發(fā)生溫度對(duì)太陽能噴射式制冷系統(tǒng)性能的影響研究

劉銀燕+陶樂仁+劉效德

摘要：為了確定發(fā)生溫度對(duì)太陽能噴射式制冷系統(tǒng)性能的影響，基于太陽能噴射式制冷系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，以蒸發(fā)溫度、冷凝溫度及室內(nèi)環(huán)境溫度為定量，發(fā)生溫度為變量進(jìn)行了試驗(yàn)研究.試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)噴射器結(jié)構(gòu)確定時(shí)，噴射系數(shù)ER、系統(tǒng)性能系數(shù)COP和機(jī)械性能系數(shù)COPm均不會(huì)隨著發(fā)生溫度的升高一直增大，系統(tǒng)必然存在一個(gè)最佳的發(fā)生溫度使其性能達(dá)到最佳.研究可為今后最佳發(fā)生溫度的選擇及實(shí)際應(yīng)用中如何維持系統(tǒng)高效運(yùn)行提供理論指導(dǎo).

關(guān)鍵詞：發(fā)生溫度； 太陽能噴射式制冷； 噴射器

中圖分類號(hào)： TB 657 文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)不僅可以利用自然可再生能源和低品位的生產(chǎn)廢熱熱源，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，安裝運(yùn)行成本低廉，因此具有廣闊的發(fā)展前景[1].早期的研究主要集中在各種因素對(duì)噴射器性能的影響，王永紅等[2]研究了蒸發(fā)條件對(duì)噴射器性能的影響，得出當(dāng)噴射器結(jié)構(gòu)固定，蒸發(fā)溫度在6～20℃范圍內(nèi)時(shí)，蒸發(fā)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(duì)噴射器性能的影響，得出當(dāng)結(jié)構(gòu)固定時(shí)，冷凝溫度只有處于20～40℃范圍內(nèi)，噴射器才能正常工作，當(dāng)冷凝壓力低于臨界壓力時(shí)，噴射器表現(xiàn)出恒能力特性.設(shè)計(jì)太陽能噴射制冷系統(tǒng)時(shí)，發(fā)生溫度的選擇非常重要[4]，它是噴射系數(shù)的主要影響因素，而噴射系數(shù)又直接影響到系統(tǒng)性能系數(shù)COP.Pridasawas等[5]的大量計(jì)算表明發(fā)生溫度的變化會(huì)影響系統(tǒng)的總火用損.Huang等[6]也指出發(fā)生器中制冷劑液位的高低對(duì)噴射器的穩(wěn)定運(yùn)行存在影響，但沒有考慮發(fā)生溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響.本研究基于太陽能噴射式制冷系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，保持蒸發(fā)溫度、冷凝溫度及室內(nèi)環(huán)境溫度不變，通過改變發(fā)生溫度，探討其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響.

1 試驗(yàn)裝置及方法

系統(tǒng)由太陽能轉(zhuǎn)換循環(huán)和制冷循環(huán)構(gòu)成.太陽能轉(zhuǎn)化循環(huán)是通過太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，利用太陽能集熱器加熱傳熱流體介質(zhì)，流體介質(zhì)流經(jīng)發(fā)生器，與發(fā)生器中的制冷劑進(jìn)行熱交換，將熱量傳遞給制冷循環(huán).制冷循環(huán)是制冷劑液體將在發(fā)生器中被加熱產(chǎn)生蒸汽，蒸汽流經(jīng)噴射器，在噴嘴附近處產(chǎn)生低壓，將制冷劑蒸汽從蒸發(fā)器中的引射進(jìn)入混合室中混合，混合后的流體經(jīng)縮放擴(kuò)壓室升壓后進(jìn)入冷凝器中冷凝.冷凝后的制冷劑液體分為兩路，一路進(jìn)入發(fā)生器，對(duì)發(fā)生器中的制冷劑進(jìn)行補(bǔ)充，一路經(jīng)過節(jié)流補(bǔ)充蒸發(fā)器中的制冷劑.圖1為制冷系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置圖.圖2為系統(tǒng)理論循環(huán)的lg p-h圖，其中：p為壓力；h為焓值；1～9表示相應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn).

根據(jù)系統(tǒng)原理分析可知，制冷劑在發(fā)生器中吸收熱量汽化，發(fā)生器是系統(tǒng)換熱量最大的部件，其換熱效率直接影響系統(tǒng)的效率.Alexis等[7]對(duì)系統(tǒng)各部件火用效率的計(jì)算表明，發(fā)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(fā)生器，目的是為了提高換熱效率，強(qiáng)化系統(tǒng)換熱.

本試驗(yàn)臺(tái)是以R141b為工質(zhì)，各部件的設(shè)計(jì)主要依據(jù)系統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算，采用太陽能集熱器和輔助電加熱作為發(fā)生器熱源，基于力控組態(tài)軟件和研華模塊建立數(shù)據(jù)采集截面.試驗(yàn)中采用文獻(xiàn)[8]提出的等馬赫數(shù)梯度的設(shè)計(jì)方法對(duì)噴射器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過改進(jìn)噴嘴、等壓混合段、擴(kuò)壓段的設(shè)計(jì)使噴射器的結(jié)構(gòu)變化與流動(dòng)相對(duì)應(yīng)，減少壁面上的渦流產(chǎn)生消失再產(chǎn)生的效應(yīng)，從而減少能量損失.噴射器內(nèi)部流動(dòng)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(gè)部件的進(jìn)、出口處布置熱電偶和壓力表分別測(cè)得溫度和壓力，共布置了14個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)和6個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)（如圖1所示）.溫度測(cè)量精度為0.1℃，壓力測(cè)量精度為0.02.所有的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)均由ADAM5510E系列模塊采集再結(jié)合ForceControl V6.1組態(tài)軟件直接讀入到計(jì)算機(jī)，完成數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示、相關(guān)計(jì)算、控制輸出以及打印輸出等.采用精密壓力表對(duì)系統(tǒng)的壓力進(jìn)行測(cè)量.

為保證試驗(yàn)系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，試驗(yàn)前先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)確定系統(tǒng)開始制冷時(shí)，再進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn).本試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)制冷劑和熱水介質(zhì)的流量、熱水的進(jìn)口溫度控制發(fā)生器出口溫度.在蒸發(fā)溫度控制為20℃、冷凝溫度控制為36℃、室內(nèi)環(huán)境溫度為31.4℃時(shí)，進(jìn)行了發(fā)生溫度分別為75、80、85、90、93℃的5組試驗(yàn).

2 系統(tǒng)熱力學(xué)理論分析

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)理論壓焓圖進(jìn)行如下假設(shè)：① 發(fā)生過程、冷凝過程、蒸發(fā)過程都是等壓吸熱/放熱過程；② 噴射器內(nèi)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(nèi)為等熵膨脹，且混合流體擴(kuò)壓過程也為等熵壓縮；④ 蒸發(fā)器為滿液式蒸發(fā)，其單位制冷量為蒸發(fā)壓力下制冷劑的汽化潛熱.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為噴射系數(shù)ER、系統(tǒng)性能系數(shù)COP、機(jī)械性能系數(shù)COPm隨發(fā)生溫度的變化.

由圖3可以看出，噴射系數(shù)、系統(tǒng)性能系數(shù)、機(jī)械性能系數(shù)隨發(fā)生溫度的增加均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì).在發(fā)生溫度為80℃左右時(shí)，噴射系數(shù)、系統(tǒng)性能系數(shù)、機(jī)械性能系數(shù)均達(dá)到最佳值，分別為0.293、0.182、1.463.

對(duì)于發(fā)生溫度的影響，由理論分析可知，隨著發(fā)生溫度的升高，發(fā)生蒸汽所具有的噴射卷吸能力增加，單位質(zhì)量的發(fā)生蒸汽能夠卷吸更多質(zhì)量的引射蒸汽，對(duì)應(yīng)的噴射系數(shù)、系統(tǒng)性能系數(shù)、COPm隨著發(fā)生溫度的升高呈遞增趨勢(shì).但是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中看出，隨著發(fā)生溫度的變化，系統(tǒng)性能在80℃左右出現(xiàn)了峰值，當(dāng)發(fā)生溫度大于80℃時(shí)，噴射系數(shù)、系統(tǒng)性能系數(shù)、機(jī)械性能系數(shù)均下降.經(jīng)分析，這是由噴射器的結(jié)構(gòu)決定的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)噴射器時(shí)采用的工況為發(fā)生溫度85℃、冷凝溫度38℃、蒸發(fā)溫度8℃，噴射器混合段截面積是根據(jù)發(fā)生流體與引射流體在該工況下的最大噴射系數(shù)的等壓混合截面積設(shè)計(jì).由于試驗(yàn)過程中噴射器的結(jié)構(gòu)是固定的，工況發(fā)生變化時(shí)，噴射系數(shù)會(huì)由于混合截面積的限制而不會(huì)隨著發(fā)生溫度的升高（即工作蒸汽的卷吸能力增加）一直增大.當(dāng)蒸汽流量達(dá)到某一值時(shí)，噴管喉部速度也達(dá)到壅塞速度，此時(shí)進(jìn)一步提高流量也不能產(chǎn)生更好的卷吸效應(yīng).所以，固定結(jié)構(gòu)的噴射器在一定的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度工況下，具有一個(gè)最佳發(fā)生溫度.

4 結(jié) 論

（1） 固定結(jié)構(gòu)的噴射器在工況發(fā)生變化時(shí)，噴射系數(shù)會(huì)由于混合截面積的限制而不會(huì)隨著發(fā)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(fā)溫度和冷凝溫度工況下，噴射器存在一個(gè)最佳發(fā)生溫度.

（2） 實(shí)際應(yīng)用中，可以針對(duì)特定的使用工況變化范圍在一個(gè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)2～3個(gè)噴射器結(jié)構(gòu)，根據(jù)工況變化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使用不同的噴射器，使系統(tǒng)始終保持高效運(yùn)行.

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