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利用噴射器之雙級冷凍系統研發 - 子計畫一
「新型噴射壓縮器之性能提昇研究（3/3）」
Design and improvement of new-type Ejector
計畫編號：NSC 89-2212-E-002-073
執行期間：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
計畫主持：陳瑤明（國立台灣大學機械系）
研究助理：張淵仁、尤銘鏘
摘要
本文旨在探討不同瓣數的瓣狀噴嘴對 噴射壓縮器性能的影響，共設計了三種不同 瓣數的瓣狀噴嘴。並由先前的研究得知，瓣 狀 噴 嘴 的 快 速 混合 是 由 主 副 流間 沿 流 線 方 向的渦流所造成，因此也設計了出口截面旋 轉之螺旋式瓣狀噴嘴，以增強主副流間的渦 流而增進混合效率。 綜 合 瓣 狀 噴 射 壓 縮 器 的研究結果，可以歸納出一經驗公式，利用 此一經驗公式，將可根據瓣狀噴射壓縮器其 幾何尺寸 AR 值及主副流操作工況來預測其 最大抽吸比，而由此經驗公式所得到的預測 值與實驗值之間的平均誤差約為 18.5%。 本 研 究 並 針 對 瓣狀 噴 射 壓 縮 器的 內 流 做 一 可視化流場觀測，並據以對實驗結果做一之 合理解釋。計畫緣由與目的
從冷凍系統的原裡可知，最耗電的元件 為「壓縮機」，而壓縮機也是冷凍空調內最 貴的元件，一部壓縮機的性能好壞，直接關 係到整個冷凍空調的效率。使用不耗電的蒸 汽 噴 射 式 冷 凍 空 調 系 統 （ steam-jet refrigeration system）是解決此一問題的 良好方案。相較於傳統式壓縮機，噴射式壓 縮器內部並無任何往復移動或旋轉元件，因 此，並不會產生磨耗，不需潤滑，可長時間 操作不需考慮過熱與冷卻問題，亦不會產生 噪音與震動；而噴射壓縮式冷氣系統運作能 量的來源，可利用工廠廢熱及太陽能等廉價 之中、低溫熱源來驅動，無須電能，使得此 類原本無法再利用之熱源得以再利用，再加 上其使用水為冷媒，因此也沒有氟氯碳化物 破壞臭氧層的環境污染問題產生。新型式瓣狀噴嘴
為再次提昇瓣狀噴射壓縮器的性能，本 實驗共設計了三種不同瓣數的瓣狀噴嘴，與 一種螺旋狀噴嘴（screw nozzle）。 瓣狀噴嘴和螺旋噴嘴均為黃銅所製，喉 部直徑皆為 2mm，出口面積與喉部面積之比 例約為 28，利用水蒸氣（k=1.327）操作下， 對應馬赫數（Ma）約為 4.35，其尾端有螺牙， 可密接在噴嘴座上，以方便安裝於實驗系統 （細部尺寸見圖一與圖二）。圖三與圖四中 有 不 同 瓣 數 之 瓣狀 噴 嘴 和 螺 旋噴 嘴 的 實 體 照片圖。(a) conical nozzle
(b) petal nozzle
(c) screw nozzle
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(c) 6 Lobe petal nozzle
(b) 5 Lobe petal nozzle
圖二：不同瓣數主噴嘴構造尺寸圖 圖三：瓣狀噴嘴與螺旋狀噴嘴照片 圖四：不同瓣數之瓣狀噴嘴照片
瓣狀噴射壓縮器之開發
不同瓣數對性能之影響
圖五為三種不同瓣數的瓣狀噴嘴配合 AR 值=196，混合段長度比 1.5:0.5:6 之噴射 壓縮器，瓣狀噴射壓縮器其最大抽吸比與極 限背壓之關係圖。由圖中發現對相同操作工 況而言，隨著瓣狀噴嘴之瓣數減少，抽吸比 幾乎不變，而極限背壓卻隨之增加較多，尤 其使用四瓣的情況比六瓣增加約 2 4torr， 使整個網狀曲線往右方移動。再觀察其最大 抽吸比和增壓比關係圖（圖六），可以發現 裝 置 四 瓣 瓣 狀 噴嘴 時 噴 射 壓 縮器 的 性 能 最 高、五瓣次之，而六瓣最差。 圖五：不同瓣數的瓣狀噴射壓縮器，抽吸比 與極限背壓之關係圖 A R=196 1.5 : 0.5 : 6 Petal 4 Lobe 5 Lobe 6 Lobe 4 Lobe 5 Lobe 6 Lobe 圖六：不同瓣數的瓣狀噴射壓縮器，抽吸比 與增壓比之關係圖螺旋式噴嘴對性能之影響
主 副 流 間沿 流 線 方 向 的 渦 流 造 成 瓣 狀 噴嘴具有快速混合的特性，若主流體通過主3 噴嘴後能產生主動式的旋轉，可加強主副流 間的渦流作用而增進混和效率。因而設計了 出口截面旋轉之螺旋式噴嘴。 圖七、圖八分別為 AR 值為 196，混合段 長度 1.5:0.5:6 配合六瓣之瓣狀噴嘴與螺旋 式噴嘴下，其網狀曲線圖和最大抽吸比與增 壓比關係圖。我們可以發現，在相同的操作 工況下，將瓣狀噴嘴換成螺旋式噴嘴後，其 抽吸比有小幅的提昇，但極限背壓卻下降較 多，使整個網狀圖往左上方移動。再觀察圖 八可看出兩者的性能曲線幾乎重合，顯示螺 旋式噴嘴在此噴射壓縮器幾何尺寸下，對於 混合效率並無太大助益。 Petal Screw A R = 1 9 6 1 .5 : 0 .5 : 6 圖七：不同瓣數的瓣狀噴射壓縮器，抽吸比 與極限背壓之關係圖 P e ta l S c re w A R = 1 9 6 1 .5 : 0 .5 : 6 P e ta l S c re w 圖八：不同瓣數的瓣狀噴射壓縮器，抽吸比 與增壓比之關係圖
瓣狀噴射壓縮器之性能曲線
在本節中，我們將歸納瓣狀噴嘴之噴射 壓縮器實驗結果，使用曲線擬合可得到不同 組合所形成之性能曲線如下： 抽吸比與極限增壓比之關係式 = P P S b A B * ω （Eq. 1） 膨脹比與極限增壓比之關係式 D C P P P P S b S P + ⋅ = * （Eq. 2） 噴嘴形 式 AR 值 混合段 長度 A B C D 2R
瓣狀 80 6:4:6 0.2907 -3.8388 121.69 -41.825 0.9542 瓣狀 100 6:4:6 0.4425 -2.7321 119.92 -41.021 0.9588 瓣狀 196 6:4:6 3.0991 -2.7288 203.87 -171.82 0.9698 瓣狀 196 2.5:1:6 2.7802 -2.2508 190.09 -154.78 0.9678 瓣狀 196 1.5:0.5:6 3.8286 -2.1137 125.27 -92.036 0.9617 瓣狀 300 6:4:6 8.1180 -3.6456 218.64 -189.09 0.9504 表格 1：瓣狀噴嘴之噴射壓縮器性能曲線擬合經驗公式之發展
由表格 1中，若將所有的主副流工況下 所產生的最大抽吸比與 AR 值之關係函數進 行分析，可以發現方程式係數 A 與膨脹比之 間存在有乘冪函數關係，而方程式係數 A 與 B 之間存在有線性關係，藉此，可以建立起 方程式係數 A、B 與膨脹比間的函數關係， 而將所有的資料可表示成最大抽吸比（ω） 與膨脹比（Pp/Ps）、AR 值之間的函數關係： 0923 . 0 146 . 173 7193 . 2 1811 . 1 1811 . 1 − ∗ − ∗ ∗ = − − Ps Pp AR Ps Pp ω （Eq. 3） 適用範圍：Ma=4.35，AR：80∼300，混 合段長度比 6：4：6 利用此一經驗公式，將可根據瓣狀噴射 壓縮器其幾何尺寸 AR 值及主副流操作工況 來預測其最大抽吸比，而由此經驗公式所得 到 的 預 測 值 與 實驗 值 之 間 的 平均 誤 差 約 為 18.5%。流場可視化
圖九(a)為裝置傳統噴嘴之噴射壓縮器內部 流場流場可視化之陰影法照片，而圖九(b)為裝4 置瓣狀噴 嘴之噴 射壓縮 器內部 流場流 場可視 化 之陰影法照片，比較兩圖可知裝置傳統噴嘴之噴 射壓縮器，在噴嘴出口處會形成強烈之斜震波， 導致由主 噴嘴噴 出之主 流體需 至噴射 壓縮器 等 截面段處才開始與副流體混合，由圖中之震波逐 漸消失之位置可知；然而若是換裝瓣狀噴嘴，則 可見震波消失之距離離出口處極短 50％左右，可 見主流體與周圍副流體之緩合效果較佳。故瓣狀 噴嘴之混 合效率 與噴射 壓縮器 之 效能有很大 的 關係。 圖九(a)：傳統噴嘴出口流場陰影圖 圖九(b)：瓣狀噴嘴出口流場陰影圖
結 論
一、使用四、五、六瓣三種不同瓣數的瓣狀 噴嘴在低 AR 值的瓣狀噴射壓縮器時，其性能的 高低為 4 瓣 > 5 瓣 > 6 瓣。在高 AR 值的瓣狀噴 射壓縮器時，其性能的高低為 6 瓣 > 5 瓣 > 4 瓣。其趨勢剛好相反，顯示不同的 AR 值的瓣狀 噴 射 壓 縮 器 若 能 配 合 其 相 對 應 的 最 佳 瓣 數 噴 嘴，可以有效的提昇其噴射壓縮器的性能。另外 將瓣狀噴嘴改為螺旋式噴嘴後，初步測試結果發 現噴射壓縮器的性能並無提昇，反而在高抽吸比 時，使用螺旋式噴嘴的噴射壓縮器之性能下降。 二、由瓣狀噴射壓縮器的流場可視化的實驗 得知，瓣 狀噴射 壓縮器 內部流 場混合 效率的 高 低，會與噴射壓縮器的性能有很大的關係，若能 提昇其混合效率，則能提昇噴射壓縮器的性能。 三、綜合所有的實驗結果，可以發現對瓣狀 噴射壓縮器所有不同參數而言，影響其性能之重 要程度依序為：1.AR 值、2.混合段長度、3.瓣狀 噴嘴的瓣數，若要設計噴射壓縮器做其他應用的 元件時，根據其需要的功能，如高抽吸、高增壓 性能等，依上述參數的順序去設計、規劃並參考 本實驗所得出的經驗式性能曲線資料，使瓣狀噴 射壓縮器符合所需的功能，達到最佳化之目的。 參考文獻1. Anil, K. N., and Damodaran, K. A., “Preliminary Investigations on Improving Air-Augmented Rocket Performance, ”J our nal of Propulsion and Power, Vol. 10, No.
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