基于CFD的新型噴射式制冷系統噴射器的優化研究

董華昌 劉 偉 王景剛 鮑玲玲 李 娜

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基于CFD的新型噴射式制冷系統噴射器的優化研究

董華昌1劉 偉2王景剛1鮑玲玲1李 娜1

（1.河北工程大學城建學院 邯鄲 056038；2.河北省科學院能源研究所 石家莊 050081）

介紹了以R134a為制冷工質的一種新型的太陽能噴射式制冷系統，通過CFD模擬噴射器來優化其結構參數。分析了系統運行參數以及噴射器結構參數對噴射制冷系統性能的影響。結果顯示，蒸發溫度為5℃，冷凝溫度為36℃時，噴射器的噴嘴距0mm的噴射器性能最好，噴射系數能達0.32，系統COP達0.36。

太陽能集熱器發生器；噴射器；數值模擬

0 引言

近年來中國大部分地區尤其京津冀出現嚴重的霧霾，對人民健康及環境問題敲響警鐘，開發并利用清潔能源成為迫切需要解決的問題。太陽能、廢熱等低品位熱能的利用再次成為研究焦點，以太陽能作為低品味熱源驅動的噴射制冷系統具有較高的優勢。噴射制冷具有結構相對簡單、運動部件較少、運行成本及維護費用低等特點。

20世紀初法國的Leblane和英國的Parsons設計的第一臺蒸噴式制冷裝置，推動了噴射制冷技術的發展。但由于當時蒸噴系統設備龐大、效率低，逐漸被機械壓縮式制冷方式所取代[1]。1980年，Wail首次提出了以太陽能為熱源的噴射制冷系統，并指出利用太陽能的噴射制冷系統具有廣闊的應用前景[2]。太陽能噴射制冷系統圖如圖1所示。

該系統主要包括兩部分：太陽能集熱子系統和噴射制冷子系統。太陽能集熱子系統主要以水作為介質，集熱器中的水通過吸收太陽能來儲存到發生器中作為噴射系統的熱源，這樣導致系統需要設置發生器、蓄熱水槽、循環泵等部件，導致太陽能噴射系統體積龐大，經濟性差。同時，在發生器裝置內部銅管內的水與銅管外的制冷工質之間進行熱量交換，這樣不僅增大了系統的傳熱損失，也會降低了整個噴射系統的制冷循環性能系數。因此，提出了一種新型的制冷系統——直接蒸發式太陽能噴射制冷系統[3]（系統圖和lg P-h圖分別如圖2和圖3所示），該系統省卻傳統噴射制冷系統中的發生器，采用太陽能集熱發生器一體化技術，制冷工質在集熱發生器內通過吸收太陽輻射能直接蒸發，減少了熱量損失和能量耗散。中間換熱器去掉以后，整個系統的COP被提高主要體現在兩方面，一方面是在太陽能集熱能量不變的情況下，提高噴射制冷系統的發生溫度。另一方面是在噴射制冷系統的發生溫度不變的情況下，通過降低太陽能集熱器的集熱溫度來提高集熱效率。

圖1 太陽能噴射制冷系統原理圖

圖2 直接蒸發式太陽能噴射制冷系統流程圖

圖3 噴射制冷循環lg P-h圖

通過圖2可以看出，1-2-3過程表示太陽輻射通過太陽能集熱發生器里的吸熱板，將太陽能轉變為熱能。吸熱板表面涂有選擇性吸收涂層，將吸收的熱能以熱傳導的方式傳給管內的液態制冷劑，液態制冷劑吸收熱能后汽化、增壓，變成高溫高壓的飽和蒸氣流入噴射器，使得太陽能集熱發生器的溫度與制冷劑的蒸發溫度基本保持一致。3-4過程表示制冷劑蒸氣在噴嘴中絕熱膨脹，壓力減小，使得吸入室內變為低壓環境，將蒸發器中的低溫低壓制冷劑蒸氣引射到噴射器中，兩股制冷劑蒸氣充分混合后進入擴壓段，借助工作蒸氣的動能而升壓。4-5過程表示混合后的制冷劑蒸氣，經風冷冷凝器定壓放熱、凝結，變為低溫高壓的液態制冷劑，貯存到儲液罐中，從儲液罐出來的制冷劑液體分為兩股，5-1過程表示一股經循環泵加壓直接送入太陽能集熱發生器，再吸收熱量汽化變為較高壓力的工作蒸氣，從而完成集熱循環過程。5-1′過程表示另一股經膨脹閥節流降壓進入直接蒸發式表冷器，該過程為絕熱的不可逆過程，只是絕熱前后焓值不變。1′-2′過程表示低溫低壓的液態制冷劑在蒸發器中吸收室內環境的熱量汽化成低溫低壓的引射蒸氣，從而完成制冷循環。

1 噴射器的設計

1.1 理論計算

在太陽能噴射式制冷系統中，噴射器的性能直接決定了整個太陽能噴射式制冷系統的運行，是系統的核心部件。噴射器的系數決定整個系統的COP，如圖4所示為噴射器設計結構簡圖。

圖4 噴射器設計結構簡圖

選擇合適的制冷劑對于直接蒸發式太陽能噴射制冷系統而言尤為重要，它會直接影響到整個系統的性能及其穩定性。制冷劑R134a的熱物性參數如表1所示，其制冷工質的ODP值為0，物性與R12也十分接近，考慮到以R12為制冷劑的系統研究已非常成熟，用其替代R12后系統結構無需進行大的改動仍可高效率運行。其在設計工況中的物性參數如表2所示。

表1 R134a的熱物性參數

表2 在設計工況下制冷劑R134a的物性參數

結合索科洛夫[4]對噴射器的結構設計和Hisham等[5]提出的噴射器設計計算方法，對噴射器進行設計計算。有研究表明混合室內帶有圓錐段設計的噴射器要比單采用圓柱形混合室的噴射器得到的噴射系數要高，而且具有較大的壓縮比。在初始設計過程中，假設噴嘴出口到混合室入口之間及工作蒸汽和引射蒸汽之間沒有混合。噴射器的可達噴射系數根據第二極限狀態時可表示為[6-7]：

其中，P，P，P分別為蒸發壓力、冷凝壓力和工作蒸汽壓力，Pa；為噴射系數；q3，q分別為混合蒸汽出口和噴嘴出口處蒸汽的折算質量流量，kg/s；，T，T為工作蒸汽溫度和蒸發溫度，K。

（3）

1.2 CFD模擬

通過CFD模擬軟件對本文設計的噴射器進行計算模擬，可以了解該噴射器內部流場分布，最后予以模擬分析矯正，由于三維模型對計算機要求較高，所以將噴射器簡化為二維軸對稱旋轉模型。在模擬過程中，通過改變噴嘴距L（噴嘴距L是指噴嘴出口截面到混合室入口的距離），觀察其對噴射器性能的影響規律。圖4為設計工況為發生溫度80℃；引射壓力0.35MPa，蒸發溫度5℃；冷凝溫度36℃的條件下，噴嘴距分別為15mm，10mm，0mm，-10mm，-15mm時得到相應的馬赫數云圖。

圖5的比較分析可以看出，噴嘴距與混合室入口距離在-15～15mm之間，發現在圓柱段混合室內流體的馬赫數始終是減小的，壓力是增大的。理論上，這種變化趨勢使得噴射系數應該是增大的。但是通過圖7和圖8可以看出，在噴嘴距為-15～0mm時，噴射系數處于上升階段，但是在0～15mm時，噴射系數逐漸下降，這是因為噴嘴越深入到混合室內，工作流體在噴嘴出口處產生的激波對噴射器的影響越大，導致能量損失越大，對系統COP影響也越大。在噴嘴距為-10～-15mm時，通過圖6發現在吸入室和圓錐段混合室都產生了局部回流現象，這是因為從噴嘴出口流出的工作流體速度大，形成一個高速流域。由于高速流的卷吸作用，流體有向引射流體入口流動，造成兩側區域有明顯的回流現象。通過以上分析，發現在L=0mm處，噴射系數達到最大值0.32，系統COP達0.36，因此被確定為最佳噴嘴距。

圖5 噴嘴距分別為-15mm，-10mm，0mm，10mm，15mm的馬赫數分布云圖

圖6 吸入室和圓錐段混合室內出現了回流現象

圖7 嘴距對噴射系數的影響曲線

圖8 嘴距對系統COP的影響曲線

2 系統性能分析

針對直接蒸發式太陽能噴射制冷系統進行熱力學分析。對該系統做以下假設：

（1）整個系統在穩態條件下運行；

（2）忽略制冷工質在流動過程中對系統的管路及換熱設備產生的壓力損失；

（3）冷凝器出口出來的制冷工質為飽和液體；

（4）蒸發器出口出來的制冷工質為飽和蒸汽；

（5）制冷劑在噴射器內等壓混合，從噴射器出來后壓力降為冷凝壓力；

（6）制冷劑一直處于準平衡狀態，噴嘴加速過程和擴散室升壓過程均為等熵過程，損失忽略不計；

（7）忽略噴射器內流動損失以及與外界換熱，即把工作噴射嘴和引射噴嘴以及礦壓室的流動按等熵過程處理[8]。

根據熱力學定義，噴射制冷系統COP可由下式表示：

考慮到太陽能集熱器的效率，直接蒸發式太陽能噴射式制冷系統的綜合性能系數：

（5）

其中：

式中，為理論上太陽能集熱的最高效率；為斜率曲線的斜率；為太陽能集熱發生器的采光面積，m2；T為吸熱管的溫度，，℃；為太陽輻射照度，W/m2；T為環境溫度或室外溫度，℃。

噴射系數的大小是衡量噴射器性能好壞的一個重要參考指標，由圖7可知，當噴嘴距為0mm，所設計的噴射器的噴射系數能達到最大值。在太陽能噴射制冷系統中，噴射器的引射口直接與蒸發器相連，因而蒸發溫度決定了工質引射壓力。而蒸發溫度需根據現場實際情況來擬定，所以不能隨意加大或減小。相關研究表明，冷凝溫度對噴射系統的影響要比蒸發溫度大[9]。因此不考慮提高引射壓力或者蒸發溫度來改善噴射器的性能。本文重點探討冷凝溫度對噴射器性能的影響。圖9和圖10 分別為發生溫度為80°下，噴射器的噴射系數和系統COP隨冷凝溫度的變化。

圖9 不同冷凝溫度對噴射系數影響曲線

圖10 不同冷凝溫度對系統COP影響曲線

通過圖9和圖10分析，冷凝溫度在28-46℃之間，噴射系數在溫度28-36℃時是趨于平緩的狀態；在溫度36-40℃時，噴射系數是減小的緩慢，然后在溫度40-46℃時，噴射系數是迅速減小的。系統COP在冷凝溫度為36℃時的值最大，超過36℃后系統的性能明顯降低。這個變化說明存在一個臨界冷凝溫度值t*，本文的冷凝臨界值為36℃。當噴射器的出口溫度小于該值時，冷凝溫度對系統的運行產生的影響不明顯；但當噴射器的出口溫度大于該值時，噴射器的工作性能就明顯下降，噴射系數降低，并且出現回流現象，影響噴射器的正常工作。

3 結論分析

（1）采用太陽能集熱發生器一體化技術，制冷劑在集熱發生器內直接蒸發，減少了熱量損失和能量耗散，增大了系統COP。

（2）噴射器的噴嘴距為0mm為最佳噴嘴距，蒸發溫度5℃，冷凝溫度36℃時，噴射器的噴射系數能達到0.32，系統COP達到最大值。

（3）冷凝溫度在一定范圍的增大對系統COP和噴射系數的變化影響不大，但超過某一臨界溫度值后，再增大冷凝溫度會使噴射系數迅速減小，系統COP明顯降低。在太陽能噴射制冷系統中，噴射器的出口溫度要接近冷凝器的冷凝溫度。在實際操作中，應該保持噴射器的出口溫度不得高于臨界溫度值，這樣才能保證噴射器高效穩定的運行。

[1] 呂光昭,李勇,代彥軍,等.太陽能噴射式制冷技術（下）[J].太陽能,2011,(9):14-16.

[2] Wail E. Optimum working fluid for solar powered rankine cycle of buildings[J]. Solar Energy,1980,(25): 235-241.

[3] 柴會來.直接蒸發式太陽能噴射制冷研究[D].邯鄲:河北工程大學,2013.

[4] 索科洛夫,津格爾.黃秋云(譯).噴射器[M].北京:科學出版社,1977.

[5] Hisham EI-Dessouky, Hisham Ettouney, Imad Alatiqi, et al. Evaluation of steam jet ejectors[J]. Chemical Engineering and Processing, 2002,(41):551-561.

[6] Horikoshi T, Tsuchikawa T, Kobayashi Y. The effective raditation area and angle factor between man and a rectangular plane near him [J]. ASHRAE Trans, 1990, 96(1): 60-61.

[7] Jones B W, Hong S, McCullough E A. Detailed projected area data for the human body[J]. ASHRAE Trans, 1998,104(2):791-805.

[8] 魏新利,湯本凱,馬新靈,等.兩項噴射器對壓縮-噴射制冷系統性能的影響研究[J].制冷與空調,2014, 28(1): 1-8.

[9] 鄭慧凡,范曉偉,李安桂.HFC134a在太陽能噴射制冷系統中的性能分析[J].低溫與超導,2008,36(1):38-41.

Research on the Optimization Analysis of a New Solar Ejector Refrigeration System Based on CFD

Dong Huachang1Liu Wei2Wang Jinggang1Bao Lingling1Li Na1

( 1.College of Urban Construction, Hebei University ofEngineering, Handan, 056038;2.Energy Research Institute ,Hebei Academy of Sciences, ShiJiaZhuang, 050081 )

Describes a new solar ejector refrigeration system using R134a as refrigerant. To optimize the structure parameters CFD analysis of the ejector,analysis the effects of structural parameters and operating parameters of ejector cooling system, the simulation results show that evaporation temperature 5℃, condensing temperature 36℃, the injector nozzle distance of 0mm preferably, injection coefficient can reach 0.32 and the COP 0.36.

solar collector and generator integration;ejector; numerical simulation

1671-6612（2016）05-515-05

TK511+.3

A

國家自然科學基金資助項目（編號：51408182）；河北省教育廳科學技術處資助項目（編號：QN2014064）河北省自然科學基金資助項目（編號：E2015402139）

董華昌（1989.10-），男，在讀碩士研究生，E-mail：dongmvp1989@163.com

王景剛（1962.11-），男，博士，教授，E-mail：jinggangwang@hebeu.edu.cn

2015-08-27