无泵喷射式制冷系统性能的改进

徐 晓 唐黎明 罗江玉 陈光明

(1 浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027)(2浙江省制冷与低温技术重点实验室 杭州 310027)

无泵喷射式制冷系统性能的改进

徐 晓1,2唐黎明1,2罗江玉1,2陈光明1,2

(1浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027)(2浙江省制冷与低温技术重点实验室 杭州 310027)

为了优化喷射制冷系统，进一步降低喷射制冷中的电能消耗，实验研究了利用制冷剂自身重力通过阀切换回液的方法实现“无泵喷射式制冷”。主要研究了不同的阀切换频率对系统COP以及系统稳定性的影响。在保证喷射器正常工作、储液罐未储满且回液完全的条件下，切换频率由15次每小时降低到6次每小时时，发生器的温度波动由0.89 ℃升高到了2.23 ℃，系统的COP由0.285提高到了0.345。

制冷 无泵 喷射COP余热

1 引 言

喷射式系统、吸收式系统和吸附式系统是三大主流的低品位能源驱动制冷系统。其中，吸收式和吸附式制冷系统研究历史悠久，投入较大，已经有相应的制冷机产品，加之在太阳能研究方面，由于太阳能相对稳定且蕴含能量大，已经能为制冷系统提供稳定热源，因此，在稳定的工作环境下，吸收式和吸附式系统的研究已经获得较好的进展。D.S.KimaK比较了不同系统利用太阳能时的COP，认为喷射式制冷系统虽然结构简单、初投资低，但是其效率无法与吸收式、吸附式以及压缩式制冷系统相比[1]。Chunnanond和J.M.Abdulateef都较为详细的介绍了喷射器对太阳能的利用情况[2-3]。

在汽车废热利用和渔船应用方面，吸收式或吸附式系统由于体积较大、安装困难、初期投资高等原因，加之汽车和渔船存在颠簸问题，应用受到限制。相对而言，喷射式制冷系统具有初期投资低、运行稳定且可使用环保制冷剂的优势，伴随着喷射器设计及加工技术的提高，正受到越来越多的重视和研究[4]。

Wali于 1980年首次提出了以太阳能为热源的喷射制冷系统[5]。对制冷剂和喷射器以及动力机构泵和整个系统的研究成为喷射式制冷系统研究工作中的重点。喷射式制冷系统的缺点是效率低，所以对喷射制冷效率的提高是研究喷射式制冷的一个主要内容。20世纪90 年代，俄国的Sokolov[6]提出的增压喷射循环和压缩喷射混合循环比较引人注目。

提高系统性能的一个行之有效的方法就是喷射式制冷系统的无泵研究。循环泵作为喷射式制冷系统唯一的运动部件，在渔船、汽车等交通运输工具中，由发动机发电带动的循环泵会带来额外的能量损耗。并且，引发的振动可能影响制冷系统的效率，增大初期投资[7]。

Kasperski[8]等人提出了一种重力喷射式系统模型，对发生器、冷凝器和蒸发器内的压力情况进行了详细的模拟和分析。英国诺丁汉大学的 Nguyen 等人也于2001年提出了一种依靠重力回液的、水为制冷剂的太阳能喷射式制冷系统[9]。这两种系统均实现了重力回液，但是两种系统都需要很大的高度差，系统体积过大。为了使冷凝器和发生器的高度差最小化，需要选择高密度、低蒸汽压的制冷剂，故工质的选择也受到了很大的限制。

Srisastra[10]等人提出了利用制冷剂自身重力实现回液的无泵喷射式制冷系统，采用阀切换的方法将发生器的压力能传送给储液罐，实现压力平衡，储液罐内制冷剂可以直接通过重力作用流回发生器。但是该系统存在系统COP较低、周期性的回水蓄水会影响系统稳定性的问题。本文的实验台便是基于Srisastra提出的系统，研究阀切换频率对系统性能的影响，通过大量实验，得出了该系统的性能受蓄水时间和回水时间影响的结论。

2 实验装置和系统

图1为实验装置的系统流程图。该系统用水为工质，主要部件包括发生器、喷射器、冷凝器、蒸发器、储液罐、节流装置以及4个电磁阀，其中4个电磁阀与储液罐组成了阀切换系统，实现系统的周期性回水和蓄水，使系统正常运行，蒸发器中产生的冷量由外部循环水带走。

图1 无泵喷射式制冷系统流程图T.热电偶；P.压力传感器；M.质量流量计；V.浮子流量计；V1,V2,V3.手动阀；A1,A2,B1,B2.电磁阀。Fig.1 Diagram of pump free ejection refrigeration system

工作原理：实验分蓄水和回水两个部分。实验开始时，打开阀门B1和B2，关闭阀门A1和A2，工质在发生器中加热，形成高温高压的蒸汽，进入喷射器，引射来自蒸发器中的低温低压流体，两股流体充分混合后进入冷凝器冷凝，冷凝后的工质一部分经过U型管节流后进入蒸发器制冷，另一部分在重力作用下经过电磁阀B2进入储液罐，完成蓄水；经过一定时间后，关闭阀门B1和B2，打开阀门A1和A2，高温高压气体经阀门A1进入储液罐，平衡发生器和储液罐中的压力之后，因为储液罐高于发生器，储液罐中的工质在重力的作用下经阀门A2回到发生器，完成回水过程。电磁阀B1的作用是在下一个蓄水周期开始时，储液罐中的高温高压气体能够通过B1进入冷凝器冷凝，保证蓄水的正常进行。

该实验中，发生器采用电加热，功率可调。蒸发器产生的冷量由外部循环水带走，冷凝器的冷凝也由外部循环水完成。因为蓄水时间远大于回水时间，所以电磁阀A1和A2采用电开常闭型电磁阀，B1和B2采用电关常开型电磁阀。发生温度、冷凝温度、蒸发温度分别为150 ℃、54 ℃和13 ℃，发生器的最大加热功率为18 kW，冷凝器设计换热量为10 kW。喷射器各部件尺寸见表1。

表1 喷射器各部件尺寸Table 1 Dimensions of ejector

各测量仪器精度及误差范围见表2所示。

表2 测量仪器精度及误差范围Table 2 Instrument precision and error range

3 实验结果与分析

本研究目的是探究无泵喷射式制冷系统在稳定工作情况下，电磁阀的切换作用对整个系统性能的影响，实验中设定相同的发生温度、冷凝温度和蒸发温度，设定发生压力的初始值为86 kPa，加热方式采用恒定的加热量，通过改变切换频率，研究周期性回水对系统工作性能的影响。

系统运行过程中，储液罐蓄满之前，阀切换频率过低，蓄水时间过长，会导致一个周期内储液罐蓄水量增加，这样在回水时回到发生器中的工质就会增加，导致发生压力降低，所以储液罐的尺寸不能太大。为了使喷射器正常工作，必须保证喷射器出口的压力大于冷凝压力，发生压力不能过低。又因为回水周期内都需要将储液罐剩余液体上方空间内充满高温高压的气体，回水周期完成后，这些气体将会通过冷凝器冷凝浪费掉。如果阀切换频率太高，储液罐上方未充满液体的体积太大，则浪费热能。所以应该尽量减少储液罐上方未充满液体的体积。

综上，系统的最佳状态是确定的：储液罐的最大体积应该是不要让发生器压力下降到极限为设计前提，蓄水周期的时间应该是尽量让储液罐充满，回水周期的时间是让储液罐中的液体放完。总的原则是减小储液罐上方未充满液体的体积。

实验中，回水时间设定为30 s时，不同阀切换频率下系统试验结果的部分参数如表3所示，当切换频率从每小时15次降低到每小时6次时，系统的发生温度波动由0.89 ℃升高到了2.23 ℃，系统的平均COP由0.285升高到了0.345，系统性能显著提高。

表3 回水时间30 s时不同切换频率下系统性能Table 3 Relationship between system COP and frequency of valve switching under liquid return time of 30 s

3.1 切换周期下发生压力的变化

系统中发生器的发生压力设计值为86 kPa、蒸发压力设计值为0.9 kPa，实验台的储液罐在阀切换频率为每小时6次时能够蓄满，在86 kPa的发生压力下储液罐蓄满水后回水完全需要30 s，故阀切换的回水时间设定为30 s、切换频率为每小时6次时，发生压力随时间的变化如图2所示。储液罐蓄水20 min后进入回水周期，回水30 s，发生压力由86.1 kPa降到82.9 kPa。之后进入下一个蓄水过程，发生压力在发生器的恒定加热量下逐渐增大。在进入下一个回水过程时，发生压力回到了初始设定值86.1 kPa，实现了系统的稳定运行。

图2 发生压力随工作时间变化Fig.2 Relationship between pressure of generator and working time

3.2 回水时间对系统工作性能的影响

在回水周期内，储液罐中的低温工质在重力作用下进入发生器中，发生器的加热量恒定，所以发生温度和压力必然降低。但是只要发生压力不降低到喷射器正常工作的临界压力，系统的性能就不会受到影响。

图3为回水时间对系统性能的影响。回水时间受回程阻力、发生压力、回液总量等因素的影响，调节蓄水时间相同，因为加热量恒定，系统工况一定，所以回水完全的时间相同。当回水时间由20 s上升到40 s时，在实验的工况下，系统COP由约0.24下降到了0.20。

图3 回水时间对系统性能影响Fig.3 Relationship between system COP and liquid return time

图4为回水时间对发生器压力的影响。由图可以看出，随着回水时间的增加，发生压力下降由约2.0 kPa上升至约3.8 kPa。回水阶段，影响系统性能的是回水的量与加热功率的比值，单位加热功率的回水量越小，对系统性能的影响就越小。所以系统的回水时间应该设定为系统回水完全的时间。

图4 回水时间对发生器压力影响Fig.4 Relationship between the pressureof generator and liquid return time

3.3 蓄水时间对系统工作性能的影响

蓄水时间与回水时间以及喷射器的质量流量是相互耦合的，蓄水时间的最大值由储液罐的容积决定，并对系统的性能会产生影响。如图5所示，在不同的回水时间下，当蓄水时间增加时，系统性能会显著增加。但是因为实验条件所限，当蓄水时间达到23 min时储液罐蓄满，无法继续增加蓄水时间，切换系统工作受到影响。

图5 蓄水时间对系统性能影响Fig.5 Relationship between system COP and water storage time

图6为不同回水时间下蓄水时间增加时，蓄水时间对发生器压力的影响。蓄水时间越长，储液罐中的低温工质相应增加，回水时必然会导致发生器内压降增加。所以图5中回水时间为30 s时的系统COP会略低于回水时间为20 s时的系统COP。

图6 蓄水时间对发生器压力的影响Fig.6 Relationship between system COP and pressure of generator

3.4 蒸发压力对系统性能的影响

在不同的回水时间下，固定蓄水时间为12 min时，系统性能随蒸发压力的变化如图7所示。

图7 蒸发压力对系统性能的影响Fig.7 Relationship between system COP and evaporating pressure

发生压力相同时，提高蒸发压力会使得系统的COP随之得到提升。在不同的回水时间下，通过实验可以看出，缩短回水时间会略微提高相同蒸发压力条件下的系统COP。

3 结 论

实验主要研究了该无泵喷射式制冷系统的阀切换回水中，蓄水时间、 回水时间对系统发生压力以及系统性能的影响。同时验证了系统拥有确定的最佳状态的结论。由实验结果可以看出，该无泵喷射式制冷系统能够稳定运行。在回水周期，回到发生器中的制冷剂会造成发生压力下降而使喷射器工作不稳定，故在实际工作中有必要严格控制回水量。

在喷射器能够正常工作的前提下，系统的COP随着系统蓄水时间的增加而增加，所以在保证喷射器正常工作的前提下应该尽可能延长蓄水时间，使储液罐完全充满液体，同时应保证回水完全，从而优化系统性能。

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2 Chunnanond K, Aphornratana S. Ejectors: Applications in Refrigeration Technology[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2004(8):129-155.

3 Abdulateef J M, Sopian K, Alghoul M A, et al. Review on solar-driven ejector refrigeration technologies[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009(13):1338-1349.

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

Zhang Yufeng,Li Canhua,Sun Ping, et al. A new cycle research in ejector refrigeration[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 1999,20(4):405-409.

5 Wali E. Optimum working Fluid For Solar Powered Rankine Cycle Cooling of Buildings[J]. Solar Energy, 1980,25(3):235-241.

6 Sokolov M, Hershgal D. Enhanced ejector refrigeration cycles powered by low grade heat (part 1,2) Systems characterization[J]. International Journal of Refrigeration, 1990,13(9):351-363.

7 彭光前, 李苏泷, 王蒙蒙,等. 无泵循环喷射式制冷系统比较分析[C].江苏省制冷学会第七次会员代表大会暨学术交流年会, 2013:37-41.

Peng Guangqian, Li Sulong, Wang Mengmeng, et al. Comparison and analysis of the ejector cooling systems without pump[C].Annual meeting of the seventh member congress and academic exchange conference of Jiangsu Refrigeration Association,2013:37-41.

8 Kasperski J. Two kinds of gravitational ejector refrigerator stimulation [J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29:3380-3385.

9 Nguyen V M, Riffat S B, Doherty P S. Development of a solar-powered passive ejector cooling system[J]. Applied Thermal Engineering, 2001,21:157-168.

10 Srisastra P, Aphornratana S, Sriveerakul T. Development of a circulating system for a jet refrigeration cycle[J]. International Journal of Refrigeration, 2008:31.

Performance improvement of a pump-free ejector cooling systems

Xu Xiao1,2Tang Liming1,2Luo Yujiang1,2Chen Guangming1,2

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics,Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)(2Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310027, China)

In order to achieve an optimal performance and further decrease power consumption of ejection refrigeration, the gravity of refrigerant is utilized. By switching valves when the liquid flows back to generator, it realizes the purpose of pump-free ejection refrigeration. The experiment focuses on effect of the frequency of valve switching on the system’s performance and stability. The results show that the frequency of valve switching from 15 times per hour to 6 times per hour under the condition that the ejector works well, storage tank is not full and the fluid completely returns to the generator, theCOPof the system increases from 0.285 to 0.345 with the temperature change of generator from 0.89 ℃ to 2.23 ℃.

refrigeration; pump-free; ejection;COP; waste heat

2016-04-27；

2016-06-01

徐 晓，男，26岁，硕士研究生。

TB61,TB65

A

1000-6516(2016)03-0041-05