太陽能噴射壓縮復合制冷系統的實驗及仿真

鄭慧凡 陳銀龍 田國記 王興豫 范曉偉 梁耀華

摘要：建立了太陽能噴射壓縮復合制冷系統的實驗研究平臺，基于EES軟件程序進行系統穩態仿真，實驗驗證了仿真模擬程序的正確性，分析了不同發生溫度、中間溫度對系統性能的影響。研究表明，在中間溫度和冷凝溫度不變的情況下，隨著發生溫度的升高，總功率先降低后升高，系統EER先升高后降低；同時，系統COP呈先逐漸升高而后降低的趨勢。在研究范圍內，最優發生溫度工作區域為78～80 ℃，此時，系統的總耗功量最小；最優中間溫度工作區域為7～10 ℃，此時，系統制冷量達2 245 W，EER最高為3.39。

關鍵詞：噴射壓縮復合制冷；仿真；最優中間溫度；最優發生溫度

中圖分類號：TB65

文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2016）02-0084-06

Abstract：An experiment and simnlation of solar ejector-compression combined refrigeration system were conduced， and the results of the simulation model was verified with experimental data. The influence of the generator temperature and middle-temperature on solar ejector-compression combined refrigeration system has been studied. Research shows that：

with the increasing of generator temperature，it is found that the COP and the EER increase first and then decline， and the power consumption decreases first and then increases at the same time. In addition， it was seen that there exists the optimal generator temperature and the optimal middle-temperature，and the optimal generator temperature and middle-temperature are between 78 and 80 ℃ ，7 and 10 ℃ over the range of research conditions respectively. The minimum total power consumption can be obtained， when the optimal generator temperature are from

78 to 80 ℃，and the maximun cooling capacity and EER can reach to

2 245 W，0.34 respectively when the optimal middle-temperature and from 7 to 10 ℃.

Keywords：ejector-compression combined refrigeration system； simulation； the optimal middle-temperature； the optimal generator temperature

隨著環境污染和能源危機的日益加劇，太陽能、風能等清潔能源越來越受到人們的重視，在太陽能利用技術中，太陽能噴射制冷系統以其結構簡單、運動部件少等優點在制冷領域應用越來越廣[1]。近年來，許多學者對其特性進行了研究，Alexis等[2]結合雅典地區的氣候特點，分析了以R134a為制冷劑的太陽能噴射制冷系統的運行特性；Ersoy等[3]以R123為制冷劑，研究了太陽能噴射制冷系統在土耳其南部諸城市的逐時運行性能；Clemens等[4]以水作為制冷劑，對太陽能噴射制冷系統進行了實驗研究，實驗測試了當太陽輻射量逐時變化時，系統的制冷量、COP等參數隨蒸發溫度和冷凝溫度的變化；Bogdan等[5-6]對太陽能噴射制冷系統的蓄能性能進行了數值計算和實驗研究，分析了集熱面積、集熱效率、蓄能量等參數的關系，研究表明：蓄冷裝置的設計大大提高了系統的工作穩定性和房間的熱舒適度；Yu等[7]理論分析了以R134a為制冷劑的太陽能噴射制冷系統，結果表明：在發生溫度為80 ℃，冷凝溫度為30 ℃，蒸發溫度為15 ℃時，亞臨界COP為0.45，跨臨界COP為0.75；Zhang等[8]建立了計算模型，模擬分析了R236fa 作為制冷劑，太陽能噴射制冷系統的運行性能，指出典型工況條件下，COP為0.413，COP0可達0.243；Chidambarama等[9]對單一和復合太陽能制冷系統進行了綜述，指出蓄能系統的設計是太陽能制冷的下一個研究方向；2013年，Ali等[10]對太陽能熱利用空調技術進行了全面的總結，指出太陽能空調技術未來研究重點應該致力于系統效率的提高和運行穩定性方面。

由上述文獻可知，單一太陽能噴射制冷系統受太陽輻射的影響難以持續穩定的工作，其推廣使用受到了較大限制。基于此，Sun等[11]提出了一種全新的噴射壓縮復合系統，研究表明：與常規電壓縮系統相比，相同制冷量情況下，該復合系統可以節能50%；Jorge等[12]將太陽能噴射制冷的蒸發器與壓縮系統的冷凝器合二為一，提出了噴射壓縮中冷器復合形式，并分析了以R134a、R142b和R114作為制冷劑時系統的綜合性能；Praitoon等[13-14]研究了蒸汽壓縮噴射制冷系統中冷熱源溫度以及噴嘴對于循環COP、壓縮機壓力比、制冷能力等參數的影響；Ruangtrakoon等[15]對噴射器串聯級數與實際工況的關系進行了研究，指出在其他工況相同時，串聯噴射器級數越高，噴射式制冷系統在低蒸發溫度下效率越高。同時，冷凝器壓力也會直接影響噴射器工作，當噴射器出口壓力過高時，噴射器引射系數將大幅降低，影響系統工作效率；Yan等[16]對風冷情況下的噴射式制冷系統進行了理論模擬；田琦等[17-18]對太陽能噴射復合系統進行了研究。但關于噴射制冷復合制冷系統的仿真模型研究尚不多見，關于中間溫度和發生溫度優化運行的研究更少。基于此，本文建立太陽能噴射壓縮復合制冷系統仿真模型，實驗驗證模型的準確性，并重點分析發生溫度、中間溫度等參數對系統性能的影響。

1 復合系統

太陽能噴射壓縮復合系統工作原理如圖1所示。該復合系統主要包括3個子系統：太陽能集熱子系統、噴射壓縮復合制冷子系統和空調冷凍水子系統。其中，太陽能集熱子系統主要由太陽能集熱器、發生器和水泵組成，為噴射制冷系統提供熱源；噴射壓縮復合制冷子系統主要由噴射器、冷凝器、工質泵、中冷器、壓縮機、蒸發器、和節流閥組成；空調冷凍水系統主要包括蒸發器、冷凍水箱和水泵。

2 系統實驗裝置和仿真算法設計

2.1 系統實驗裝置

復合系統的實驗裝置如圖2所示。在發生器、噴射器、蒸發器和冷凝器的進出口分別設置壓力變送器，精度為±0.25%；溫度測量采用PT100鉑電阻溫度計，測量誤差為±0. 2 ℃，分別布置在各個設備的制冷劑側和水側的進出口處；流量測量采用電磁流量計，精度為0.5%級；功率測量采用型號為XJ93系列的功率變送器，精度為±0.5%。所有測量參數均通過數據采集系統自動采集。有關實驗平臺更詳細的內容參考文獻[19]。

3 系統性能分析

3.1 模型驗證

為了驗證模型的準確性，圖4給出了實驗值和模擬計算EER值的對比，其中蒸發溫度取-5 ℃，中間溫度取10 ℃，冷凝溫度取35 ℃。由圖可知，模擬計算值與實驗值的變化趨勢相似，該模型可以進行復合系統性能預測。兩者最大誤差為18.7%，平均誤差為14.9%。模擬值和實驗值出現差異的主要原因在于仿真程序進行了簡化和假定，且內部蒸發器、中冷器等模型均采取了穩態計算模型。

圖8給出了當系統冷凝溫度為35 ℃，發生溫度為80 ℃時，系統制冷量隨中間溫度變化的趨勢。由圖可知，系統制冷量隨中間溫度的升高逐漸減小，究其原因為電壓縮系統的冷凝溫度升高，致使制冷能力下降；同時，隨著蒸發溫度的升高，系統的制冷量逐漸增大。當中間溫度為5～20 ℃，蒸發溫度為-15、-10、-5 ℃時，制冷量的最大值分別為1 545 、1 797 、2 245 W，最小值為998 、1 206 、1 325 W。

4 結 論

本文對太陽能噴射壓縮復合制冷系統工作原理進行了分析，建立了復合系統穩態仿真模型，并實驗驗證了模型的正確性。計算并分析了發生溫度、中間溫度對系統性能的影響。主要研究結論如下：

1）復合系統的EER均高于單一噴射系統和單一電壓縮系統，一定研究工況下，復合系統、單一噴射與單一壓縮3個系統的EER最大值分別為3.39、2.86和2.61。

2）在中間溫度和冷凝溫度不變的情況下，隨著發生溫度的升高，EER先升高后降低，總功率則先降低后升高；同時，COP呈先逐漸升高而后降低的趨勢。研究表明，當中間溫度為10 ℃，冷凝溫度為35 ℃，蒸發溫度分別為-5、-10和-15 ℃，發生溫度最優工作范圍為78～80 ℃，此時，系統的總耗功量最小，EER達到最大，COP分別為0.38、0.37、0.35。

3）中間溫度對復合系統整體性能的影響顯著。EER隨中間溫度升高先上升后下降，制冷量隨中間溫度的升高逐漸減小。當冷凝溫度為35 ℃，發生溫度為80 ℃，蒸發溫度分別為-5、-10和-15 ℃時，存在最優的中間溫度范圍為7～10 ℃，此時系統EER達到最高，其對應的EER最大值分別為 3.39、2.86、2.61，且制冷量最高可達2 245 W。

參考文獻：

[1] DORANTES R， ESTRADA C A， PILATOWSKY I. Mathematical simulation of a solar ejector-compression refrigeration system [J]. Applied Thermal Energy， 1996， 16（8）： 669-675.

[2] ALEXIS G K， KARAYIANNIS E K. A solar ejector cooling system using refrigerant R134a in the Athens area [J]. Renewable Energy， 2005， 30（9）： 1457-1469.

[3] ERSOY K H， YALCIN S， YAPICI R. Performance of a solar ejector cooling-system in the southern region of Turkey [J]. Applied Energy，2007， 84（9）： 971-983.

[4] CLEMENS P， AHMED H， ALIB H. Experimental study on the performance of a solar driven steam jet ejector chiller[J]. Energy Conversion and Management， 2008， 49（11）： 3318-3325.

[5] BOGDAN M， DIACONU S V， ARMANDO C O. Numerical simulation of a solar-assisted ejector air conditioning system with cold storage[J]. Energy， 2011， 36（2）： 1280-1291.

[6] BOGDAN M D. Energy analysis of a solar-assisted ejector cycle air conditioning system with low temperature thermal energy storage[J]. Renewable Energy， 2012， 37（1）： 266-276.

[7] YU J L， LI Y Z. A theoretical study of a novel regenerative ejector refrigeration cycle [J]. International Journal of Refrigeration， 2007， 30（3）： 464-470.

[8] ZHANG B， SONG X T，LV J S， et al. Study on the key ejector structures of the waste heat-driven ejector air conditioning system with R236fa as working fluid [J]. Energy and Buildings， 2012， 49（1）： 209-215.

[9] CHIDAMBARAM L A， RAMANA A S， KAMARAJ G. Review of solar cooling methods and thermal storage options [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2011， 15（6）： 3220-3228.

[10] AL A， HWANG Y， RADERMACHER R. Review of solar thermal air conditioning technologies[J]. International Journal of Refrigeration， 2013， 36（11）： 1-19.

[11] SUN D W. Solar powered combined ejector-vapour compression cycle for air conditioning and refrigeration[J]. Energy Conversation Management， 1997， 38（5）： 479-491.

[12] JORGE I H， RUBEN J， DORANTE R. The behaviour of a hybrid compressor and ejector refrigeration system with refrigerants 134a and 142b [J]. Applied Thermal Engineering， 2004， 24（13）： 1765-1783.

[13] PRAITOON C， SOMCHAI W. Effect of throat diameters of the ejector on the performance of the refrigeration cycle using a two-phase ejector as an expansion device[J]. International Journal of Refrigeration， 2007， 30（4）： 601-608.

[14] PRAITOON C， SOMCHAI W. Experimental study on R134a refrigeration system using a two-phase ejector as an expansion device [J]. Applied Thermal Engineering， 2008， 28（5-6）： 467-477.

[15] RUANGTRAKOON N， PHORNRATANA S A， SRIVEERAKUL T. Experimental studies of a steam jet refrigeration cycle： Effect of the primary nozzle geometries to system performance[J]. Experimental Thermal and Fluid Science， 2011， 35（4）： 676-683.

[16] YAN J， CAI W J. Area ratio effects to the performance of air-cooled ejector refrigeration cycle with R134a refrigerant [J]. Energy Conversion and Management， 2012， 53（1）： 240-246.

[17] 田琦. 太陽能噴射與壓縮一體化制冷系統的研究[D]. 天津： 天津大學， 2005.

TIAN Q. Researoh on the solar powered united ejector-vapour compression refrigeration system [D]. Tianjin： Tianjin Unversity，2005.（in Chinese）

[18] 田琦， 王美萍. 太陽能噴射與壓縮制冷系統的集蓄熱構建系統的性能研究[J]. 中北大學學報（自然科學版）， 2012， 33（4）： 466- 470.

TIAN Q， WANG M P. Performance study of heat component on solar energy ejecting and compressing refrigeration system [J]. Journal of North University of China（Natural Science Edition）， 2012， 33（4）： 466-470. （in Chinese）

[19] 梁耀華. 太陽能噴射壓縮復合制冷系統仿真計算[D]. 鄭州： 中原工學院， 2014.

LIANG Y H. The simulation calculation of the solar ejector-compression combined refrigeration system [D]. Zhengzhou：Zhongyuan Universify of Technology，2014.（in Chinese）

（編輯 郭 飛）