太阳能喷射式制冷系统性能分析

李庆普，陶乐仁，刘效德

（上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093）

太阳能喷射式制冷系统性能分析

李庆普*，陶乐仁，刘效德

（上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093）

本文通过新搭建的太阳能喷射式制冷循环试验台运行试验，对不同工况下制冷系统的性能进行了研究。实验过程中，采用电辅助加热即可实现对发生温度、蒸发温度、冷却水的温度和流量等参数的独立调节。实验研究结果表明，当发生温度小于80 ℃时，喷射系数ER、系统性能系数COP、机械COP等3个性能系数均随着发生温度的升高而变大；但当发生温度大于80 ℃时，这3个性能系数则随着温度的升高而减小；当蒸发温度小于23 ℃时，这3个性能系数随着蒸发温度的升高而变大，但当蒸发温度过高时，其增加趋势逐渐减小。

太阳能喷射式制冷；发生温度；蒸发温度；喷射系数

0 引言

喷射式制冷系统同吸附式制冷相同，可以利用太阳能、废热等低品位能源[1]。但是，由于其制冷效率过低，其研究工作曾一度停滞。近年来随着人们对能源环境问题的重视，喷射式制冷系统的研究有了新的进展[2-4]。喷射式制冷系统具有结构简单、运行可靠、无震动的特点，但喷射式制冷最大的问题在于其制冷效率过低，这也为以后对喷射式制冷的研究提供了方向。

研究太阳能喷射式制冷系统即探究在不同温度、压力等状态参数下的制冷过程中，发生器、蒸发器、冷凝器运行条件的改变对系统的性能及喷射器的喷射系数的影响规律，从而设计改进的方案，优化喷射器的设计，完善太阳能喷射式制冷系统。

1 实验原理及误差分析

1.1 喷射式制冷循环

太阳能喷射式制冷是以太阳能作为驱动能源，采用喷射器代替压缩机，利用喷射器中喷嘴产生的高速流体形成一定的真空度来引射蒸发器出口制冷剂而进行工作的[5]。主要部件包括太阳能集热器、发生器、喷射器、冷凝器、蒸发器、膨胀阀和泵，系统结构如图1所示[6]。

图1 太阳能喷射式制冷系统结构图

集热器吸收太阳能，加热水箱内的水供系统发生器使用。在发生器中，制冷剂吸热气化、增压，变为高温、高压饱和蒸气。饱和蒸气进入喷射器后，经渐缩渐扩喷嘴高速喷出、膨胀，产生抽吸作用，进而将蒸发器中的低压蒸气吸入喷射器，这两股制冷剂蒸气在喷射器中混合、升压。由喷射器出来的混合气体进入冷凝器进行放热、液化成为饱和液体。然后，冷凝液分为两股，一股通过节流阀降至蒸发压力后进入蒸发器，在蒸发器内吸热、气化，完成制冷循环；另一股则通过循环泵升压后，再次进入发生器中，其压焓图见图2。

图2 太阳能喷射式制冷循环压焓图

该制冷系统主要包括两个回路，即能量转换回路和制冷回路。前者制冷剂经工质泵升压进入发生器，发生器与冷凝器之间的部分是正向卡诺循环，为系统压缩提供动力。后者制冷剂经膨胀阀节流后流经蒸发器，蒸发器与冷凝器之间的部分为逆向卡诺循环，完成制冷负荷。

1.2 实验装置工作原理

1.2.1 喷射器的设计

喷射器作为喷射式系统的核心部件，其性能的好坏直接影响整个系统的性能。本文采用的喷射器结构如图3所示，主要由喷嘴、吸入室、混合室和扩压室构成。高温高压的工作流体在喷嘴内进行绝热膨胀，压力逐渐降低，速度逐渐提高，在喷嘴出口处形成超音速流体。压力较高的引射流体进入压力低的吸气室，两者在混合室内等压混合，进行能量与热量的交换直至达到平衡。超音速的混合流体在扩压室入口产生激波，使得混合流体压力升高，流速降为亚音速，待流体完全进入扩压室后，压力将继续升高，速度进一步降低，最终在扩压室出口升高到一定背压[7]。

图3 喷射器的结构图

喷射器的设计原理基于空气动力学方法，参考索科洛夫等所著的《喷射器》[8]一书，计算过程采用等马赫数梯度法[9]。

等马赫数梯度法核心公式为下列式(1)～式(3)：

式中：

Ai——喷射器第i处截面面积，m2；

Mai——第i处马赫数；

Pi——第i处的压力，Pa；

r——制冷工质的绝热指数；

下标i为喷射器各截面的几何位置。

喷射器的各截面尺寸都是以等马赫数梯度的核心公式进行计算的，轴向尺寸设计根据经验公式所得，具体结构就不再阐述了，其主要尺寸见表1。

根据郭建[9]的研究表明，等马赫数设计方法使喷射器的结构设计与内部流动相对应，减少了由激波产生的流动损失，提高了喷射器的性能系数。

表1 喷射器主要尺寸

1.2.2 设备简介

系统采用真空管集热器吸收热源，并辅以电加热，以保证试验运行中水箱内温度的恒定，同时满足实验过程中发生温度的调节。热水进入发生器（忽略热水箱至发生器间管路的热损失）与制冷剂进行热交换[10]。

真空管集热器由25根真空管组成，每根集热管涂层均采用三靶镀膜技术，其太阳吸收比高达0.95，可以更好地吸收太阳能辐射。除此之外，集热器还需其他辅助设备，主要有供水泵、水位计、温度计、传感器等，与辅助电加热、温度控制器一起控制水温，定量放水。

该制冷系统主要由发生器、蒸发器、冷凝器、节流阀、工质泵、水泵等部件组成，如图1所示。各部件的选型以实现实验装置的“微型化”为目的，以缩小试验台所占空间，强化系统换热。

发生器：为提高换热效率，选用型号为AC-70X-12M-F的板式换热器，其热交换量由水箱内水的循环流量和换热温差设定。水箱内水温由太阳能加热，由电加器补偿恒定，加热量由调压调功器及温控器自动控制。研究表明[11]，发生器部分的火用损失占系统的㶲损失的11.5%，采用板式换热器加强了系统的热交换性能。

蒸发器：采用满液式蒸发器，以电加热平衡法测量制冷量。加热量由温度模块和调压模块通过PID控制调节，可控制温度精度为0.1 ℃。实验前对蒸发器进行漏热量标定，求解蒸发器漏热系数，以保证实验测量精度。

冷凝器：使用型号为G-WN-27-5IV的壳管式水冷冷凝器，通过水侧调节控制冷凝温度，以减少喷射器出口压力的波动。冷凝量主要通过冷却水的进出口温度和流量来控制。

其他部件：工质泵采用隔膜泵，而发生器侧水泵、冷凝器侧水泵均采用无垢增压泵。

实验的测控系统主要由数据采集模块、组态软件和PC机组成，并在工作流体出口和引射流体管道入口各安装一个闸阀，对工作流体和引射流体压力进行手动控制。

采用研华ADAM-5510E系列模块监控系统参数，把温度、压力信号转换为数字信号，经过RS232C串行口传输到PC机。使用ForceContril V6.1组态软件开发太阳能喷射式系统的数据采集程序，实现实验数据采集、数据处理、数据显示、数据保存、报表打印以及对制冷系统的全面控制。

实验使用热电偶测量工作流体、引射流体在各所需测量点的温度，温度误差在±0.1 ℃。根据所需测试目的和测试要求在系统回路中的相应位置安装压力表，压力表精度等级为0.02，表盘满刻度为1 MPa。

1.3 数据导出及误差分析

喷射式制冷系统的输入能量为输入发生器的热量和泵消耗的机械能。实验仪表所测得的温度、压力值经refprop物性软件分析可得对应各点焓值，再利用相应公式计算系统COP，分析系统运行性能[12-13]。

系统的制冷量为蒸发器中引射流体进、出口焓差：

发生器的换热量为发生器中工作流体进、出口焓差：

冷凝器的散热量为冷却水的进、出口焓差也是发生流体与引射流体在发生器的换热量：

工质泵消耗的功率为工作流体经过泵之后能量的增量：

喷射系数是喷射式系统性能评价的重要参数，表示单位工作流体经过喷射可以卷吸引射流体的质量：

制冷系统性能系数COP：

对于太阳能喷射制冷，通常采用机械来评价系统的性能：

式中：

me——引射流体的质量流量，kg/s；

h9——蒸发器出口焓值，kJ/kg；

h8——蒸发器进口焓值，kJ/kg；

mg——工作流体的质量流量，kg/s；

h3——发生器出口焓值，kJ/kg；

h1——发生器进口焓值，kJ/kg；

h6——冷凝器出口焓值，kJ/kg；

h7——冷凝器进口焓值，kJ/kg。

为保证实验参数的精确性，实验前需对测量仪表进行校核。对热电偶进行标定时，把热电偶与标准热电阻浸入恒温水浴，调节恒温水浴温度，间隔采集每个热电偶数值；对压力表进行标定时，系统内充放氮气，采用高精度的压力传感器作为参考标准，并对制冷循环主系统、太阳能子循环系统进行调试，以期制冷主系统正常运转，太阳能系统足以提供稳定热源。制冷工质物性参数的误差主要来源于基础数据误差（温度、压力）与定性温度误差，当热电偶温度测试精度为±0.1 ℃时，各物性参数相对误差为±0.3%，分析中均按±0.5%取值。

2 实验数据结果分析

实验开始前首先对水箱中的水加热，用水箱中的水对发生器中的制冷剂液体进行加热直至达到设定温度。开启发生器下部的阀门，打开制冷剂泵，使泵的出口压力高于发生器的压力。打开水冷冷凝器的冷水阀门，然后开启系统各个阀门，系统开始运转。通过调节系统中电加热功率和冷凝水流量，使系统在正常状态下运行。系统稳定后，调节水箱电加热和蒸发器电加热到自动调节档，温度值3 s自动记录一次，压力5 min记录一次，同时记录水箱和蒸发器的电加热功率。

使用单一变量法，分别测定当发生温度、蒸发温度变化时，喷射器的喷射系数ER、制冷系统性能系数COP、机械COP的变化，试验工况见表2。

表2 试验工况

由热力学计算[14]分析可知，发生温度越高，工作流体的卷吸能力越大，单位质量的工作流体卷吸的引射流体越多；蒸发温度越高，引射流体压力越大，则其卷吸工作流体的能量越低，因此喷射器的喷射系数ER、制冷系统性能系数COP和机械COP随发生温度的增加而增加，也随着蒸发温度的增加而增加。

由图4可知，当发生温度小于80 ℃时，喷射系数ER、系统性能系数COP和机械COP均随着发生温度的升高而变大，但当发生温度大于80 ℃时，3个性能系数则随着温度的升高而减小；由图5可知，当蒸发温度小于23 ℃时，3个性能系数随着蒸发温度的升高而变大，但当蒸发温度过高时，其增加趋势逐渐减小。

对于3个性能系数随蒸发温度、发生温度的非常规变化，经分析其是由喷射器固定的结构造成的。虽然实验的工况条件发生变化，但喷射器的结构并不随发生温度、蒸发温度的变化而变化。发生温度、蒸发温度的变化只能改变工作流体、引射流体进入喷射器的压力，进而影响两者在喷射器内的能量、动量交换，但当温度到一极限值时，温度的升高非但不会增加系统性能，还会带来一定负面影响。喷射器的结构是影响系统动态性能的主要因素，因此，在实际应用时的系统设计过程中可对于一个系统采用多个喷射器随不同的使用工况进行调节，使系统运行性能始终保持最佳。进一步探索喷射器内部流动规律，优化喷射器内部结构尤其是发生壅塞流的截面结构，对于提高系统性能具有极其重要的意义。

相对整个系统，对除喷射器之外的其它部件的性能分析对实验的稳定运行也及其重要。天气的变化难以使发生温度达到实验所需要求，或者导致发生温度难以长时间保持稳定，故还需要其它辅助能源。系统的换热部件、管路极易受环境温度的影响，间接影响实验参数测量的准确性，所以说不仅要对系统仪表进行必要的校核，还要在冷凝水测、系统保温、管路的流量分配等方面加以改进，提高系统整体系能。

图4 不同发生温度下，喷射系数ER、性能系数COP和机械COP的变化

图5 不同蒸发温度下，喷射系数ER、性能系数COP和机械COP的变化

3 结论

当发生温度小于80 ℃时，喷射系数ER、系统性能系数COP和机械COP均随着发生温度的升高而变大，但当发生温度大于80 ℃时，3个性能系数则随着温度的升高而减小；当蒸发温度小于23 ℃时，3个性能系数随着蒸发温度的升高而变大，但当蒸发温度过高时，其增加趋势逐渐减小。

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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

*李庆普（1991-），男，硕士研究生。研究方向：制冷系统强化换热。联系地址：上海理工大学制冷与低温工程研究所，邮编：200093。联系电话：18301933780。E-mail：1250223143@qq.com。