太陽(yáng)能噴射-壓縮復(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

(中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院， 鄭州，450007)

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太陽(yáng)能噴射-壓縮復(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

(中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院， 鄭州，450007)

摘要：建立了太陽(yáng)能噴射-壓縮復(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

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)能噴射制冷系統(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)能噴射制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性；Ersoy等[3]以R123為制冷劑，研究了太陽(yáng)能噴射制冷系統(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)能噴射制冷系統(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)能噴射制冷系統(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)能噴射制冷系統(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)能噴射制冷系統(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)能噴射制冷系統(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?；诖?，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)能噴射制冷的蒸發(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)能噴射復(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。基于此，本文建立太陽(yáng)能噴射-壓縮復(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)能噴射-壓縮復(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。

圖1　復(fù)合制冷系統(tǒng)工作原理圖Fig.1　The diagram of combined refrigeration system

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]。

圖2　太陽(yáng)能噴射-壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)裝置圖Fig.2　Experiment setup of solar ejector-compression combined refrigeration

2.2系統(tǒng)的模擬計(jì)算

2.2.1主要計(jì)算式制冷量Qe為

(1)

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

工質(zhì)泵的耗功量

(2)

式中：mg為發(fā)生器的制冷劑流量，kg/s；h5為發(fā)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(zhì)泵的效率，取0.8。

壓縮機(jī)的耗功量

(3)

式中：mcom為電壓縮系統(tǒng)的流量，kg/s；h9為蒸發(fā)器的出口焓值，kJ/kg；h10為中冷器冷凝側(cè)進(jìn)口焓值，kJ/kg；ηcom為壓縮機(jī)效率。

忽略工質(zhì)泵的耗功和其他熱量，噴射系統(tǒng)的熱平衡式為

(4)

系統(tǒng)總功耗表示為

(5)

復(fù)合系統(tǒng)的能效比EER可表示為

(6)

2.2.2誤差分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量的數(shù)據(jù)都只能近似地表示真實(shí)值，盡管采取了很多措施，但采集值與真實(shí)值之間仍然存在一定的偏差，而實(shí)驗(yàn)的誤差只能盡量減小，不可能避免。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析。

由于該實(shí)驗(yàn)為間接測(cè)量，故采用不確定度進(jìn)行誤差分析。取本次實(shí)驗(yàn)的工況，蒸發(fā)溫度為-15～0 ℃，發(fā)生溫度為70～85 ℃，冷凝溫度為30～40 ℃，中間溫度為0～20 ℃。進(jìn)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(shí)驗(yàn)中工質(zhì)泵和壓縮機(jī)的功率采用功率變送器測(cè)量，其精度為±0.5%。所以，功率的不確定度為0.5%。

太陽(yáng)能噴射制冷系統(tǒng)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(tǒng)EER的誤差為8.38%，均在允許誤差范圍之內(nèi)，符合實(shí)驗(yàn)測(cè)量要求。

2.2.3系統(tǒng)仿真算法設(shè)計(jì)基于上述主要算式，對(duì)太陽(yáng)能噴射-壓縮復(fù)合系統(tǒng)的仿真算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并基于EES軟件建立了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真模型，主要用來(lái)預(yù)測(cè)一定工況下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的性能。也可用于分析壓縮機(jī)、中冷器、膨脹閥、蒸發(fā)器、發(fā)生器、噴射器、冷凝器及工質(zhì)泵等各部件的耦合特性，如圖3所示，系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)包括：各部件的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)出口溫度、壓力，質(zhì)量流量和水側(cè)入口溫度、流量等，其中，mint為中冷器冷凝側(cè)制冷劑的質(zhì)量流量，mv為膨脹閥中的質(zhì)量流量，ms為引射流體流量；輸出參數(shù)包括：COP、制冷量、噴射系數(shù)以及水側(cè)出口溫度等。

圖3　太陽(yáng)能噴射-壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)仿真算法流程圖Fig.3　Simulation flow chart of solar ejector-compression combined refrigeration system

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4　模擬程序驗(yàn)證Fig.4　Validation of simulation

圖5　EER隨蒸發(fā)溫度變化圖Fig.5　Variation of EER with evaporator

3.2系統(tǒng)性能分析

本文計(jì)算分析了蒸發(fā)溫度為-15～0 ℃，發(fā)生溫度為70～85 ℃，冷凝溫度為30～40 ℃，中間溫度為0～20 ℃時(shí)的系統(tǒng)性能。

圖5給出了不同蒸發(fā)溫度下，3種系統(tǒng)EER的曲線圖。由圖可知，冷凝溫度為35 ℃，發(fā)生溫度為80 ℃，中間溫度為10 ℃，蒸發(fā)溫度為-15～0 ℃時(shí)，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)。

3.2.1發(fā)生溫度對(duì)系統(tǒng)性能影響圖6、7分別給出了蒸發(fā)溫度為-5、-10和-15 ℃，中間溫度為10 ℃，冷凝溫度為35 ℃時(shí)，發(fā)生溫度對(duì)復(fù)合系統(tǒng)EER和功耗的影響。由圖可知，隨著發(fā)生溫度的升高，系統(tǒng)EER呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，總功耗則呈先下降后上升的趨勢(shì)；相同發(fā)生溫度下，隨著蒸發(fā)溫度的升高，系統(tǒng)EER和功耗均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在不同蒸發(fā)溫度下。當(dāng)發(fā)生溫度為78～80 ℃時(shí)，EER最大，功耗最小，因此，在復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量將系統(tǒng)的發(fā)生溫度控制在78～80 ℃。

圖6　發(fā)生溫度對(duì)EER的影響Fig.6　Variation of EER with generator

圖7　發(fā)生溫度對(duì)功耗的影響Fig.7　Variation of power consumption with generator

3.2.2中間溫度對(duì)系統(tǒng)性能影響圖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。

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

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

圖9為蒸發(fā)溫度為-5、-10和-15 ℃，復(fù)合系統(tǒng)EER隨中間溫度為2～20 ℃時(shí)的變化曲線。由圖可知，與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)一致，EER隨蒸發(fā)溫度的升高整體升高。同時(shí)，當(dāng)中間溫度逐漸升高時(shí)，EER呈先升高后降低的趨勢(shì)，與實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果相吻合。當(dāng)中間溫度為7～10 ℃時(shí)，EER達(dá)到最大，分別為 3.39、2.86、2.61。同時(shí)，EER隨中間溫度的下降幅度略大于上升的幅度。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-15 ℃時(shí)，EER在中間溫度達(dá)7 ℃以后下降趨勢(shì)更為劇烈，表明若蒸發(fā)溫度較低，則最優(yōu)中間溫度的范圍也會(huì)有所減小。

綜上所述，選取合適的中間溫度對(duì)復(fù)合系統(tǒng)的意義重大。本系統(tǒng)中，最優(yōu)中間溫度為7～10 ℃，此時(shí)EER最大，其最大值可以達(dá)到3.39。

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

圖10為蒸發(fā)溫度為-5、-10和-15 ℃，冷凝溫度為35 ℃，發(fā)生溫度為80 ℃時(shí)，系統(tǒng)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(tǒng)的總耗功降低，其范圍在446 ～787 W。 當(dāng)蒸發(fā)溫度為-5、-10和-15℃時(shí)的最大功耗分別為787 、759 、713 W。此外，經(jīng)分析表明，在總功耗中，壓縮機(jī)功耗所占的比例較大，約為70%。

4結(jié)論

本文對(duì)太陽(yáng)能噴射-壓縮復(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。

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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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51176207、51306214);河南省高校科技創(chuàng)新人才計(jì)劃(14HASTIT003);河南省省級(jí)骨干教師基金(2013GGJS-114))

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

中圖分類號(hào)：TB65

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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.