一、研究背景

随着能源与环境的问题越来越突出，常规能源的紧缺引起了国内外学者对新能源和相应新技术的探索。传统的压缩式制冷系统虽然工作性能较好，但运行时要消耗大量的高品位能源（如电能）作为补偿，而喷射式制冷系统可以有效利用太阳能、工业余热等低品位能源，因此受到人们广泛关注。喷射式制冷系统结构简单、使用寿命长、系统稳定性高，且制冷工质范围广，甚至可以选用完全环保无害的水作为制冷剂，因而有很大的研究前景。

二、研究现状及应用

2.1 喷射器设计现有理论方法

19世纪末，德国学者Zeuner和Rankin提出对混合流体使用动量方程的理论，该理论在研究中被广泛使用并且得到了实验验证，但是该理论无法完全解决喷射器的计算问题^[1]。后来Flugel^[2]首次提出以质量、动量、能量守恒为基础的喷射器理论分析，并对喷射器轴向尺寸的计算等问题进行了深入研究，但是局限于当时流体力学发展的水平，没有形成完整的喷射器理论体系及计算方法。

喷射器是喷射式制冷系统中的核心部分，现在喷射器的设计方法主要是热力学分析法和气体动力学函数法。热力学分析法包括定压混合理论与定常面积混合理论；气体动力学函数法是由苏联科学家索科洛夫提出的，这个理论体系对现在喷射器的设计有很大的参考价值。

2.1.1 定压混合理论

1942年Keenan和Neumann^[3]首先提出了喷射器一维混合理论，随后又对喷射器等压混合理论模型进行了研究并提出了一维等压混合理论^[4]，即工作流体经过喷嘴后，速度提高，压力降低，从而吸入引射流体，并在吸收室内以恒定压力混合。一维等压混合理论忽略了喷嘴和扩散室的损失，假设工作流体和引射流体的相对分子质量与比热容相同、喷嘴和扩散室内的流动均是等熵变化，工作流体在定压混合段以较短时间加速到超音速。1977年，Munday和Bagster^[5]假设两种流体在吸收室的渐缩段维持各自的状态，并假设在渐缩段的某处引射流体速度升高到音速，两种流体在混合室中混合达到超音速，但是由于存在激波，超音速流体会产生能量损耗，并在扩散室内速度降低变为亚音速；该理论的不足之处在于没有考虑到超音速混合流体经渐缩段减速、降压的过程。而且流动混合的过程非常复杂，模型简化后虽然引进了经验系数，但是仍然不能确保定压混合过程进行的充分、有效，该理论还无法解释引射流体在临界工作状态下的阻塞现象。

2.1.2 定常面积混合理论

Keenan和Neumann^[4]同时还研究了定常面积混合的情况，即喷射器内部工作流体与引射流体的混合是在定常面积下完成的。1958年，Fabri等^[6]发现喷射器在进行定常面积混合时，喷射器内流体的流动有时与喷射器背压无关。1975年，Aydd^[7]基于前人的理论提出一种新的模型#8212;#8212;喷射器定常面积混合理论模型。他假定了：

a.定常面积混合室入口截面处工作流体与引射流体的速度和压力均衡分布，出口截面处两者充分混合，且通过守恒方程分析入口、出口截面可以得到混合室出口流体状态参数，但是无法确定混合过程的工作状况；

b.出口截面前某处存在一截面，使工作流体与引射流体在入口与该截面之间的过程是相互独立的等熵过程。该理论比较符合实验结果，但是只有在引射流体压力较低时准确度高。

2.1.3 气体动力学函数法

苏联科学家索科洛夫^[8]提出了一种完全不同的喷射器设计方法，他对大量的实验结果进行分析研究，认为工作流体与引射流体在喷射器内混合时压力是不断变化的，于是他在模型中引入了气体动力学函数，并与守恒定律相结合得到了喷射器可以达到的最大引射率。但是该方法要考虑混合室的入口、中间部分及出口三处的极限状态，要求引射流体在进出混合室的过程中其流速不能超过临界流速，因此计算较复杂。

2.1.4 其他方法

2009年，郭建等^[9]提出了一种新的喷射器设计方法#8212;#8212;等马赫数梯度法。对于喷射器的横截面积变化的部分，它的横截面积随Ma的变化满足下列等式（1）、（2）：

后来，郭建等^[10]通过一维喷射器内部流动的CFD模拟结果分析比较，发现新型喷射器使两种流体混合时的接触面积增大，使两种流体之间的能量、动量交换更充分，喉部出口处混合流体的速度更均衡，有效避免了扩散室入口前激波的产生和边界层的分离；同时减弱了喷嘴出口处激波的强度，防止引射流体在喷嘴出口处回流，提高了喷射器工作性能。

2.2 制冷剂在喷射式制冷系统中的研究进展

水的膨胀性和流动性较好，其优点是在自然界中容易获得，而且热力性能稳定，无毒，不容易腐蚀设备，所以在制冷系统中最先被使用。很多学者^[11][12]对以水为工质的喷射式制冷系统进行改进，但是使用水作为工质时效率比较低（一般小于0.3），且制冷温度不能低于0℃，且水的比热容较大，所以喷射器的尺寸较大。伴随着小型制冷系统的出现，以水作为制冷剂有较大的局限性。

氨水在制冷温度范围内压力适宜，气化潜热高，制冷能力强，价格便宜，对环境较友好。2002年，Alexis和Rogdakis^[13]对以氨水作为工质的喷射器的性能进行了研究，结果表明，COP是喷嘴面积和定常混合面积之比的函数，通过改变两者的比率能够优化喷射器的性能。氨水作为工质时的制冷能力比水强，但因为其毒性和刺激性气味强，对某些金属有腐蚀性，虽然至今仍在使用，但有一定的限制。

上世纪30年代，随着人工制冷需求的增加，人们迫切需要安全性好、耐久性高的制冷剂。这种情况下，出现了以卤代烃为主的性能稳定、无毒、高效率的制冷剂，能满足不同的制冷温度范围，因此被广泛地用于制冷剂。学者们通过研究低沸点制冷剂R11^[14]、R142b^[15]、R717^[16]等应用于喷射式制冷系统，发现发生温度最低为76℃温度、蒸发温度约-10℃，有效利用了低品位热源，其结果如表1所示。虽然这些氟氯烃类制冷剂为喷射式制冷系统提供了大量的研究成果，但它对臭氧层的影响非常大，已经逐渐被淘汰掉。

R141b是一种过渡性的替代物质，其对臭氧层的破坏能力仅为R11的0.086%^[17]。与R11相比较，在相同的制冷条件及蒸发温度下，R141b的工作温度较低且比容较大，同压力下可将更多内能转化为动能，压缩效果更好。

表1 设计工况下各制冷剂性质

Selvaraju^[18]选用R134a作为制冷剂，对喷射式制冷系统进行性能分析。结果为：随发生温度的增加，引射率、COP都增大，但是超过最佳点后都下降。而且R134a作为制冷剂对发生器的承压能力要求高，当发生段与冷凝段压差较大时会出现制冷剂泄露等问题，故无法被广泛使用。

宋旭彤^[19]对以R236fa作为工质的喷射器进行性能分析研究，发现在相同的发生温度下，R236fa的压力是R134a的1/2，所以对发生器段各设备承压能力要求较低，选择循环泵时有较大的范围，可以降低系统的初投资成本。

制冷剂是影响喷射器器性能的一个重要因素，因为人们要求更加环保，所以绿色安全也是衡量制冷系统性能的一个重要因素。因此，除了改进现有的制冷方法，制冷剂的研发是提高制冷系统性能的新方向。

2.3 系统性能影响因素研究

2.3.1 系统运行参数

影响喷射制冷性能的主要运行参数有发生温度、蒸发温度、冷凝温度，一般来说，发生温度和蒸发温度越高，冷凝温度越低，喷射式制冷系统的性能越好。

刘娜等^[20]研究发现：喷射制冷系统性能随蒸发温度和冷凝温度的变化比随发生温度变化更加敏感，因此系统设计过程中应更多的关注蒸发温度和冷凝温度对系统性能的影响。而喷射制冷系统的发生温度通常是根据驱动热源的温度来选择。另外，Payam等^[21]研究发现，系统COP和喷射器引射率u都随T_e和T_g的增加而增加，随T_c和冷凝器质量流量m_c的增加而减小。

2.3.2 喷射器结构参数

喷射器作为喷射制冷系统的核心部件，主要由喷嘴、吸收室、混合室和扩压室组成，其结构如图1所示。喷射器结构主要由面积比（等面积混合段截面积与喷嘴喉部截面积之比D_m/D_t）、喷嘴出口位置NXP、等面积混合段长度L_m等尺寸决定，这些尺寸影响着喷射器的引射率的高低，而喷射制冷系统性能又与引射率紧密相关，为了取得最大的喷射系数，许多学者进行了相关研究。夏在超^[22]等通过模拟与实验的方法发现在发生温度90℃，蒸发温度5℃，冷凝压力0.25MPa时得到最大喷射系数的相关尺寸为L₁=3.8mm，L₂=40mm，α=5#176;。

图1 喷射器结构示意图^[23]

2.4 应用领域

2.4.1 工业余热利用

工业余热作为低品位余热直接排放不仅造成浪费，而且会造成热污染，因此，喷射制冷技术应用在工业余热领域具有非常好的前景。郑爱平利用工业余热^[24]和汽车冷却废热^[25]来驱动喷射式制冷机。江辉等^[26]利用夏季玻璃厂高温烟气余热生产的高温蒸汽设计了一套喷射制冷系统，结果运行稳定可靠，在玻璃厂具有一定的推广意义。邵光远^[27]利用船舶余热作为高温热源进行制冷，并针对工质R600a进行系统设计，最后提出相应的优化方案。

2.4.2 发动机余热利用

近年来，汽车、船舶等交通工具的烟气余热应用研究已经引起人们重视，而喷射制冷作为可利用低温余热的制冷方式更具吸引力。马俊达等^[28]选用R134a为制冷剂，分析了汽车发动机余热驱动的喷射制冷空调系统，结果系统COP可达0.5，制冷量完全可满足车内空调使用，而且提高了发动机效率。俞梦琪^[29]设计了一种用于冷藏库预冷的喷射器，并对该喷射器的不同工况进行了理论研究，发现在发生温度200～234.6℃之间，排烟废气中的余热足以驱动制冷系统并达到合适的制冷量。

2.4.3 太阳能利用

利用太阳能来驱动喷射器制冷是喷射式制冷技术的一个研究热点，许多学者开展了大量工作。李风雷、任艳玲^[30]研究了日照强度、换热器温度等对制冷量、性能系数等方面的影响。

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