太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的實驗研究

馬國強,陶樂仁

（上海理工大學能源與動力學院，上海 200093）

太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的實驗研究

馬國強*,陶樂仁

（上海理工大學能源與動力學院，上海 200093）

本文主要對太陽能噴射式制冷系統(tǒng)進行實驗調(diào)試以及實驗研究，采用電加熱輔助太陽能加熱的方法，研究了發(fā)生器和蒸發(fā)器溫度對系統(tǒng)性能的影響。給出了太陽能集熱器水箱的水溫與時間的變化關(guān)系圖，以及發(fā)生器和蒸發(fā)器溫度與噴射系數(shù)ER、性能系數(shù)COP和機械性能系數(shù)COP之間的變化關(guān)系圖，實驗結(jié)果很好地反映了發(fā)生器溫度和蒸發(fā)器溫度對太陽能噴射制冷系統(tǒng)的性能影響。

太陽能；噴射式制冷；發(fā)生溫度；蒸發(fā)溫度；噴射系數(shù)

0 引言

隨著科技的發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，空調(diào)行業(yè)的耗能也在不斷地增加，能源緊缺和環(huán)境惡化問題引起了重視，利用太陽能是解決能源環(huán)境問題最有效的方法[1]。早在20世紀初就出現(xiàn)了蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)，但由于其自身效率低、水蒸氣比容大所造成的冷凝器體積過大等原因，不久就退出了應(yīng)用領(lǐng)域。隨著噴射器理論的完善和新型工質(zhì)的研究成果的實現(xiàn)，太陽能噴射式制冷系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡單和運行穩(wěn)定的特點吸引了人們的注意力[2]。

太陽能噴射制冷系統(tǒng)是以噴射器代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓縮制冷的壓縮機進行制冷。目前西方國家主要集中在噴射器的流體流動相變研究，提出了等壓混合理論和等面積混合理論[3]。我國研究者在制冷劑優(yōu)化替代方面也取得了很好的效果[4]。雖然國內(nèi)外對這個系統(tǒng)進行了很多研究，但是由于 COP較低的限制，太陽能噴射式制冷系統(tǒng)并未得到很好的推廣。本文旨在以電加熱輔助太陽能加熱的系統(tǒng)為基礎(chǔ)，找到不同工況的變化規(guī)律，進而為太陽能噴射制冷系統(tǒng)的發(fā)展提供基礎(chǔ)資料[5]。

1 實驗裝置系統(tǒng)介紹

實驗臺是以R141b作為制冷劑的太陽能噴射式制冷系統(tǒng)實驗臺。實驗臺電加熱器采用一臺加熱功率為14 kW的水箱加熱器。作為輔助加熱熱源，加熱器配以一臺可測控電柜。加熱器水箱使用一臺水泵供應(yīng)熱水。電加熱器和太陽能集熱器加熱過程類似，調(diào)節(jié)電加熱器的輸入功率即可模擬太陽能輻射變化時太陽能集熱器收集到的熱量。當太陽能集熱器收集的熱量不足以滿足系統(tǒng)要求時，可采用電加熱器輔助加熱以補充所需要的能量。本文研究考察了上海地區(qū)7月份太陽能噴射制冷系統(tǒng)試驗臺的運行情況。

圖1 太陽能噴射式制冷系統(tǒng)原理

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 太陽能集熱器水箱溫度的測量

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，上海地區(qū)7月份標準日氣溫和太陽能總輻射量隨時間的變化關(guān)系如圖2所示。同時對太陽能集熱器水箱溫度進行了測定，記錄了從早上9點到下午17點的數(shù)據(jù)，連續(xù)測量了1周時間，各時間點的平均水箱溫度如圖3所示。

實驗數(shù)據(jù)顯示，上海地區(qū)7月份總輻射量在10點左右達到了最大值，而氣溫在下午 14點左右達到最大值。圖3可以看出，太陽能集熱器水箱水溫維持在75 ℃以上的時間大約為5 h，最高溫度可達93 ℃。因此，夏季上海地區(qū)7月份只需要少量輔助熱源就可以滿足系統(tǒng)設(shè)計所需的發(fā)生溫度。

圖2 上海地區(qū)7月份標準日氣溫和太陽能總輻射量隨時間的變化關(guān)系

圖3 一周內(nèi)各時間點的太陽能集熱器水箱平均溫度統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2.2 發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能的影響

實驗蒸發(fā)溫度控制在 20 ℃，冷凝溫度控制在36 ℃，室內(nèi)環(huán)境溫度為 31.4 ℃，發(fā)生溫度分別控制為75 ℃、80 ℃、85 ℃、90 ℃和93 ℃工況下對系統(tǒng)進行實驗，實驗結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 噴射系數(shù)與發(fā)生溫度的變化關(guān)系

圖5 性能系數(shù)COP與發(fā)生溫度的變化關(guān)系

圖6 機械COP與發(fā)生溫度的變化關(guān)系

由圖4～圖6可以看出，噴射系數(shù)ER、系統(tǒng)性能系數(shù)COP和機械COP都隨發(fā)生溫度的增加呈現(xiàn)先上升然后下降的趨勢。當發(fā)生溫度為 80 ℃左右時，噴射系數(shù)ER、性能系數(shù)COP和機械COP都出現(xiàn)了最佳值，分別是0.293、0.182和1.463。

發(fā)生溫度的影響：實驗系統(tǒng)性能在發(fā)生溫度為80 ℃左右時出現(xiàn)了峰值，當發(fā)生溫度大于 80 ℃時噴射系數(shù)ER和性能系數(shù)COP出現(xiàn)了下降。經(jīng)分析是由于噴射器的結(jié)構(gòu)決定的。因為噴射器的設(shè)計工況為發(fā)生溫度85 ℃、冷凝溫度38 ℃、蒸發(fā)溫度8 ℃，由于噴射器的結(jié)構(gòu)是固定的，當工況條件發(fā)生變化時，噴射系數(shù)受到混合截面積的限制不隨著發(fā)生溫度的升高而一直增大，當蒸汽流量達到某一值時，噴管喉部的速度也達到了壅塞速度，此時進一步提高流量也不會產(chǎn)生更好的卷吸效應(yīng)。因此，在發(fā)生溫度大于 80 ℃時，噴射系數(shù) ER、性能系數(shù) COP和機械 COP都出現(xiàn)了下降趨勢。因此對于固定結(jié)構(gòu)的噴射器在一定的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度工況下，具有一個最佳的發(fā)生溫度。

2.3 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

實驗控制發(fā)生溫度在85 ℃，冷凝溫度在34 ℃，室內(nèi)環(huán)境溫度為 30.7 ℃，蒸發(fā)溫度分別控制在20 ℃、21 ℃、22 ℃、23 ℃、24 ℃和 25 ℃時，經(jīng)計算分析的實驗結(jié)果如圖7～圖9所示。

由以上實驗結(jié)果可以看出，噴射器的噴射系數(shù)ER、系統(tǒng)性能系數(shù)COP和機械COP都隨蒸發(fā)器溫度的升高呈上升的趨勢，噴射系數(shù)ER由0.273上升至0.324，系統(tǒng)性能系數(shù)COP由0.172上升至0.211，機械COP由1.352上升至1.744。

圖7 噴射系數(shù)ER與蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系

圖8 性能系數(shù)COP與蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系

圖9 機械COP與蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系

蒸發(fā)溫度的影響：從實驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著蒸發(fā)溫度的升高，噴射系數(shù)ER、性能系數(shù)COP和機械 COP呈逐漸增大的趨勢。原因是蒸發(fā)器內(nèi)的引射流體需經(jīng)過蒸發(fā)、混合和擴壓的過程，達到完成整個系統(tǒng)的噴射制冷過程，因此，蒸發(fā)溫度越高，單位質(zhì)量的引射流體卷吸壓縮所需要的工作蒸汽的能量越低，即噴射系數(shù)ER、性能系數(shù)COP和機械 COP越大，因此隨蒸發(fā)溫度的升高呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。但是，整個過程增大的趨勢的斜率在逐漸變小，這是由于固定結(jié)構(gòu)的噴射器限制了噴射系數(shù)ER增加的趨勢，進而影響了性能系數(shù)COP和機械COP。

2.4 誤差分析

發(fā)生蒸汽是系統(tǒng)運行的驅(qū)動，發(fā)生溫度對系統(tǒng)的運行性能有著重要的影響。本實驗裝置是通過調(diào)節(jié)制冷劑和熱水介質(zhì)的流量、熱水的進出口溫度控制發(fā)生器出口蒸汽的溫度。由于實驗臺實驗條件所限，冷凝器水側(cè)流量不穩(wěn)定引起了工質(zhì)泵進口壓力波動，進而導致泵的流量出現(xiàn)波動；發(fā)生器溫度測量的是發(fā)生器出口壁面的溫度，發(fā)生器內(nèi)部發(fā)生的是復雜的相變換熱過程，出口溫度本身就較難控制；熱水介質(zhì)的流量是由人為操作控制的。以上各因素均會對實驗帶來一定的誤差。

蒸發(fā)溫度的高低也是評價系統(tǒng)制冷性能的一個重要指標。系統(tǒng)剛開始運行階段，發(fā)生溫度和壓力較低，噴射器器還不具備噴射制冷能力，而發(fā)生蒸汽的流動過程中熱量通過管路導熱傳遞到了蒸發(fā)器桶內(nèi)；另外，較低溫度和壓力的發(fā)生蒸汽，經(jīng)過噴嘴時發(fā)生了部分回流，導致蒸發(fā)溫度在系統(tǒng)運行初期會有所升高。除此以外，蒸發(fā)器的保溫材料不夠嚴密，有一部分環(huán)境熱量漏入蒸發(fā)器內(nèi)部，對蒸發(fā)溫度有一定影響；實驗室所用壓力表的分度值比較大，讀取壓力值時也會產(chǎn)生一定誤差。因此，以上各因素均會對實驗帶來一定的誤差。

3 結(jié)論

在對太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的理論研究基礎(chǔ)上，建立了一套以電加熱輔助太陽能加熱的太陽能噴射制冷系統(tǒng)實驗臺。通過測量制冷主系統(tǒng)的溫度和壓力，研究了這套系統(tǒng)的發(fā)生溫度和蒸發(fā)溫度與噴射系數(shù)ER、性能系數(shù)COP和機械COP之間的變化關(guān)系。通過對實驗結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論。

1）太陽能集熱器的調(diào)試過程中，可以確定上海地區(qū)七月份的太陽能集熱器加熱水的溫度能夠達到實驗要求的發(fā)生溫度，但是水溫維持的時間較短，還需要其它熱源進行輔助。

2）對于固定結(jié)構(gòu)的噴射器在工況條件發(fā)生變化時，由于噴射器混合截面積的限制，噴射系數(shù)ER不會隨著發(fā)生溫度的升高一直增大。在一定的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度工況下，噴射器對應(yīng)一個最佳發(fā)生條件。

3）在發(fā)生溫度為 85 ℃時，蒸發(fā)溫度從 20 ℃到 25 ℃逐漸升高，噴射系數(shù) ER由 0.273上升至0.324，系統(tǒng)性能系數(shù)COP由0.172上升到0.211，機械COP由1.352上升到1.744。

4）對于調(diào)試階段發(fā)生器溫度的波動以及蒸發(fā)器溫度的上升等問題，可從冷凝水側(cè)、系統(tǒng)保溫和管路的流量匹配等方面進行改進，以進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1]賽迪顧問股份有限公司.中國新能源產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃前瞻[J].能源產(chǎn)業(yè)研究,2010(1): 4-33.

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Experimental Study of Solar Ejector Refrigeration System

MA Guo-qiang*,TAO Le-ren
(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093)

The experimental debugging and research about the solar ejector refrigeration system were processed.Using the electric heating auxiliary solar heating method,the influences of the generator and evaporator temperatures on the system performance were studied.The hourly changing graph of water temperature of the solar collector tanks and the cooling system relation curves of the generator and evaporator temperatures between injection efficient ER,the coefficient of performance COP,and the mechanical coefficient of performance COP were obtained.The results reflect well the impacts of generator temperature and evaporation temperature on the performance of the solar ejector refrigeration system.

Solar energy;Ejector refrigeration;Generator temperature;Evaporator temperature;Injection efficient

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.101

*馬國強（1989-），男，在讀研究生，碩士。研究方向：太陽能噴射制冷。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號南校區(qū)5公寓一號樓117室，郵編：200093。聯(lián)系電話：18817848947。E-mail：maguoqiang.1989@163.com。