一种弧线型气气喷射器混合扩散段结构

1.本发明涉及制冷与热泵设备的技术领域，尤其涉及一种弧线型气气喷射器混合扩散段 结构。


背景技术：

2.喷射式制冷/热泵循环是一种采用热能驱动的不含有机械式压缩部件的制冷/热泵循 环系统，该循环系统能够在高温热源的驱动下，产生高压的工作流体，从而在喷射器内引 射低温热源作用下产生的低压流体，将其提升至中间压力后冷凝放热，采用此流程提取低 位热源的热量，实现制冷/热泵的功能。其中，喷射器是喷射式制冷/热泵循环的关键部件， 对整个系统的运行效果具有重大的影响，其结构示意图如图1所示。喷射器相关理论及其 结构的设计方法早已成型，然而传统的喷射器结构会导致在其混合扩散段内产生剧烈的正 向激波效应，在一定背压条件下，喷射系数受到严重的衰减，喷射器效率低至0.1～0.4之 间，严重影响了喷射式制冷/热泵循环的运行效率，导致该循环系统与机械式压缩循环相 比，适用的场合大大减少。
3.传统的喷射器的混合扩散段部分为直管段与锥形管段相结合的形式，如图2所示，其 缺点在于，高低压混合的工质在其中进行混合压缩的过程中，工质的静压会产生一个阶跃 式的提升，喷射器工作不稳定，喷射器的喷射系数较低。


技术实现要素：

4.针对上述产生的问题，本发明的目的在于提供一种弧线型气气喷射器混合扩散段结 构。
5.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种弧线型气气喷射器混合扩散段结构，其中，包括：喷射器混合扩散段2呈由气体 入口方向至出口方向连续变截面筒状结构，所述喷射器混合扩散段2的中部内径小于其入 口内径和出口内径，所述喷射器混合扩散段2的入口内径小于其出口内径，所述喷射器混 合扩散段2的入口用于和喷射器的吸入段3的出口连接，所述喷射器混合扩散段2延其轴 向的纵剖面上内壁对应的切面线由多个点r组成，点r由下述公式确定：
[0007][0008]
其中，以所述喷射器混合扩散段2入口处的与喷射器混合扩散段中心轴线1垂直的横 截面和所述喷射器混合扩散段中心轴线1的交点作为原点，x表示所述喷射器混合扩散段 中心轴线1上任意一点与所述原点之间的距离，x取值范围为0～l0；l0表示所述喷射器 混合扩散段2入口处至出口处的最大距离；r表示位于所述喷射器混合扩散段中心轴线1 上任意一点处与所述喷射器混合扩散段中心轴线1垂直的横截面的截面半径；r0表示所 述喷射器混合扩散段2入口处与所述喷射器混合扩散段中心轴线1垂直的横截面的截面半 径；a0、a1、a2、a3、a4、a5和a6均为依据设计工况条件确定的比例系数；所述弧线型气 气喷射器混
合扩散段结构采用等动量计算模型与数学分析法结合计算得到，该混合-扩散 段结构是由六次多项式弧线为母线，围绕混合-扩散段中心轴旋转而形成的腔体结构；其 中a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6和c为根据上述计算方法拟合而得的比例系数，不同工况条 件下比例系数不同，相同工况条件下比例系数为一定值；
[0009]
l0由下述公式确定：
[0010]
l0＝cr0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0011]
其中，c为依据设计工况的工况条件确定的比例系数，r0的取值范围为5-500mm。
[0012]
上述的弧线型气气喷射器混合扩散段结构，其中，所述喷管3上设有工作流体接口4 和引射流体接口5，高压工作流体从工作流体接口4流入喷射器的吸入段3进而流入所述 弧线型气气喷射器混合扩散段2结构，低压引射流体从引射流体接口5流入喷射器的吸入 段3进而流入所述弧线型气气喷射器混合扩散段2结构。
[0013]
上述的弧线型气气喷射器混合扩散段结构，其中，设计工况的工况条件：使用工质为 r141b，高压工作流体的温度为90-100℃，过热度为3至5℃，工作压力为539-677kpa； 低压引射流体的温度为40-50℃，过热度为3至5℃，引射压力为132-183kpa；喷射器的 背压为225-298kpa；
[0014]
所述式(1)的比例系数为：
[0015]
a0＝1.000
[0016]
a1＝-0.0439
[0017]
a2＝0.0146
[0018]
a3＝-3.0575
×
10-3
[0019]
a4＝3.3175
×
10-4
[0020]
a5＝-1.6808
×
10-5
[0021]
a6＝3.2848
×
10-7
[0022]
所述式(2)的比例系数为：
[0023]
c＝20.4379
[0024]
r0＝100mm
[0025]
x的取值范围为：0-2043.79mm
[0026]
根据上述参数值及公式(1)，获得多个点r，从而得到由多个点r组成的第一切面 线，形成所述弧线型气气喷射器混合扩散段2结构。
[0027]
上述的弧线型气气喷射器混合扩散段结构，其中，设计工况的工况条件：使用工质为 r245fa，高压工作流体的温度为90-100℃，过热度为3至5℃，工作压力为1006-1265kpa； 低压引射流体的温度为40-50℃，过热度为3至5℃，引射压力为250-344kpa；喷射器的 背压为419-553kpa；
[0028]
所述式(1)的比例系数为：
[0029]
a0＝1.000
[0030]
a1＝-0.0429
[0031]
a2＝0.0142
[0032]
a3＝-3.1545
×
10-3
[0033]
a4＝3.7467
×
10-4
[0034]
a5＝-2.0768
×
10-5
[0035]
a6＝4.4546
×
10-7
[0036]
所述式(2)的比例系数为：
[0037]
c＝18.7403
[0038]
r0＝100mm
[0039]
x的取值范围为：0-1874.03mm
[0040]
根据上述参数值及公式(1)，获得多个点r，从而得到由多个点r组成的第二切面 线，形成所述弧线型气气喷射器混合扩散段2结构。
[0041]
上述的弧线型气气喷射器混合扩散段结构，其中，设计工况的工况条件：使用工质为r123，高压工作流体的温度为90-100℃，过热度为3至5℃，工作压力为624-785kpa； 低压引射流体的温度为40-50℃，过热度为3至5℃，引射压力为155-212kpa；喷射器的 背压为260-344kpa；
[0042]
所述式(1)的比例系数为：
[0043]
a0＝1.000
[0044]
a1＝-0.0426
[0045]
a2＝0.0141
[0046]
a3＝-3.1810
×
10-3
[0047]
a4＝3.9228
×
10-4
[0048]
a5＝-2.2596
×
10-5
[0049]
a6＝5.0466
×
10-7
[0050]
所述式(2)的比例系数为：
[0051]
c＝18.0573
[0052]
r0＝100mm
[0053]
x的取值范围为：1805.73mm
[0054]
根据上述参数值及公式(1)，获得多个点r，从而得到由多个点r组成的第三切面 线，形成所述弧线型气气喷射器混合扩散段2结构。
[0055]
本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
[0056]
(1)本发明采用弧管段结构替代原有的直管段与锥形管段相结合的结构，使得流体 静压与速度在管段内平缓变化，减轻或者消除了正向激波产生的可能，减少了压缩过程的 不可逆损失；
[0057]
(2)本发明能有效提升喷射器的喷射系数，使喷射系数达到0.56，从而使得采用该 喷射器的喷射式制冷/热泵循环具有较高的运行效率与稳定性；
[0058]
(3)本发明能够将原有的喷射器喷射系数从大幅提升，提升幅度为34％左右，具有 该结构形式的喷射器的喷射式制冷/热泵循环能够大大提升其运行效果，大大扩展了喷射 式制冷/热泵循环的适用范围。
附图说明
[0059]
图1是气气喷射器的结构示意图。
[0060]
图2是传统的喷射器的混合扩散段结构形式的剖面示意图。
[0061]
图3是本发明的一种弧线型气气喷射器混合扩散段结构的结构示意图。
[0062]
图4是本发明的一种弧线型气气喷射器混合扩散段结构的原点坐标轴。
[0063]
附图中：1、喷射器混合扩散段中心轴线；2、喷射器混合扩散段；3、喷管；4、工作 流体接口；5、引射流体接口。
具体实施方式
[0064]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0065]
请参照图1至图4所示，示出了一种弧线型气气喷射器混合扩散段结构，包括：喷射 器混合扩散段2呈由气体入口方向至出口方向连续变截面筒状结构，喷射器混合扩散段2 的中部内径小于其入口内径和出口内径，喷射器混合扩散段2的入口内径小于其出口内 径，喷射器混合扩散段2的入口用于和喷射器的吸入段3的出口连接，喷射器混合扩散段 2延其轴向的纵剖面上内壁对应的切面线由多个点r组成，点r由下述公式确定：
[0066][0067]
其中，以喷射器混合扩散段2入口处的与喷射器混合扩散段中心轴线1垂直的横截面 和喷射器混合扩散段中心轴线1的交点作为原点，x表示喷射器混合扩散段中心轴线1上 任意一点与原点之间的距离，x取值范围为0～l0；l0表示喷射器混合扩散段2入口处至 出口处的最大距离；r表示位于喷射器混合扩散段中心轴线1上任意一点处与喷射器混合 扩散段中心轴线1垂直的横截面的截面半径；r0表示喷射器混合扩散段2入口处与喷射 器混合扩散段中心轴线1垂直的横截面的截面半径；a0、a1、a2、a3、a4、a5和a6均为依 据设计工况条件确定的比例系数；弧线型气气喷射器混合扩散段结构采用等动量计算模型 与数学分析法结合计算得到，该混合-扩散段结构是由六次多项式弧线为母线，围绕混合
‑ꢀ
扩散段中心轴旋转而形成的腔体结构；其中a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6和c为根据上述计 算方法拟合而得的比例系数，不同工况条件下比例系数不同，相同工况条件下比例系数为 一定值；
[0068]
l0由下述公式确定：
[0069]
l0＝cr0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0070]
其中，c为依据设计工况的工况条件确定的比例系数，r0的取值范围为5-500mm。
[0071]
进一步，在一种较佳实施例中，喷管3上设有工作流体接口4和引射流体接口5，高 压工作流体从工作流体接口4流入喷射器的吸入段3进而流入弧线型气气喷射器混合扩散 段2结构，低压引射流体从引射流体接口5流入喷射器的吸入段3进而流入弧线型气气喷 射器混合扩散段2结构。
[0072]
进一步，在一种较佳实施例中，设计工况的工况条件：使用工质为r141b，高压工作 流体的温度为90-100℃，过热度为3至5℃，工作压力为539-677kpa；低压引射流体的温 度为40-50℃，过热度为3至5℃，引射压力为132-183kpa；喷射器的背压为225-298kpa；
[0073]
式(1)的比例系数为：
[0074]
a0＝1.000
[0075]
a1＝-0.0439
[0076]
a2＝0.0146
[0077]
a3＝-3.0575
×
10-3
[0078]
a4＝3.3175
×
10-4
[0079]
a5＝-1.6808
×
10-5
[0080]
a6＝3.2848
×
10-7
[0081]
式(2)的比例系数为：
[0082]
c＝20.4379
[0083]
r0＝100mm
[0084]
x的取值范围为：0-2043.79mm
[0085]
根据上述参数值及公式(1)，获得多个点r，从而得到由多个点r组成的第一切面 线，形成弧线型气气喷射器混合扩散段2结构。
[0086]
进一步，在一种较佳实施例中，设计工况的工况条件：使用工质为r245fa，高压工 作流体的温度为90-100℃，过热度为3至5℃，工作压力为1006-1265kpa；低压引射流体 的温度为40-50℃，过热度为3至5℃，引射压力为250-344kpa；喷射器的背压为 419-553kpa；
[0087]
式(1)的比例系数为：
[0088]
a0＝1.000
[0089]
a1＝-0.0429
[0090]
a2＝0.0142
[0091]
a3＝-3.1545
×
10-3
[0092]
a4＝3.7467
×
10-4
[0093]
a5＝-2.0768
×
10-5
[0094]
a6＝4.4546
×
10-7
[0095]
式(2)的比例系数为：
[0096]
c＝18.7403
[0097]
r0＝100mm
[0098]
x的取值范围为：0-1874.03mm
[0099]
根据上述参数值及公式(1)，获得多个点r，从而得到由多个点r组成的第二切面 线，形成弧线型气气喷射器混合扩散段2结构。
[0100]
进一步，在一种较佳实施例中，设计工况的工况条件：使用工质为r123，高压工作 流体的温度为90-100℃，过热度为3至5℃，工作压力为624-785kpa；低压引射流体的温 度为40-50℃，过热度为3至5℃，引射压力为155-212kpa；喷射器的背压为260-344kpa；
[0101]
式(1)的比例系数为：
[0102]
a0＝1.000
[0103]
a1＝-0.0426
[0104]
a2＝0.0141
[0105]
a3＝-3.1810
×
10-3
[0106]
a4＝3.9228
×
10-4
[0107]
a5＝-2.2596
×
10-5
[0108]
a6＝5.0466
×
10-7
[0109]
式(2)的比例系数为：
[0110]
c＝18.0573
[0111]
r0＝100mm
[0112]
x的取值范围为：1805.73mm
[0113]
根据上述参数值及公式(1)，获得多个点r，从而得到由多个点r组成的第三切面 线，形成弧线型气气喷射器混合扩散段2结构。
[0114]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。
[0115]
本发明在上述基础上还具有如下实施方式：
[0116]
本发明的进一步实施例中，其特点是采用六次多项式的弧线线型替代了传统的气气喷 射器的直线线型，从而采用了弧线型气气喷射器混合扩散段代替了传统的直管段锥形管的 气气喷射器混合扩散段部分，能够使得高压工作流体与低压引射流体混合而成的混合流体 在混合-扩散段内压缩过程中不产生正向激波，减少了因激波而引起的不可逆损失，在喷 射器所处背压相同的工况条件下，提升了喷射器的喷射系数。
[0117]
本发明的进一步实施例中，喷射式制冷/热泵循环是一种采用热能驱动的不含有机械 式压缩部件的制冷/热泵循环系统，该循环能够在高温热源的驱动下，产生高压的工作流 体，从而在喷射器内引射低温热源作用下产生的低压流体，将其提升至中间压力后冷凝放 热，采用此流程提取低位热源的热量，实现制冷/热泵的功能。其中，喷射器是喷射式制 冷/热泵循环的关键部件，对整个系统的运行效果具有重大的影响，其结构示意图如图1 所示。喷射器相关理论及其结构的设计方法早已成型，然而传统的喷射器结构会导致在其 混合扩散段内产生剧烈的正向激波效应，在一定背压条件下，喷射系数受到严重的衰减， 喷射器效率低至0.1～0.4之间，严重影响了喷射式制冷/热泵循环的运行效率，导致该循环 系统与机械式压缩循环相比，适用的场合大大减少。
[0118]
本发明的进一步实施例中，喷射器混合扩散段延其轴向的纵剖面上内壁对应的切面线 为喷射器混合扩散段腔体母线2，喷射器混合扩散段腔体母线2环绕喷射器混合扩散段中 心轴线1旋转形成弧线型气气喷射器混合扩散段结构。
[0119]
本发明的进一步实施例中，传统的喷射器的混合扩散段部分为直管段与锥形管段相结 合的形式，如图2所示，其缺点在于，高低压混合的工质在其中进行混合压缩的过程中， 工质的静压会产生一个阶跃式的提升，导致喷射器工作的不稳定性，喷射器的喷射系数较 低。
[0120]
本发明的进一步实施例中，一种采用等动量计算模型与数学分析法结合计算得到的弧 线型气气喷射器混合扩散段结构，该混合扩散段结构是由六次多项式弧线为母线，围绕混 合扩散段中心轴旋转而形成的腔体结构。具有该弧线型气气喷射器混合扩散段结构的喷射 器，可以使得喷射器内高、低压流体所混合而成的中压流体在压缩的过程中，动压与静压 均匀变化，减少甚至消除了因流体静压阶跃式变化而产生的正向激波，不可逆损失较小， 具有优良的热力学性能，在工作过程中实现了混合流体的高效压缩，提升了喷射器的运行 效率。
[0121]
本发明的进一步实施例中，技术方案为，弧线型气气喷射器混合扩散段结构，包括混 合扩散段中心轴线1与混合扩散段腔体母线2构成，其特点是，所述混合扩散段中心轴线 1，是由喷射器各个横截面中心点连接而成；所述混合扩散段腔体母线2是以所述混合扩 散段中心轴线1为基准的六次多项式控制形成。该弧线型气气喷射器混合扩散段结构由所 述混合扩散段腔体母线2环绕混合扩散段中心轴线1旋转形成，结构内部经过机械打磨处 理，
能够减少流体在其中流动所受的摩擦阻力，进一步减少混合流体压缩过程中的不可逆 损失。
[0122]
本发明的进一步实施例中，采用弧管段结构替代原有的直管段与锥形管段相结合的结 构，使得流体静压与速度在管段内平缓变化，减轻或者消除了正向激波产生的可能，减少 了压缩过程的不可逆损失；
[0123]
本发明的进一步实施例中，能有效提升喷射器的喷射系数，使喷射系数达到0.56，从 而使得采用该喷射器的喷射式制冷/热泵循环具有较高的运行效率与稳定性。
[0124]
本发明的进一步实施例中，能够将原有的喷射器喷射系数从大幅提升，提升幅度为 34％左右，具有该结构形式的喷射器的喷射式制冷/热泵循环能够大大提升其运行效果， 大大扩展了喷射式制冷/热泵循环的适用范围。
[0125]
本发明的进一步实施例中，请参阅图2至图3，其中图2是传统的喷射器的混合扩散 段结构形式示意图，图3是弧线型气气喷射器混合扩散段结构形式示意图。本发明提出的 弧线型气气喷射器混合扩散段结构中的混合扩散段腔体母线2是通过等动量计算模型，依 据热力学定律与数学分析的方法，在满足混合流体工质的动量在混合扩散段内均匀变化的 前提条件下，将传统的喷射器的混合扩散段结构中的混合扩散段母线折线变更为弧线型气 气喷射器混合扩散段结构中的混合扩散段腔体母线2。其中，弧线型气气喷射器混合扩散 段结构中的混合扩散段腔体母线2根据工况条件的不同而采用特定形式的六次多项式进 行控制。
[0126]
本发明的进一步实施例中，图2为传统的喷射器的剖面示意图，如图所示，传统的喷 射器的混合扩散段部分为直管段与锥形管段相结合的形式。
[0127]
以弧线型气气喷射器混合扩散段起点处横截面与混合扩散段中心轴线1的交点为坐 标原点，记作o，以混合扩散段中心轴线1为正交坐标系的横向坐标，记作x轴；以喷 射器混合扩散段的半径方向为纵向坐标，记作r轴，六次多项式的弧线的一般形式如式 (1)所示，设计工况下喷射器混合扩散段的起点处至喷射器混合扩散段的出口平面处的 距离与设计工况下喷射器混合扩散段的起点处的半径的关系如式(2)所示：
[0128][0129]
l0＝cr0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0130]
其中r0表示设计工况下喷射器混合扩散段的起点处的半径，l0表示设计工况下喷射 器混合扩散段的起点处至喷射器混合扩散段的出口平面的距离，c为比例系数。最后，六 次多项式弧线型母线绕混合扩散段中心轴线1旋转，就能够得到新型的喷射器混合扩散段 的腔体结构形式。
[0131]
本发明的进一步实施例中，以喷射器所工作的某特定工况作为该发明的具体实施方 式，具体实施方式一，结合图3说明本发明的具体实施方式，本实施方式工况条件为：该 发明使用工质为r141b，高压工作流体的温度为90-100℃，过热度为3至5℃，工作压力 为539-677kpa；低压引射流体的温度为40-50℃，过热度为3至5℃，引射压力为 132-183kpa；喷射器的背压为225-298kpa。在该实施例的具体条件下，六次多项式的形式 如式(1)的比例系数为：
[0132]
a0＝1.0059
[0133]
a1＝-0.0439
[0134]
a2＝0.0146
[0135]
a3＝-3.0575
×
10-3
[0136]
a4＝3.3175
×
10-4
[0137]
a5＝-1.6808
×
10-5
[0138]
a6＝3.2848
×
10-7
[0139]
l0与r0的比例关系系数为c＝20.4379。根据设计工况下喷射器混合扩散段的起点 处的半径r0不同，所得控制形成的六次多项式曲线不同。从而，所得到弧线型气气喷射 器混合扩散段结构不同。
[0140]
本发明的进一步实施例中，以喷射器所工作的某特定工况作为该发明的具体实施方 式，具体实施方式二，结合图4说明本发明的具体实施方式，本实施方式工况条件为：该 发明使用工质为r245fa，高压工作流体的温度为90-100℃，过热度为3至5℃，工作压 力为1006-1265kpa；低压引射流体的温度为40-50℃，过热度为3至5℃，引射压力为 250-344kpa；喷射器的背压为419-553kpa。在该实施例的具体条件下，六次多项式的形式 如式(1)的比例系数为：
[0141]
a0＝1.0044
[0142]
a1＝-0.0429
[0143]
a2＝0.0142
[0144]
a3＝-3.1545
×
10-3
[0145]
a4＝3.7467
×
10-4
[0146]
a5＝-2.0768
×
10-5
[0147]
a6＝4.4546
×
10-7
[0148]
l0与r0的比例关系系数为c＝18.7403。根据设计工况下喷射器混合扩散段的起点 处的半径r0不同，所控制形成的六次多项式曲线不同。从而，所得到弧线型气气喷射器 混合扩散段结构不同。
[0149]
本发明的进一步实施例中，以喷射器所工作的某特定工况作为该发明的具体实施方 式，具体实施方式三，本实施方式工况条件为：该发明使用工质为r123，高压工作流体 的温度为90-100℃，过热度为3至5℃，工作压力为624-785kpa；低压引射流体的温度为 40-50℃，过热度为3至5℃，引射压力为155-212kpa；喷射器的背压为260-344kpa。在 该实施例的具体条件下，六次多项式的形式如式(1)的比例系数为：
[0150]
a0＝1.0069
[0151]
a1＝-0.0426
[0152]
a2＝0.0141
[0153]
a3＝-3.1810
×
10-3
[0154]
a4＝3.9228
×
10-4
[0155]
a5＝-2.2596
×
10-5
[0156]
a6＝5.0466
×
10-7
[0157]
式(2)的比例系数为：
[0158]
c＝18.0573
[0159]
l0与r0的比例关系系数为c＝18.0573。根据设计工况下喷射器混合扩散段的起点 处的半径r0不同，所控制形成的六次多项式曲线不同。从而，所得到弧线型气气喷射器 混合扩散段结构不同。
[0160]
本发明的进一步实施例中，当x＝0时，r＝r0。
[0161]
本发明的进一步实施例中，气气喷射器，即气-气喷射器，是指以气体为喷射器的工 作介质，由工作流体接口流入的高温高压的气体引射来自引射流体接口的低温低压的气 体，并在混合扩散段结构进行充分混合后，将混合流体喷出的一种结构简单的气体动力学 部件。
[0162]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本 领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和 显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。