Modellierung und Optimierung von Ein- und Zweiphasen-Strahlverdichtern im stationären Betrieb

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modellierung und Simulation eines Ein- und Zweiphasen-Dampfstrahlverdichters im stationären Betrieb mit besonderem Hinblick auf dessen Einsatz in einer Strahlkälteanlage. Das entwickelte eindimensionale Berechnungsmodell stützt sich auf die Erhaltungssätze der Mechanik und berücksichtigt die üblichen Düsenwirkungsgrade. Über die derzeit in der Literatur vorhandenen Berechnungsverfahren hinaus werden die Mischrohrwandreibungs- und Impulsverluste und Stoßwellen, die Vorbeschleunigung des Saugstromes sowie die Einlaufströmung zum zylindrischen Mischrohr mit berücksichtigt. Die bislang nicht berücksichtigten und wichtigsten geometrischen Parameter, LX und Lm werden zum ersten Mal in die Modellierung und Optimierung einbezogen. Kernstück der Untersuchung ist das Auslegungsverfahren zur Bestimmung und Optimierung der Strahlverdichtergeometrie bei vorgegebenen äußeren Betriebsbedingungen und Massenstromverhältnis sowie die Modellierung und Optimierung des Betriebsverhaltens des Strahlverdichters und der gesamten Anlage bei festgelegten äußeren Betriebsbedingungen und Strahlverdichtergeometrie. Zur Validierung des Rechenmodells wurden die numerischen Ergebnisse mit experimentellen Daten aus der Literatur für die Arbeitsfluide R11 und Luft verglichen.

This work is concerned with the modelling and simulation of a single- and two-phase ejector in steady state operation with particular reference to its employment in a jet cooling system. The developed one-dimensional model is based on the conservation principles of mechanics and takes into account the usual duct effectiveness. The presented model goes beyond the present state of the knowledge given in the available calculation methods of ejectors: wall friction and momentum losses, shock waves as well as the acceleration of the induced flow in the conical part of the mixing chamber are taken into consideration in the modelling. That is, the so far unconsidered and most important geometrical parameters, LX and Lm are included for the first time in the modelling and optimization procedure. The main parts of the investigation are the design procedure for the determination and optimization of the ejector geometry for given operating conditions and entrainment ratio as well as the modelling and optimization of the operational behaviour for given source temperatures and ejector geometry. For the validation of the model, a comparison was made of numerical results with available experimental data from the literature for the refrigerants R11 and air.