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

(中原工學院 能源與環境學院， 鄭州，450007)

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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

(中原工學院 能源與環境學院， 鄭州，450007)

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

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。

圖1　復合制冷系統工作原理圖Fig.1　The diagram of combined refrigeration system

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]。

圖2　太陽能噴射-壓縮復合制冷系統裝置圖Fig.2　Experiment setup of solar ejector-compression combined refrigeration

2.2系統的模擬計算

2.2.1主要計算式制冷量Qe為

(1)

式中：me為蒸發器的制冷劑流量，kg/s；h8為蒸發器的進口焓值，kJ/kg；h9為蒸發器的出口焓值，kJ/kg。

工質泵的耗功量

(2)

式中：mg為發生器的制冷劑流量，kg/s；h5為發生器入口處的制冷劑焓值，kJ/kg;h4為冷凝器出口焓值，kJ/kg;ηp為工質泵的效率，取0.8。

壓縮機的耗功量

(3)

式中：mcom為電壓縮系統的流量，kg/s；h9為蒸發器的出口焓值，kJ/kg；h10為中冷器冷凝側進口焓值，kJ/kg；ηcom為壓縮機效率。

忽略工質泵的耗功和其他熱量，噴射系統的熱平衡式為

(4)

系統總功耗表示為

(5)

復合系統的能效比EER可表示為

(6)

2.2.2誤差分析實驗過程中，測量的數據都只能近似地表示真實值，盡管采取了很多措施，但采集值與真實值之間仍然存在一定的偏差，而實驗的誤差只能盡量減小，不可能避免。因此，對實驗系統進行了誤差分析。

由于該實驗為間接測量，故采用不確定度進行誤差分析。取本次實驗的工況，蒸發溫度為-15～0 ℃，發生溫度為70～85 ℃，冷凝溫度為30～40 ℃，中間溫度為0～20 ℃。進行了Qe、功率及EER的不確定度分析。

制冷量Qe的不確定度為

實驗中工質泵和壓縮機的功率采用功率變送器測量，其精度為±0.5%。所以，功率的不確定度為0.5%。

太陽能噴射制冷系統EER的不確定度為

基于上述誤差分析可知，制冷量的誤差為8.37%、泵功率誤差為0.5%、系統EER的誤差為8.38%，均在允許誤差范圍之內，符合實驗測量要求。

2.2.3系統仿真算法設計基于上述主要算式，對太陽能噴射-壓縮復合系統的仿真算法進行了設計，并基于EES軟件建立了系統的穩態仿真模型，主要用來預測一定工況下系統穩態運行的性能。也可用于分析壓縮機、中冷器、膨脹閥、蒸發器、發生器、噴射器、冷凝器及工質泵等各部件的耦合特性，如圖3所示，系統的輸入參數包括：各部件的結構尺寸，進出口溫度、壓力，質量流量和水側入口溫度、流量等，其中，mint為中冷器冷凝側制冷劑的質量流量，mv為膨脹閥中的質量流量，ms為引射流體流量；輸出參數包括：COP、制冷量、噴射系數以及水側出口溫度等。

圖3　太陽能噴射-壓縮復合制冷系統仿真算法流程圖Fig.3　Simulation flow chart of solar ejector-compression combined refrigeration system

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4　模擬程序驗證Fig.4　Validation of simulation

圖5　EER隨蒸發溫度變化圖Fig.5　Variation of EER with evaporator

3.2系統性能分析

本文計算分析了蒸發溫度為-15～0 ℃，發生溫度為70～85 ℃，冷凝溫度為30～40 ℃，中間溫度為0～20 ℃時的系統性能。

圖5給出了不同蒸發溫度下，3種系統EER的曲線圖。由圖可知，冷凝溫度為35 ℃，發生溫度為80 ℃，中間溫度為10 ℃，蒸發溫度為-15～0 ℃時，復合系統的EER均高于單一噴射系統和單一電壓縮系統。

3.2.1發生溫度對系統性能影響圖6、7分別給出了蒸發溫度為-5、-10和-15 ℃，中間溫度為10 ℃，冷凝溫度為35 ℃時，發生溫度對復合系統EER和功耗的影響。由圖可知，隨著發生溫度的升高，系統EER呈現先上升后下降的趨勢，總功耗則呈先下降后上升的趨勢；相同發生溫度下，隨著蒸發溫度的升高，系統EER和功耗均呈現上升趨勢。在不同蒸發溫度下。當發生溫度為78～80 ℃時，EER最大，功耗最小，因此，在復合系統設計時，應盡量將系統的發生溫度控制在78～80 ℃。

圖6　發生溫度對EER的影響Fig.6　Variation of EER with generator

圖7　發生溫度對功耗的影響Fig.7　Variation of power consumption with generator

3.2.2中間溫度對系統性能影響圖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。

圖8　中間溫度對制冷量的影響Fig.8 Variation of refrigerating capacity with

圖9　中間溫度對EER的影響(Tg=80 ℃)Fig.9　Variation of EER with middle-temperature

圖9為蒸發溫度為-5、-10和-15 ℃，復合系統EER隨中間溫度為2～20 ℃時的變化曲線。由圖可知，與傳統制冷系統一致，EER隨蒸發溫度的升高整體升高。同時，當中間溫度逐漸升高時，EER呈先升高后降低的趨勢，與實驗分析的結果相吻合。當中間溫度為7～10 ℃時，EER達到最大，分別為 3.39、2.86、2.61。同時，EER隨中間溫度的下降幅度略大于上升的幅度。當蒸發溫度為-15 ℃時，EER在中間溫度達7 ℃以后下降趨勢更為劇烈，表明若蒸發溫度較低，則最優中間溫度的范圍也會有所減小。

綜上所述，選取合適的中間溫度對復合系統的意義重大。本系統中，最優中間溫度為7～10 ℃，此時EER最大，其最大值可以達到3.39。

圖10　中間溫度對功耗的影響(Tg=80 ℃)Fig.10　Variation of power consumption with middle-temperature

圖10為蒸發溫度為-5、-10和-15 ℃，冷凝溫度為35 ℃，發生溫度為80 ℃時，系統總功率隨著中間溫度變化的曲線圖。由圖可知，隨著中間溫度的升高，系統的總耗功降低，其范圍在446 ～787 W。 當蒸發溫度為-5、-10和-15℃時的最大功耗分別為787 、759 、713 W。此外，經分析表明，在總功耗中，壓縮機功耗所占的比例較大，約為70%。

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。

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(編輯郭飛)

Experiment and simulation of solar ejector-compression combined refrigeration system

Zheng Huifan, Chen Yinlong,Tian Guoji,Wang Xingyu, Fan Xiaowei， Liang Yaohua

(School of Energy and Environment, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou, 450007, P. R. China)

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

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.02.011

收稿日期：2015-03-25

基金項目：國家自然科學基金(51176207、51306214);河南省高校科技創新人才計劃(14HASTIT003);河南省省級骨干教師基金(2013GGJS-114))

作者簡介：鄭慧凡(1976-)，女，博士，副教授，主要從事太陽能制冷技術利用研究，(E-mail)zhenghuifan@163.com。

中圖分類號：TB65

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2016)02-0084-06

Received:2015-03-25

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 51176207,51306214); Henan Province Project for the Innovative Talents Plan (No. 14HASTIT003); Henan Province Project for the Excellent Youth Scholars of Higher Education of China (No. 2013GGJS-114)

Author brief：Zheng Huifan(1976-), PhD, associate professor, main research interest: solar refrigeration technology, (E-mail)zhenghuifan@163.com.