软件在数据采集系统地作用越来越大，增加了系统设计的灵活性。 数据采集与数据处理相互结合的日益紧密，形成了数据采集与处理系统，可实 现从数据采集、处理到控制的全部工作。 采样速度更快，系统体积更小j 可靠性更高，应用场合更广泛。 可见，灵活、方便、简洁、高精度和低成本是数据采集系统的发展趋势。 1 4 本文的主要工作和研究内容 本课题组多年来对喷射器以及喷射式制冷系统的相关研究，为本课题的开展奠定了 良好的基础。 本文的主要工作和研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 利用气体喷射器和喷射式制冷系统数学模型，完成喷射制冷系统和喷射器的性 能计算与结构设计。 ( 2 ) 对喷射式制冷系统实验台中涉及的换热设备、测量仪器进行设计与选型，对各 设备及管路的布置进行设计。搭建喷射式制冷系统实验台。 ( 3 ) 自行设计实验测量系统，通过开发的计算机数据采集系统，实现实验台的自动 化铡试。针对喷射式制冷实验的特点，利用v i s u a lb a s i c6 0 编制专门的数据采集软件。 大连理工大学硕士学位论文 并使其具有控制数据采集卡、数据处理、绘制实时动态曲线和数据库查询功能的实用性 较强的软件。 “) 利用制冷剂运行实验系统。研究喷射式制冷系统的工作特性和影响因素，验证 实验测量系统的可靠性。 喷射式制冷系统实验台建设与实验研究 2 气体喷射器与喷射式制冷系统性能计算和结构设计 2 1 喷射式制冷系统原理 图2 1 是喷射式制冷系统的原理图。该系统主要由喷射器、发生器、蒸发器、冷凝 器构成，其利用了喷射器代替压缩机来实现对制冷蒸汽的压缩，以消耗较高压力的蒸汽 来实现制冷。 口 暑 占 屯 一 图2 1 喷射式制冷系统原理图 f i g 2 1c h a r to f e j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 2 1 1 系统物理模型 喷射式制冷系统如图2 1 所示，从发生器出来的高温高压蒸气作为气体喷射器工作 气体。气体喷射器用于引射来自蒸发器的制冷蒸气，混合后的气体排至冷凝器冷凝为液 态。冷凝后的制冷荆一部份经膨胀阀降压降温进入蒸发器完成制冷子循环，另一部份被 液体泵升压送回至发生器完成能量子循环。 图2 2 为整个系统工作过程的h - s ( 焓熵) 图。状态g t 质量为啦的制冷剂液体( - - 般为过冷) ，经发生器生成高温高压工作蒸气( 饱和或过热) ，用g o 表示。质量为 的工作蒸气在气体喷射器的喷嘴中降压提速至状态1 ，用于引射来自蒸发器的质量为巩 大连理工大学硕士学位论文 的状态为的( 饱和或过热) 制冷剂蒸气，在气体喷射器中混合后到达c f 点而后进入冷 凝器，冷凝为质量m 。状态岛的液体。冷凝器内的制冷剂液体，分两路完成循环。一路 质量为m 。的冷凝液经膨胀阀截流到自点，进入蒸发器蒸发完成制冷过程后至岛点。另一 部份质量为的冷凝液经液体泵提高压力至g ，点，回到发生器中，完成能量循环 h 图2 2l l 唱喷射式制冷系统的工作过程 f i g 2 2w o r k i n gc y c l eo f e j e c t o rr e f r i g e r a t i o ns y s t e mo i lh - sc h a r t s 2 1 2 系统数学模型 建立发生器、冷凝器、蒸发器的热平衡方程如下： 发生器 岛= 肼。( k 一) ( 2 1 1 ) 冷凝器包= 所。( k k ) ( 2 1 2 ) 蒸发器见= 所。( k 一) ( 2 1 3 ) 式中：q 为热量( k w ) ，h 为焓值( k j k g ) ，m 为质量流量( k g s ) ：g 为发生器，c 为冷凝器，e 为蒸发器；f 表示入口，0 表示出口。 对于气体喷射器的喷射系数有 “= m m j ( 2 1 4 ) 喷射式制冷系统实验台建设与实验研究 系统性能系数 凹2 才艺 q 工5 忽略泵功阡k ，得 c o p ：拿 ( 2 1 6 ) g 由( 2 1 i ) 、 ( 2 i 3 ) 和( 2 1 4 ) 得 c o p ；“婴 ( 2 i 7 ) 向p 一 2 2 气体喷射器数学模型 喷射器由喷嘴、吸入室、混合室和扩散室几部分组成，其内蒸汽的压力和速度的变 化如图2 3 所示。工作蒸汽以亚音速由g 点进入喷嘴。在渐缩部分压力降低速度增加， 在喉部达到音速，此时马赫数等于l 。在渐扩段蒸汽压力继续降低速度增至超音速状态， 在喷嘴出口截面上( 点2 ) ，工作蒸汽压力低于引射蒸汽的压力。引射蒸汽由e 点进入 喷射器并速度增加，压力降至点3 。两股蒸汽可能在吸入室和渐缩段混合也可能在进入 混合室后开始混合。不论哪种情况混合在混合室中经过一个激波使压力升高速度降至亚 音速状态( 点4 ) 。当亚音速的混合流体进入扩散室后压力继续升高，部分动能转化为 压力。产生流体的压力稍高于冷凝器的压力。 喷射器模型不仅让我们更好地了解压缩过程，对系统的设计和性能评价也很重要。 因此建立喷射器数学模型，基本假设1 4 2 如下： 工作蒸汽和引射蒸汽都是饱和气体，气体流动是绝热等熵的，并忽略二者的初始 进入速度； 绝热膨胀指数是定值，把蒸汽作为理想气体考虑； 摩擦损失被定义为喷嘴、扩散室、混合室的效率； 喷射器流动是一维、稳态的。 模型方程如下； 喷射系数 材= m 。m 2 ( 2 2 1 ) 大趣工大学硕士学位论文 图2 3 喷射器内蒸汽压力和速度变化示意图 f i g 2 3c h a r to f t h ev a r i a t i o no f s t r e a mp r e s s u r ea n dv e l o c i t ya l o n gt h ec j e c t o f 工作蒸汽在喷嘴出口即2 点处的马赫数 m ；2 。 引射蒸汽在喷嘴出口即2 点处的马赫数 帆2 = 蒸汽混合流在4 点处的临界马赫数 膨= 州：+ 洲二厉 实际马赫数和临界马赫数的关系 肌厩 ( 2 2 2 ) ( 2 2 4 ) 喷射式制冷系统实验台建设与实验研究 蒸汽混合流在激波后的马赫数 m s = 蒸汽混合流在4 点激波后的压升 墨：生丝 1 七捌； 2 、3 、4 点处压力相等 b = 只= 只 蒸汽混合流在扩散室的压升 毒= 降2 蚋 丽bl j 喷嘴喉部面积 4 专 喷嘴喉部和混合室面积比 丢= 毒( 赢 喷嘴喉部和喷嘴出口的面积比 生： 4 抛蝌臂 l 2 皓) 击( ，一剞2 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 1 0 ) ( 2 2 1 1 ) ( 2 2 1 2 ) 式中，肘是马赫数，是压力，廊是质量流量，k 是气体绝热指数，粕，锄，私分别是 喷射器的喷嘴效率、混合效率和扩散效率，是开氏温度。 按照上述模型，建立了如下两类计算程序。 程序一：对于已知截面积爿j ，以，山，引射蒸汽压力只和工作蒸汽压力b ，计算 喷射器性能参数，计算流程如图2 4 a 所示，步骤如下： 大连理工大学硕士学位论文 a b 图2 4 喷射系数u 计算流程图 f i g 2 4s o l u t i o na l g o r i t h m st oc a l c u l a t ee n t r a i n m e n tr a t i ou 设定截面积彳j ，也，彳3 ，引射蒸汽压力b 和工作蒸汽压力足。喷射器的喷嘴效 率、混合效率和扩散效率。柏，枷，驰 计算工作蒸汽和弓l 射蒸汽的饱和温度，乙和乏 喷射式制冷系统实验台建设与实验研究 由式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 、( 2 2 i o ) 、( 2 2 1 2 ) 计算工作蒸汽量和和喷嘴出口参数 p 2 ，m t 2 ，m 吐t 假设喷射系数掣。 由式( 2 2 4 ) 一( 2 2 9 ) 计算其他参数m 二、m ：2 、以、 缸、m ，、与、只。 由式( 2 2 1 1 ) 得到新的喷射系数甜。 重复计算，直到喷射系数的计算值与假设值足够接近。 计算引射蒸汽量豫和压缩蒸汽量。 程序一可以应用于喷射器尺寸已经给定的情况下，各制冷剂工质在不同的工作状态 时对喷射系数的求解，为喷射器的运行状况提供参考数据。 程序二：对于已知喷射器工况名，b 和，0 计算喷射器最大喷射系数，计算流程如 图2 4 b 所示，步骤如下： 设定工作蒸汽压力乓，引射蒸汽压力b 和喷射器出e 压力b 。喷射器的喷嘴效 率、混合效率和扩散效率，柏、锄，和。 计算工作蒸汽和引射蒸汽的饱和温度，磊、乃和毛假设喷嘴出口参数乃。 由式( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 计算喷嘴出口参数m 9 2 ， 幻。 假设尬。 由式( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 、( 2 2 9 ) 和( 2 2 8 ) 计算其他参数l 以、只只、只b 和名只。 重复假设 矗，计算只c ，直到其达到设计值。 由( 2 2 5 ) 计算喷射系数“。 重复假设n ，直到得到喷射系数“的最大值。 计算截面积4 j ，也，幽。 程序二可以应用于制冷剂及其工作状态已经给定的情况下，当喷射系数达到最大值 时对喷射器尺寸的求解，为喷射器的设计提供参考数据。 2 3 喷射器的结构设计 根据2 2 节的数学模型，对喷射器进行结构设计。按照制冷系统可以利用低温热源 驱动的特点，本实验中发生器的热源为9 0 的热水。工作蒸汽温度为8 5 ，制冷蒸汽 温度为1 2 ，冷凝温度为3 0 。 已有的研究表明，r 1 1 在热物理性质上更适合喷射式制冷系统。它的特点是：i 、r l i 的常压沸点是2 3 7 ，从而冷凝器的工作压力就不会很高，只要比大气压高0 5 b a r 。 这使得整个喷射式制冷系统运行在较低的压力下，易于设计和制造。2 、r 1 1 的比容与其 大连理工大学硕士学位论文 它氟帚j 昂制冷剂比较起来要大一些，从而使喷射器的尺寸可以稍微大一点，使喷射器的 制造更加容易。所以实验中的制冷工质