太陽(yáng)能?chē)娚鋲嚎s復(fù)合制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及仿真

鄭慧凡 陳銀龍 田國(guó)記 王興豫 范曉偉 梁耀華

摘要：建立了太陽(yáng)能?chē)娚鋲嚎s復(fù)合制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，基于EES軟件程序進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模擬程序的正確性，分析了不同發(fā)生溫度、中間溫度對(duì)系統(tǒng)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(fā)生溫度的升高，總功率先降低后升高，系統(tǒng)EER先升高后降低；同時(shí)，系統(tǒng)COP呈先逐漸升高而后降低的趨勢(shì)。在研究范圍內(nèi)，最優(yōu)發(fā)生溫度工作區(qū)域?yàn)?8～80 ℃，此時(shí)，系統(tǒng)的總耗功量最??；最優(yōu)中間溫度工作區(qū)域?yàn)?～10 ℃，此時(shí)，系統(tǒng)制冷量達(dá)2 245 W，EER最高為3.39。

關(guān)鍵詞：噴射壓縮復(fù)合制冷；仿真；最優(yōu)中間溫度；最優(yōu)發(fā)生溫度

中圖分類(lèi)號(hào)：TB65

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(huán)境污染和能源危機(jī)的日益加劇，太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源越來(lái)越受到人們的重視，在太陽(yáng)能利用技術(shù)中，太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)部件少等優(yōu)點(diǎn)在制冷領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣[1]。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)其特性進(jìn)行了研究，Alexis等[2]結(jié)合雅典地區(qū)的氣候特點(diǎn)，分析了以R134a為制冷劑的太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)的運(yùn)行特性；Ersoy等[3]以R123為制冷劑，研究了太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)在土耳其南部諸城市的逐時(shí)運(yùn)行性能；Clemens等[4]以水作為制冷劑，對(duì)太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了當(dāng)太陽(yáng)輻射量逐時(shí)變化時(shí)，系統(tǒng)的制冷量、COP等參數(shù)隨蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的變化；Bogdan等[5-6]對(duì)太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)的蓄能性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，分析了集熱面積、集熱效率、蓄能量等參數(shù)的關(guān)系，研究表明：蓄冷裝置的設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)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(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)，結(jié)果表明：在發(fā)生溫度為80 ℃，冷凝溫度為30 ℃，蒸發(fā)溫度為15 ℃時(shí)，亞臨界COP為0.45，跨臨界COP為0.75；Zhang等[8]建立了計(jì)算模型，模擬分析了R236fa 作為制冷劑，太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)的運(yùn)行性能，指出典型工況條件下，COP為0.413，COP0可達(dá)0.243；Chidambarama等[9]對(duì)單一和復(fù)合太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)進(jìn)行了綜述，指出蓄能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是太陽(yáng)能制冷的下一個(gè)研究方向；2013年，Ali等[10]對(duì)太陽(yáng)能熱利用空調(diào)技術(shù)進(jìn)行了全面的總結(jié)，指出太陽(yáng)能空調(diào)技術(shù)未來(lái)研究重點(diǎn)應(yīng)該致力于系統(tǒng)效率的提高和運(yùn)行穩(wěn)定性方面。

由上述文獻(xiàn)可知，單一太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)受太陽(yáng)輻射的影響難以持續(xù)穩(wěn)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(fù)合系統(tǒng)，研究表明：與常規(guī)電壓縮系統(tǒng)相比，相同制冷量情況下，該復(fù)合系統(tǒng)可以節(jié)能50%；Jorge等[12]將太陽(yáng)能?chē)娚渲评涞恼舭l(fā)器與壓縮系統(tǒng)的冷凝器合二為一，提出了噴射壓縮中冷器復(fù)合形式，并分析了以R134a、R142b和R114作為制冷劑時(shí)系統(tǒng)的綜合性能；Praitoon等[13-14]研究了蒸汽壓縮噴射制冷系統(tǒng)中冷熱源溫度以及噴嘴對(duì)于循環(huán)COP、壓縮機(jī)壓力比、制冷能力等參數(shù)的影響；Ruangtrakoon等[15]對(duì)噴射器串聯(lián)級(jí)數(shù)與實(shí)際工況的關(guān)系進(jìn)行了研究，指出在其他工況相同時(shí)，串聯(lián)噴射器級(jí)數(shù)越高，噴射式制冷系統(tǒng)在低蒸發(fā)溫度下效率越高。同時(shí)，冷凝器壓力也會(huì)直接影響噴射器工作，當(dāng)噴射器出口壓力過(guò)高時(shí)，噴射器引射系數(shù)將大幅降低，影響系統(tǒng)工作效率；Yan等[16]對(duì)風(fēng)冷情況下的噴射式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了理論模擬；田琦等[17-18]對(duì)太陽(yáng)能?chē)娚鋸?fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了研究。但關(guān)于噴射制冷復(fù)合制冷系統(tǒng)的仿真模型研究尚不多見(jiàn)，關(guān)于中間溫度和發(fā)生溫度優(yōu)化運(yùn)行的研究更少?；诖耍疚慕⑻?yáng)能?chē)娚鋲嚎s復(fù)合制冷系統(tǒng)仿真模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，并重點(diǎn)分析發(fā)生溫度、中間溫度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

1 復(fù)合系統(tǒng)

太陽(yáng)能?chē)娚鋲嚎s復(fù)合系統(tǒng)工作原理如圖1所示。該復(fù)合系統(tǒng)主要包括3個(gè)子系統(tǒng)：太陽(yáng)能集熱子系統(tǒng)、噴射壓縮復(fù)合制冷子系統(tǒng)和空調(diào)冷凍水子系統(tǒng)。其中，太陽(yáng)能集熱子系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、發(fā)生器和水泵組成，為噴射制冷系統(tǒng)提供熱源；噴射壓縮復(fù)合制冷子系統(tǒng)主要由噴射器、冷凝器、工質(zhì)泵、中冷器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、和節(jié)流閥組成；空調(diào)冷凍水系統(tǒng)主要包括蒸發(fā)器、冷凍水箱和水泵。

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置和仿真算法設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

復(fù)合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。在發(fā)生器、噴射器、蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)出口分別設(shè)置壓力變送器，精度為±0.25%；溫度測(cè)量采用PT100鉑電阻溫度計(jì)，測(cè)量誤差為±0. 2 ℃，分別布置在各個(gè)設(shè)備的制冷劑側(cè)和水側(cè)的進(jìn)出口處；流量測(cè)量采用電磁流量計(jì)，精度為0.5%級(jí)；功率測(cè)量采用型號(hào)為XJ93系列的功率變送器，精度為±0.5%。所有測(cè)量參數(shù)均通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集。有關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更詳細(xì)的內(nèi)容參考文獻(xiàn)[19]。

3 系統(tǒng)性能分析

3.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，圖4給出了實(shí)驗(yàn)值和模擬計(jì)算EER值的對(duì)比，其中蒸發(fā)溫度取-5 ℃，中間溫度取10 ℃，冷凝溫度取35 ℃。由圖可知，模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的變化趨勢(shì)相似，該模型可以進(jìn)行復(fù)合系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)。兩者最大誤差為18.7%，平均誤差為14.9%。模擬值和實(shí)驗(yàn)值出現(xiàn)差異的主要原因在于仿真程序進(jìn)行了簡(jiǎn)化和假定，且內(nèi)部蒸發(fā)器、中冷器等模型均采取了穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型。

圖8給出了當(dāng)系統(tǒng)冷凝溫度為35 ℃，發(fā)生溫度為80 ℃時(shí)，系統(tǒng)制冷量隨中間溫度變化的趨勢(shì)。由圖可知，系統(tǒng)制冷量隨中間溫度的升高逐漸減小，究其原因?yàn)殡妷嚎s系統(tǒng)的冷凝溫度升高，致使制冷能力下降；同時(shí)，隨著蒸發(fā)溫度的升高，系統(tǒng)的制冷量逐漸增大。當(dāng)中間溫度為5～20 ℃，蒸發(fā)溫度為-15、-10、-5 ℃時(shí)，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(jié) 論

本文對(duì)太陽(yáng)能?chē)娚鋲嚎s復(fù)合制冷系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了分析，建立了復(fù)合系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真模型，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。計(jì)算并分析了發(fā)生溫度、中間溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。主要研究結(jié)論如下：

1）復(fù)合系統(tǒng)的EER均高于單一噴射系統(tǒng)和單一電壓縮系統(tǒng)，一定研究工況下，復(fù)合系統(tǒng)、單一噴射與單一壓縮3個(gè)系統(tǒng)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(fā)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(shí)，COP呈先逐漸升高而后降低的趨勢(shì)。研究表明，當(dāng)中間溫度為10 ℃，冷凝溫度為35 ℃，蒸發(fā)溫度分別為-5、-10和-15 ℃，發(fā)生溫度最優(yōu)工作范圍為78～80 ℃，此時(shí)，系統(tǒng)的總耗功量最小，EER達(dá)到最大，COP分別為0.38、0.37、0.35。

3）中間溫度對(duì)復(fù)合系統(tǒng)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(dāng)冷凝溫度為35 ℃，發(fā)生溫度為80 ℃，蒸發(fā)溫度分別為-5、-10和-15 ℃時(shí)，存在最優(yōu)的中間溫度范圍為7～10 ℃，此時(shí)系統(tǒng)EER達(dá)到最高，其對(duì)應(yīng)的EER最大值分別為 3.39、2.86、2.61，且制冷量最高可達(dá)2 245 W。

參考文獻(xiàn)：

[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(yáng)能?chē)娚渑c壓縮一體化制冷系統(tǒng)的研究[D]. 天津： 天津大學(xué)， 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(yáng)能?chē)娚渑c壓縮制冷系統(tǒng)的集蓄熱構(gòu)建系統(tǒng)的性能研究[J]. 中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(yáng)能?chē)娚鋲嚎s復(fù)合制冷系統(tǒng)仿真計(jì)算[D]. 鄭州： 中原工學(xué)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）