太陽能噴射式制冷系統性能分析

李慶普，陶樂仁，劉效德

（上海理工大學制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

太陽能噴射式制冷系統性能分析

李慶普*，陶樂仁，劉效德

（上海理工大學制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

本文通過新搭建的太陽能噴射式制冷循環試驗臺運行試驗，對不同工況下制冷系統的性能進行了研究。實驗過程中，采用電輔助加熱即可實現對發生溫度、蒸發溫度、冷卻水的溫度和流量等參數的獨立調節。實驗研究結果表明，當發生溫度小于80 ℃時，噴射系數ER、系統性能系數COP、機械COP等3個性能系數均隨著發生溫度的升高而變大；但當發生溫度大于80 ℃時，這3個性能系數則隨著溫度的升高而減小；當蒸發溫度小于23 ℃時，這3個性能系數隨著蒸發溫度的升高而變大，但當蒸發溫度過高時，其增加趨勢逐漸減小。

太陽能噴射式制冷；發生溫度；蒸發溫度；噴射系數

0 引言

噴射式制冷系統同吸附式制冷相同，可以利用太陽能、廢熱等低品位能源[1]。但是，由于其制冷效率過低，其研究工作曾一度停滯。近年來隨著人們對能源環境問題的重視，噴射式制冷系統的研究有了新的進展[2-4]。噴射式制冷系統具有結構簡單、運行可靠、無震動的特點，但噴射式制冷最大的問題在于其制冷效率過低，這也為以后對噴射式制冷的研究提供了方向。

研究太陽能噴射式制冷系統即探究在不同溫度、壓力等狀態參數下的制冷過程中，發生器、蒸發器、冷凝器運行條件的改變對系統的性能及噴射器的噴射系數的影響規律，從而設計改進的方案，優化噴射器的設計，完善太陽能噴射式制冷系統。

1 實驗原理及誤差分析

1.1 噴射式制冷循環

太陽能噴射式制冷是以太陽能作為驅動能源，采用噴射器代替壓縮機，利用噴射器中噴嘴產生的高速流體形成一定的真空度來引射蒸發器出口制冷劑而進行工作的[5]。主要部件包括太陽能集熱器、發生器、噴射器、冷凝器、蒸發器、膨脹閥和泵，系統結構如圖1所示[6]。

圖1 太陽能噴射式制冷系統結構圖

集熱器吸收太陽能，加熱水箱內的水供系統發生器使用。在發生器中，制冷劑吸熱氣化、增壓，變為高溫、高壓飽和蒸氣。飽和蒸氣進入噴射器后，經漸縮漸擴噴嘴高速噴出、膨脹，產生抽吸作用，進而將蒸發器中的低壓蒸氣吸入噴射器，這兩股制冷劑蒸氣在噴射器中混合、升壓。由噴射器出來的混合氣體進入冷凝器進行放熱、液化成為飽和液體。然后，冷凝液分為兩股，一股通過節流閥降至蒸發壓力后進入蒸發器，在蒸發器內吸熱、氣化，完成制冷循環；另一股則通過循環泵升壓后，再次進入發生器中，其壓焓圖見圖2。

圖2 太陽能噴射式制冷循環壓焓圖

該制冷系統主要包括兩個回路，即能量轉換回路和制冷回路。前者制冷劑經工質泵升壓進入發生器，發生器與冷凝器之間的部分是正向卡諾循環，為系統壓縮提供動力。后者制冷劑經膨脹閥節流后流經蒸發器，蒸發器與冷凝器之間的部分為逆向卡諾循環，完成制冷負荷。

1.2 實驗裝置工作原理

1.2.1 噴射器的設計

噴射器作為噴射式系統的核心部件，其性能的好壞直接影響整個系統的性能。本文采用的噴射器結構如圖3所示，主要由噴嘴、吸入室、混合室和擴壓室構成。高溫高壓的工作流體在噴嘴內進行絕熱膨脹，壓力逐漸降低，速度逐漸提高，在噴嘴出口處形成超音速流體。壓力較高的引射流體進入壓力低的吸氣室，兩者在混合室內等壓混合，進行能量與熱量的交換直至達到平衡。超音速的混合流體在擴壓室入口產生激波，使得混合流體壓力升高，流速降為亞音速，待流體完全進入擴壓室后，壓力將繼續升高，速度進一步降低，最終在擴壓室出口升高到一定背壓[7]。

圖3 噴射器的結構圖

噴射器的設計原理基于空氣動力學方法，參考索科洛夫等所著的《噴射器》[8]一書，計算過程采用等馬赫數梯度法[9]。

等馬赫數梯度法核心公式為下列式(1)～式(3)：

式中：

Ai——噴射器第i處截面面積，m2；

Mai——第i處馬赫數；

Pi——第i處的壓力，Pa；

r——制冷工質的絕熱指數；

下標i為噴射器各截面的幾何位置。

噴射器的各截面尺寸都是以等馬赫數梯度的核心公式進行計算的，軸向尺寸設計根據經驗公式所得，具體結構就不再闡述了，其主要尺寸見表1。

根據郭建[9]的研究表明，等馬赫數設計方法使噴射器的結構設計與內部流動相對應，減少了由激波產生的流動損失，提高了噴射器的性能系數。

表1 噴射器主要尺寸

1.2.2 設備簡介

系統采用真空管集熱器吸收熱源，并輔以電加熱，以保證試驗運行中水箱內溫度的恒定，同時滿足實驗過程中發生溫度的調節。熱水進入發生器（忽略熱水箱至發生器間管路的熱損失）與制冷劑進行熱交換[10]。

真空管集熱器由25根真空管組成，每根集熱管涂層均采用三靶鍍膜技術，其太陽吸收比高達0.95，可以更好地吸收太陽能輻射。除此之外，集熱器還需其他輔助設備，主要有供水泵、水位計、溫度計、傳感器等，與輔助電加熱、溫度控制器一起控制水溫，定量放水。

該制冷系統主要由發生器、蒸發器、冷凝器、節流閥、工質泵、水泵等部件組成，如圖1所示。各部件的選型以實現實驗裝置的“微型化”為目的，以縮小試驗臺所占空間，強化系統換熱。

發生器：為提高換熱效率，選用型號為AC-70X-12M-F的板式換熱器，其熱交換量由水箱內水的循環流量和換熱溫差設定。水箱內水溫由太陽能加熱，由電加器補償恒定，加熱量由調壓調功器及溫控器自動控制。研究表明[11]，發生器部分的火用損失占系統的?損失的11.5%，采用板式換熱器加強了系統的熱交換性能。

蒸發器：采用滿液式蒸發器，以電加熱平衡法測量制冷量。加熱量由溫度模塊和調壓模塊通過PID控制調節，可控制溫度精度為0.1 ℃。實驗前對蒸發器進行漏熱量標定，求解蒸發器漏熱系數，以保證實驗測量精度。

冷凝器：使用型號為G-WN-27-5IV的殼管式水冷冷凝器，通過水側調節控制冷凝溫度，以減少噴射器出口壓力的波動。冷凝量主要通過冷卻水的進出口溫度和流量來控制。

其他部件：工質泵采用隔膜泵，而發生器側水泵、冷凝器側水泵均采用無垢增壓泵。

實驗的測控系統主要由數據采集模塊、組態軟件和PC機組成，并在工作流體出口和引射流體管道入口各安裝一個閘閥，對工作流體和引射流體壓力進行手動控制。

采用研華ADAM-5510E系列模塊監控系統參數，把溫度、壓力信號轉換為數字信號，經過RS232C串行口傳輸到PC機。使用ForceContril V6.1組態軟件開發太陽能噴射式系統的數據采集程序，實現實驗數據采集、數據處理、數據顯示、數據保存、報表打印以及對制冷系統的全面控制。

實驗使用熱電偶測量工作流體、引射流體在各所需測量點的溫度，溫度誤差在±0.1 ℃。根據所需測試目的和測試要求在系統回路中的相應位置安裝壓力表，壓力表精度等級為0.02，表盤滿刻度為1 MPa。

1.3 數據導出及誤差分析

噴射式制冷系統的輸入能量為輸入發生器的熱量和泵消耗的機械能。實驗儀表所測得的溫度、壓力值經refprop物性軟件分析可得對應各點焓值，再利用相應公式計算系統COP，分析系統運行性能[12-13]。

系統的制冷量為蒸發器中引射流體進、出口焓差：

發生器的換熱量為發生器中工作流體進、出口焓差：

冷凝器的散熱量為冷卻水的進、出口焓差也是發生流體與引射流體在發生器的換熱量：

工質泵消耗的功率為工作流體經過泵之后能量的增量：

噴射系數是噴射式系統性能評價的重要參數，表示單位工作流體經過噴射可以卷吸引射流體的質量：

制冷系統性能系數COP：

對于太陽能噴射制冷，通常采用機械來評價系統的性能：

式中：

me——引射流體的質量流量，kg/s；

h9——蒸發器出口焓值，kJ/kg；

h8——蒸發器進口焓值，kJ/kg；

mg——工作流體的質量流量，kg/s；

h3——發生器出口焓值，kJ/kg；

h1——發生器進口焓值，kJ/kg；

h6——冷凝器出口焓值，kJ/kg；

h7——冷凝器進口焓值，kJ/kg。

為保證實驗參數的精確性，實驗前需對測量儀表進行校核。對熱電偶進行標定時，把熱電偶與標準熱電阻浸入恒溫水浴，調節恒溫水浴溫度，間隔采集每個熱電偶數值；對壓力表進行標定時，系統內充放氮氣，采用高精度的壓力傳感器作為參考標準，并對制冷循環主系統、太陽能子循環系統進行調試，以期制冷主系統正常運轉，太陽能系統足以提供穩定熱源。制冷工質物性參數的誤差主要來源于基礎數據誤差（溫度、壓力）與定性溫度誤差，當熱電偶溫度測試精度為±0.1 ℃時，各物性參數相對誤差為±0.3%，分析中均按±0.5%取值。

2 實驗數據結果分析

實驗開始前首先對水箱中的水加熱，用水箱中的水對發生器中的制冷劑液體進行加熱直至達到設定溫度。開啟發生器下部的閥門，打開制冷劑泵，使泵的出口壓力高于發生器的壓力。打開水冷冷凝器的冷水閥門，然后開啟系統各個閥門，系統開始運轉。通過調節系統中電加熱功率和冷凝水流量，使系統在正常狀態下運行。系統穩定后，調節水箱電加熱和蒸發器電加熱到自動調節檔，溫度值3 s自動記錄一次，壓力5 min記錄一次，同時記錄水箱和蒸發器的電加熱功率。

使用單一變量法，分別測定當發生溫度、蒸發溫度變化時，噴射器的噴射系數ER、制冷系統性能系數COP、機械COP的變化，試驗工況見表2。

表2 試驗工況

由熱力學計算[14]分析可知，發生溫度越高，工作流體的卷吸能力越大，單位質量的工作流體卷吸的引射流體越多；蒸發溫度越高，引射流體壓力越大，則其卷吸工作流體的能量越低，因此噴射器的噴射系數ER、制冷系統性能系數COP和機械COP隨發生溫度的增加而增加，也隨著蒸發溫度的增加而增加。

由圖4可知，當發生溫度小于80 ℃時，噴射系數ER、系統性能系數COP和機械COP均隨著發生溫度的升高而變大，但當發生溫度大于80 ℃時，3個性能系數則隨著溫度的升高而減小；由圖5可知，當蒸發溫度小于23 ℃時，3個性能系數隨著蒸發溫度的升高而變大，但當蒸發溫度過高時，其增加趨勢逐漸減小。

對于3個性能系數隨蒸發溫度、發生溫度的非常規變化，經分析其是由噴射器固定的結構造成的。雖然實驗的工況條件發生變化，但噴射器的結構并不隨發生溫度、蒸發溫度的變化而變化。發生溫度、蒸發溫度的變化只能改變工作流體、引射流體進入噴射器的壓力，進而影響兩者在噴射器內的能量、動量交換，但當溫度到一極限值時，溫度的升高非但不會增加系統性能，還會帶來一定負面影響。噴射器的結構是影響系統動態性能的主要因素，因此，在實際應用時的系統設計過程中可對于一個系統采用多個噴射器隨不同的使用工況進行調節，使系統運行性能始終保持最佳。進一步探索噴射器內部流動規律，優化噴射器內部結構尤其是發生壅塞流的截面結構，對于提高系統性能具有極其重要的意義。

相對整個系統，對除噴射器之外的其它部件的性能分析對實驗的穩定運行也及其重要。天氣的變化難以使發生溫度達到實驗所需要求，或者導致發生溫度難以長時間保持穩定，故還需要其它輔助能源。系統的換熱部件、管路極易受環境溫度的影響，間接影響實驗參數測量的準確性，所以說不僅要對系統儀表進行必要的校核，還要在冷凝水測、系統保溫、管路的流量分配等方面加以改進，提高系統整體系能。

圖4 不同發生溫度下，噴射系數ER、性能系數COP和機械COP的變化

圖5 不同蒸發溫度下，噴射系數ER、性能系數COP和機械COP的變化

3 結論

當發生溫度小于80 ℃時，噴射系數ER、系統性能系數COP和機械COP均隨著發生溫度的升高而變大，但當發生溫度大于80 ℃時，3個性能系數則隨著溫度的升高而減小；當蒸發溫度小于23 ℃時，3個性能系數隨著蒸發溫度的升高而變大，但當蒸發溫度過高時，其增加趨勢逐漸減小。

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Performance Analysis of Solar Energy Ejector Refrigeration System

LI Qing-pu*, TAO le-ren, LIU Xiao-de
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

An experimental study was carried out on the performance of a refrigeration system under different test conditions, in a solar energy ejector refrigeration system testing bench. During the experiments, the generation temperature, the evaporation temperature and the inlet temperature of cooling water can be regulated independently by electric heating. The results show that: If the generation temperature is less than 80oC, the injection coefficient, the refrigeration coefficient and the mechanical refrigeration coefficient are increasing with the increment of the generation temperature, however, when the generation temperature is more than 80oC, three parameters all become reducing with the increment of the generation temperature; when the evaporation temperature is below 23oC, three parameters increase with the rising of the evaporation temperature, and when the evaporation temperature attains a certain magnitude, the increasing tendency gets smaller.

Solar energy ejector refrigeration; Generating temperature; Evaporating temperature; Eject ratio

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.207

*李慶普（1991-），男，碩士研究生。研究方向：制冷系統強化換熱。聯系地址：上海理工大學制冷與低溫工程研究所，郵編：200093。聯系電話：18301933780。E-mail：1250223143@qq.com。