太阳能喷射式制冷系统的实验研究

马国强,陶乐仁

（上海理工大学能源与动力学院，上海 200093）

太阳能喷射式制冷系统的实验研究

马国强*,陶乐仁

（上海理工大学能源与动力学院，上海 200093）

本文主要对太阳能喷射式制冷系统进行实验调试以及实验研究，采用电加热辅助太阳能加热的方法，研究了发生器和蒸发器温度对系统性能的影响。给出了太阳能集热器水箱的水温与时间的变化关系图，以及发生器和蒸发器温度与喷射系数ER、性能系数COP和机械性能系数COP之间的变化关系图，实验结果很好地反映了发生器温度和蒸发器温度对太阳能喷射制冷系统的性能影响。

太阳能；喷射式制冷；发生温度；蒸发温度；喷射系数

0 引言

随着科技的发展、人民生活水平的不断提高，空调行业的耗能也在不断地增加，能源紧缺和环境恶化问题引起了重视，利用太阳能是解决能源环境问题最有效的方法[1]。早在20世纪初就出现了蒸汽喷射式制冷系统，但由于其自身效率低、水蒸气比容大所造成的冷凝器体积过大等原因，不久就退出了应用领域。随着喷射器理论的完善和新型工质的研究成果的实现，太阳能喷射式制冷系统以其结构简单和运行稳定的特点吸引了人们的注意力[2]。

太阳能喷射制冷系统是以喷射器代替传统压缩制冷的压缩机进行制冷。目前西方国家主要集中在喷射器的流体流动相变研究，提出了等压混合理论和等面积混合理论[3]。我国研究者在制冷剂优化替代方面也取得了很好的效果[4]。虽然国内外对这个系统进行了很多研究，但是由于 COP较低的限制，太阳能喷射式制冷系统并未得到很好的推广。本文旨在以电加热辅助太阳能加热的系统为基础，找到不同工况的变化规律，进而为太阳能喷射制冷系统的发展提供基础资料[5]。

1 实验装置系统介绍

实验台是以R141b作为制冷剂的太阳能喷射式制冷系统实验台。实验台电加热器采用一台加热功率为14 kW的水箱加热器。作为辅助加热热源，加热器配以一台可测控电柜。加热器水箱使用一台水泵供应热水。电加热器和太阳能集热器加热过程类似，调节电加热器的输入功率即可模拟太阳能辐射变化时太阳能集热器收集到的热量。当太阳能集热器收集的热量不足以满足系统要求时，可采用电加热器辅助加热以补充所需要的能量。本文研究考察了上海地区7月份太阳能喷射制冷系统试验台的运行情况。

图1 太阳能喷射式制冷系统原理

2 数据分析

2.1 太阳能集热器水箱温度的测量

根据气象数据，上海地区7月份标准日气温和太阳能总辐射量随时间的变化关系如图2所示。同时对太阳能集热器水箱温度进行了测定，记录了从早上9点到下午17点的数据，连续测量了1周时间，各时间点的平均水箱温度如图3所示。

实验数据显示，上海地区7月份总辐射量在10点左右达到了最大值，而气温在下午 14点左右达到最大值。图3可以看出，太阳能集热器水箱水温维持在75 ℃以上的时间大约为5 h，最高温度可达93 ℃。因此，夏季上海地区7月份只需要少量辅助热源就可以满足系统设计所需的发生温度。

图2 上海地区7月份标准日气温和太阳能总辐射量随时间的变化关系

图3 一周内各时间点的太阳能集热器水箱平均温度统计数据

2.2 发生温度对系统性能的影响

实验蒸发温度控制在 20 ℃，冷凝温度控制在36 ℃，室内环境温度为 31.4 ℃，发生温度分别控制为75 ℃、80 ℃、85 ℃、90 ℃和93 ℃工况下对系统进行实验，实验结果如图4～图6所示。

图4 喷射系数与发生温度的变化关系

图5 性能系数COP与发生温度的变化关系

图6 机械COP与发生温度的变化关系

由图4～图6可以看出，喷射系数ER、系统性能系数COP和机械COP都随发生温度的增加呈现先上升然后下降的趋势。当发生温度为 80 ℃左右时，喷射系数ER、性能系数COP和机械COP都出现了最佳值，分别是0.293、0.182和1.463。

发生温度的影响：实验系统性能在发生温度为80 ℃左右时出现了峰值，当发生温度大于 80 ℃时喷射系数ER和性能系数COP出现了下降。经分析是由于喷射器的结构决定的。因为喷射器的设计工况为发生温度85 ℃、冷凝温度38 ℃、蒸发温度8 ℃，由于喷射器的结构是固定的，当工况条件发生变化时，喷射系数受到混合截面积的限制不随着发生温度的升高而一直增大，当蒸汽流量达到某一值时，喷管喉部的速度也达到了壅塞速度，此时进一步提高流量也不会产生更好的卷吸效应。因此，在发生温度大于 80 ℃时，喷射系数 ER、性能系数 COP和机械 COP都出现了下降趋势。因此对于固定结构的喷射器在一定的蒸发温度和冷凝温度工况下，具有一个最佳的发生温度。

2.3 蒸发温度对系统性能的影响

实验控制发生温度在85 ℃，冷凝温度在34 ℃，室内环境温度为 30.7 ℃，蒸发温度分别控制在20 ℃、21 ℃、22 ℃、23 ℃、24 ℃和 25 ℃时，经计算分析的实验结果如图7～图9所示。

由以上实验结果可以看出，喷射器的喷射系数ER、系统性能系数COP和机械COP都随蒸发器温度的升高呈上升的趋势，喷射系数ER由0.273上升至0.324，系统性能系数COP由0.172上升至0.211，机械COP由1.352上升至1.744。

图7 喷射系数ER与蒸发温度的变化关系

图8 性能系数COP与蒸发温度的变化关系

图9 机械COP与蒸发温度的变化关系

蒸发温度的影响：从实验数据可以看出，随着蒸发温度的升高，喷射系数ER、性能系数COP和机械 COP呈逐渐增大的趋势。原因是蒸发器内的引射流体需经过蒸发、混合和扩压的过程，达到完成整个系统的喷射制冷过程，因此，蒸发温度越高，单位质量的引射流体卷吸压缩所需要的工作蒸汽的能量越低，即喷射系数ER、性能系数COP和机械 COP越大，因此随蒸发温度的升高呈现逐渐增大的趋势。但是，整个过程增大的趋势的斜率在逐渐变小，这是由于固定结构的喷射器限制了喷射系数ER增加的趋势，进而影响了性能系数COP和机械COP。

2.4 误差分析

发生蒸汽是系统运行的驱动，发生温度对系统的运行性能有着重要的影响。本实验装置是通过调节制冷剂和热水介质的流量、热水的进出口温度控制发生器出口蒸汽的温度。由于实验台实验条件所限，冷凝器水侧流量不稳定引起了工质泵进口压力波动，进而导致泵的流量出现波动；发生器温度测量的是发生器出口壁面的温度，发生器内部发生的是复杂的相变换热过程，出口温度本身就较难控制；热水介质的流量是由人为操作控制的。以上各因素均会对实验带来一定的误差。

蒸发温度的高低也是评价系统制冷性能的一个重要指标。系统刚开始运行阶段，发生温度和压力较低，喷射器器还不具备喷射制冷能力，而发生蒸汽的流动过程中热量通过管路导热传递到了蒸发器桶内；另外，较低温度和压力的发生蒸汽，经过喷嘴时发生了部分回流，导致蒸发温度在系统运行初期会有所升高。除此以外，蒸发器的保温材料不够严密，有一部分环境热量漏入蒸发器内部，对蒸发温度有一定影响；实验室所用压力表的分度值比较大，读取压力值时也会产生一定误差。因此，以上各因素均会对实验带来一定的误差。

3 结论

在对太阳能喷射式制冷系统的理论研究基础上，建立了一套以电加热辅助太阳能加热的太阳能喷射制冷系统实验台。通过测量制冷主系统的温度和压力，研究了这套系统的发生温度和蒸发温度与喷射系数ER、性能系数COP和机械COP之间的变化关系。通过对实验结果的分析，可得出以下结论。

1）太阳能集热器的调试过程中，可以确定上海地区七月份的太阳能集热器加热水的温度能够达到实验要求的发生温度，但是水温维持的时间较短，还需要其它热源进行辅助。

2）对于固定结构的喷射器在工况条件发生变化时，由于喷射器混合截面积的限制，喷射系数ER不会随着发生温度的升高一直增大。在一定的蒸发温度和冷凝温度工况下，喷射器对应一个最佳发生条件。

3）在发生温度为 85 ℃时，蒸发温度从 20 ℃到 25 ℃逐渐升高，喷射系数 ER由 0.273上升至0.324，系统性能系数COP由0.172上升到0.211，机械COP由1.352上升到1.744。

4）对于调试阶段发生器温度的波动以及蒸发器温度的上升等问题，可从冷凝水侧、系统保温和管路的流量匹配等方面进行改进，以进一步提高系统的稳定性。

[1]赛迪顾问股份有限公司.中国新能源产业“十二五”发展规划前瞻[J].能源产业研究,2010(1): 4-33.

[2]张博,沈胜强.太阳能喷射式制冷系统性能分析[J].太阳能学报,2001,22(4): 451-456.

[3]HUANG B J,CHANG J M,PERRENKO V A.A solar ejector cooling system using refrigerant R141b[J].Solar Energy,1988,64(4-6): 223-226.

[4]SOKOLOV M,HERSIIGALD.Optimal coupling and feasibility of a solar-powered by year-round ejector air conditioner [J].Solar Energy,1993,50(6): 507-516.

[5]方承超,赵军,徐律.利用低焓能的压缩-喷射制冷系统的研究[J].工程热物理学报,1995,16(1): 5-8.

[6]顾兆林,闵东红.新型CH3OH-LiBr-ZnCl2吸收-喷射制冷系统变工况分析[J].太阳能学报,1998,19(3): 254-259.

[7]张于峰,李灿华,孙平.新型喷射制冷循环的研究[J].工程热物理学报,1999,20(4): 405-409.

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

*马国强（1989-），男，在读研究生，硕士。研究方向：太阳能喷射制冷。联系地址：上海市杨浦区军工路516号南校区5公寓一号楼117室，邮编：200093。联系电话：18817848947。E-mail：maguoqiang.1989@163.com。