發生溫度對太陽能噴射式制冷系統性能的影響研究

劉銀燕+陶樂仁+劉效德

摘要：為了確定發生溫度對太陽能噴射式制冷系統性能的影響，基于太陽能噴射式制冷系統試驗臺，以蒸發溫度、冷凝溫度及室內環境溫度為定量，發生溫度為變量進行了試驗研究.試驗結果表明：當噴射器結構確定時，噴射系數ER、系統性能系數COP和機械性能系數COPm均不會隨著發生溫度的升高一直增大，系統必然存在一個最佳的發生溫度使其性能達到最佳.研究可為今后最佳發生溫度的選擇及實際應用中如何維持系統高效運行提供理論指導.

關鍵詞：發生溫度； 太陽能噴射式制冷； 噴射器

中圖分類號： TB 657 文獻標志碼： A

Abstract：In order to study the effect of generating temperature on the solar ejector refrigeration system，a series of experiments were carried out in a solar ejector refrigeration system，in which the evaporating temperature，condensing temperature，and the indoor environment temperature were constant，and the generating temperature was variable.The results indicated that at a given ejector structure，the ejection coefficient ER，system performance coefficient COP，and mechanical COPm would not always increase with rising generating temperature.Therefore，an optimal generating temperature existed，at which the best system performance can be achieved.The study provided the guidance for choosing optimal generating temperature in the future and maintaining the high efficiency operation of the system.

Keywords：generating temperature； solar ejector refrigeration； ejector

太陽能噴射式制冷系統不僅可以利用自然可再生能源和低品位的生產廢熱熱源，而且系統簡單可靠，安裝運行成本低廉，因此具有廣闊的發展前景[1].早期的研究主要集中在各種因素對噴射器性能的影響，王永紅等[2]研究了蒸發條件對噴射器性能的影響，得出當噴射器結構固定，蒸發溫度在6～20℃范圍內時，蒸發溫度越高，噴射器的性能越好；王金鋒等[3]研究了冷凝溫度對噴射器性能的影響，得出當結構固定時，冷凝溫度只有處于20～40℃范圍內，噴射器才能正常工作，當冷凝壓力低于臨界壓力時，噴射器表現出恒能力特性.設計太陽能噴射制冷系統時，發生溫度的選擇非常重要[4]，它是噴射系數的主要影響因素，而噴射系數又直接影響到系統性能系數COP.Pridasawas等[5]的大量計算表明發生溫度的變化會影響系統的總火用損.Huang等[6]也指出發生器中制冷劑液位的高低對噴射器的穩定運行存在影響，但沒有考慮發生溫度對系統性能的影響.本研究基于太陽能噴射式制冷系統試驗臺，保持蒸發溫度、冷凝溫度及室內環境溫度不變，通過改變發生溫度，探討其對整個系統性能的影響.

1 試驗裝置及方法

系統由太陽能轉換循環和制冷循環構成.太陽能轉化循環是通過太陽能集熱器將太陽能轉換成熱能，利用太陽能集熱器加熱傳熱流體介質，流體介質流經發生器，與發生器中的制冷劑進行熱交換，將熱量傳遞給制冷循環.制冷循環是制冷劑液體將在發生器中被加熱產生蒸汽，蒸汽流經噴射器，在噴嘴附近處產生低壓，將制冷劑蒸汽從蒸發器中的引射進入混合室中混合，混合后的流體經縮放擴壓室升壓后進入冷凝器中冷凝.冷凝后的制冷劑液體分為兩路，一路進入發生器，對發生器中的制冷劑進行補充，一路經過節流補充蒸發器中的制冷劑.圖1為制冷系統及測點布置圖.圖2為系統理論循環的lg p-h圖，其中：p為壓力；h為焓值；1～9表示相應的狀態點.

根據系統原理分析可知，制冷劑在發生器中吸收熱量汽化，發生器是系統換熱量最大的部件，其換熱效率直接影響系統的效率.Alexis等[7]對系統各部件火用效率的計算表明，發生器是集熱器和噴射器之后火用損最大的部件，這些都是由溫差換熱所引起的.因此，本文采用板式換熱器作為發生器，目的是為了提高換熱效率，強化系統換熱.

本試驗臺是以R141b為工質，各部件的設計主要依據系統的熱力學計算，采用太陽能集熱器和輔助電加熱作為發生器熱源，基于力控組態軟件和研華模塊建立數據采集截面.試驗中采用文獻[8]提出的等馬赫數梯度的設計方法對噴射器進行改進設計，通過改進噴嘴、等壓混合段、擴壓段的設計使噴射器的結構變化與流動相對應，減少壁面上的渦流產生消失再產生的效應，從而減少能量損失.噴射器內部流動的壓力和速度變化都是平緩過度的，盡可能減少壁面壓力和速度的突變過程，從而可以提高噴射器的工作效率.

通過在各個部件的進、出口處布置熱電偶和壓力表分別測得溫度和壓力，共布置了14個溫度測點和6個壓力測點（如圖1所示）.溫度測量精度為0.1℃，壓力測量精度為0.02.所有的溫度測量數據均由ADAM5510E系列模塊采集再結合ForceControl V6.1組態軟件直接讀入到計算機，完成數據的處理，同時實時顯示、相關計算、控制輸出以及打印輸出等.采用精密壓力表對系統的壓力進行測量.

為保證試驗系統能穩定運行，試驗前先對系統進行調試，當確定系統開始制冷時，再進行有關試驗.本試驗通過調節制冷劑和熱水介質的流量、熱水的進口溫度控制發生器出口溫度.在蒸發溫度控制為20℃、冷凝溫度控制為36℃、室內環境溫度為31.4℃時，進行了發生溫度分別為75、80、85、90、93℃的5組試驗.

2 系統熱力學理論分析

為了簡化計算，對系統理論壓焓圖進行如下假設：① 發生過程、冷凝過程、蒸發過程都是等壓吸熱/放熱過程；② 噴射器內部工作流體和引射流體等壓混合，且混合過程忽略不可逆耗散；③ 工作流體在噴射器內為等熵膨脹，且混合流體擴壓過程也為等熵壓縮；④ 蒸發器為滿液式蒸發，其單位制冷量為蒸發壓力下制冷劑的汽化潛熱.

3 試驗結果與分析

圖3為噴射系數ER、系統性能系數COP、機械性能系數COPm隨發生溫度的變化.

由圖3可以看出，噴射系數、系統性能系數、機械性能系數隨發生溫度的增加均呈現先上升后下降的趨勢.在發生溫度為80℃左右時，噴射系數、系統性能系數、機械性能系數均達到最佳值，分別為0.293、0.182、1.463.

對于發生溫度的影響，由理論分析可知，隨著發生溫度的升高，發生蒸汽所具有的噴射卷吸能力增加，單位質量的發生蒸汽能夠卷吸更多質量的引射蒸汽，對應的噴射系數、系統性能系數、COPm隨著發生溫度的升高呈遞增趨勢.但是從試驗數據中看出，隨著發生溫度的變化，系統性能在80℃左右出現了峰值，當發生溫度大于80℃時，噴射系數、系統性能系數、機械性能系數均下降.經分析，這是由噴射器的結構決定的，因為設計噴射器時采用的工況為發生溫度85℃、冷凝溫度38℃、蒸發溫度8℃，噴射器混合段截面積是根據發生流體與引射流體在該工況下的最大噴射系數的等壓混合截面積設計.由于試驗過程中噴射器的結構是固定的，工況發生變化時，噴射系數會由于混合截面積的限制而不會隨著發生溫度的升高（即工作蒸汽的卷吸能力增加）一直增大.當蒸汽流量達到某一值時，噴管喉部速度也達到壅塞速度，此時進一步提高流量也不能產生更好的卷吸效應.所以，固定結構的噴射器在一定的蒸發溫度和冷凝溫度工況下，具有一個最佳發生溫度.

4 結 論

（1） 固定結構的噴射器在工況發生變化時，噴射系數會由于混合截面積的限制而不會隨著發生溫度的升高（即工作蒸汽的卷吸能力增加）一直增大.因此，在一定的蒸發溫度和冷凝溫度工況下，噴射器存在一個最佳發生溫度.

（2） 實際應用中，可以針對特定的使用工況變化范圍在一個系統中設計2～3個噴射器結構，根據工況變化調節系統，使用不同的噴射器，使系統始終保持高效運行.

參考文獻：

[1] CHUNNANOND K，APHORNRATANA S.Ejectors：applications in refrigeration technology[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2004，8（2）：129-155.

[2] 王永紅，陶樂仁，黃理浩，等.蒸發條件對噴射器性能的影響研究[J].工程熱物理學報，2011，32（6）：1002-1004.

[3] 王金鋒，謝晶，王永紅，等.冷凝溫度對噴射器性能的影響研究[J].低溫與超導，2013，39（1）：51-54.

[4] 田琦，張于峰，張覺榮，等.新型太陽能噴射與電壓縮聯合制冷系統研究[J].太陽能學報，2005，26（6）：842-846.

[5] PRIDASAWAS W.Solardriven refrigeration systems with focus on the ejector cycle[D].Stockholm：KTH Royal Institute of Technology，2006.

[6] HUANG B J，TON W Z，WU C C，et al.Performance test of solarassisted ejector cooling system[J].International Journal of Refrigeration，2014，39：172-185.

[7] 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.

[8] 郭建.太陽能噴射制冷系統新型噴射器工作特性的研究[D].上海：東華大學，2009.