太阳能喷射制冷系统蒸发器设计参数的优化

张峰峰， 田 琦， 李风雷， 白慧峰

(1. 太原理工大学 环境科学与工程学院， 山西 晋中 030600； 2. 山西中绿环保集团有限公司， 山西 太原 030032)



太阳能喷射制冷系统蒸发器设计参数的优化

张峰峰1， 田 琦1， 李风雷1， 白慧峰2

(1. 太原理工大学 环境科学与工程学院， 山西 晋中 030600； 2. 山西中绿环保集团有限公司， 山西 太原 030032)

为研究蒸发器对太阳能喷射制冷系统性能的影响， 选出最优的蒸发器设计参数， 利用TRNSYS建立了太阳能喷射制冷系统模型,结合FLUENT建立了伴有相变的满液式蒸发器模型.以R141b为工质， 计算并分析了在典型气象年的7月11日， 蒸发器采用不同的制冷剂进出管位置X、 换热管管间距Sh和充液高度h时， 系统的制冷量Qe和综合性能系数COPz随冷凝温度和太阳辐射强度的变化结果， 在此基础上对蒸发器的设计参数进行了优化.结果表明： 其它参数一定时， 蒸发器的充液高度为筒体直径D的50%或55%时系统有较好的热性能表现； 蒸发器换热管管间距越大， 系统制冷量越大;制冷剂进出管距离太大或太小均会削弱系统制冷量， 且与筒体中心的水平距离X等于225 mm或375 mm时系统有较好的热性能.

太阳能喷射制冷； 系统热性能； 满液式蒸发器； 设计参数； 优化

0 引 言

太阳能喷射式制冷因结构简单、 不存在润滑问题、 运动部件少、 运行维护费用低等优点而被认为是最有效的方法之一[1]. 许多学者对太阳能喷射制冷系统进行了研究. Dorantes[2]、 Mani[3]、 Yapici[4]等分析了不同种类制冷剂对喷射制冷系统性能的影响. B. J. HUANG[5]、 魏新丽[6]等进行了喷射器结构对喷射制冷系统性能的影响研究. 田琦[7]等研究了集热器对太阳能喷射制冷系统性能的影响. 王倩[1]、 王子敬[8]等研究了不同形式的太阳能喷射制冷系统的性能. 何曙[9]、 郑慧凡[10]等进行了不同地区太阳能喷射制冷系统的应用性能研究. 学者们就蒸发器对太阳能喷射制冷系统性能的影响研究较少. 吴植华[11]在实验室小型装置上以R717为工质， 考察了液面深度对满液式蒸发器总传热系数的影响， 结果表明： 降低液氨浸没深度约5 mm对总传热系数影响甚微. 刘乃玲[12]分析了换热管管间距对管式蒸发冷却器性能的影响规律,结果表明： 管间距增大,传热系数增加. 以上研究大多是在设计状态下进行的， 而且就制冷剂进出管位置和充液高度对系统性能影响的研究还较少.

本文运用TRNSYS软件对太阳能喷射制冷系统进行了仿真模拟， 在此基础上运用FLUENT软件对伴有相变的壳管满液式蒸发器进行了数值模拟. 参考汽水转化公式[13]， 利用FLUENT软件的自定义函数(UDF)功能编写了质量源与能量源的转化程序， 并将其耦合到流动方程中. 分析了太阳辐射强度和冷凝温度变化时， 采用不同制冷剂进出管位置、 换热管间距Sh和充液高度h的蒸发器对整个制冷系统在运行期间的制冷量Qe和综合性能系数COPz的影响， 从而选出最优的蒸发器设计参数.

1 太阳能喷射制冷系统

1.1 系统物理模型

太阳能喷射制冷系统如图 1 所示， 主要由太阳能集热器、 蓄热水箱、 集热侧热水循环泵、 发生器、 发生侧热水循环泵、 喷射器、 冷凝器、 蒸发器、 工质泵及节流阀组成. 系统工作原理： 热媒水在太阳能集热器内吸热升温， 经过蓄热水箱和发生器， 最终将热量传递给制冷剂， 后者吸热变成高温高压蒸气(6)后从发生器进入喷射器喷嘴进行绝热膨胀， 变成高速低压的蒸气(1)， 该蒸气与被其抽吸于蒸发器的低温低压制冷蒸气在混合室混合、 在扩压段升压(2)， 接着进入冷凝器中放热变成液体(3)， 一部分冷凝液经节流阀降压进入蒸发器(4)再次制冷， 另一部分经工质泵升压进入发生器(5)再次吸热， 如此实现制冷循环.

图 1 系统工作原理图Fig.1 Principle diagram of system’s work

1.2 系统数学模型

忽略循环泵的功率以及其他热量,整个喷射制冷系统的热平衡式为

Qe+Qg=Qc.

喷射制冷系统的性能系数

太阳能喷射系统的性能系数

式中：Qe为系统制冷量， W;Qg为发生器吸收的热量， W;Qc为系统冷凝量， W;mg为喷射工质即系统一次侧的流量， kg/s；me为制冷工质即系统二次侧的流量， kg/s;μ为喷射系数；φsc为太阳能集热效率.

1.3 系统仿真模型

1.3.1 发生温度仿真

本文建立了TRNSYS模型来模拟太阳能喷射制冷系统的实时发生温度和一次侧流量并输出， 模型主要包括6个模块： 气象参数读入、 集热器、 集热侧热水循环泵及其控制、 发生器、 发生侧循环水泵、 结果输出.

图 2 系统仿真模型Fig.2 Simulation model of the system

为方便构建模型， 假设在系统运行期间， 发生器的传热系数和平均传热温差的大小始终为设计值.

系统集热侧热水循环泵运行参数的控制策略: 结合冷凝温度， 通过水泵的启停控制， 使发生温度对应于当时的最大喷射系数.

利用文献[14]确定模型各个模块的参数如表 1 所示.

表 1 模型模块的参数

利用TRNSYS模拟出系统发生温度和一次侧流量， 将发生温度导入到喷射器性能计算程序中， 运行得出发生温度对应的喷射系数曲线. 结合冷凝温度， 选出可能的最大喷射系数， 以此得出系统二次侧流量如表 2 所示.

表 2 通过蒸发器的制冷剂流量

1.3.2 蒸发器仿真

根据文献[15-16]设计壳管满液式蒸发器， 如表 3 所示.

表 3 蒸发器结构参数

以传热量为参考变量进行网格密度独立性验证. 最终以interval size=4.5的非结构性面网格和interval size=28的非结构性体网格对蒸发器进行划分， 网格数量在109万左右.

多相流模型采用Mixture， 设置基本相为液态制冷剂， 第二相为气态制冷剂； 设置折流板、 筒体壁面、 制冷剂进出管管壁为绝热边界， 进出口均采用质量流速定义； 壳侧流体的流态属于非定常流动， 因此釆用基于PISO算法的分离式求解器求解压力-速度耦合问题. 求解初始化后， 利用Region命令设置液相制冷剂的初始分布区域即定义充液量.

2 蒸发器充液高度对系统性能的影响

根据文献[15]模拟了X=650 mm,Sh=21 mm, 充液高度分别取蒸发器筒体直径D的45%, 50%, 55%, 60%, 65%时系统的热性能. 结果如图 3， 图 4 所示.

由图 3 可以看到： 蒸发器的充液高度为筒体直径的50%和55%时， 系统的制冷量较大. 相比较而言， 充液量太多或太少都会削弱系统制冷量. 这是因为影响管外沸腾传热强度的因素主要有两个[17]： ① 气泡在上升过程中引起的气液相对流强度； ② 气泡从管壁表面分离时的直径以及频率. 从图 4 可以看到充液高度为0.45D和0.50D时， 换热管管壁表面制冷剂的脱离速度比充液高度为65%D时的大， 即气泡从管壁表面分离的频率较大. 另一方面， 充液高度为0.45D时， 沿筒体内壁面流出的制冷剂比充液高度为0.50D时的多， 壁面的冷却作用使出口温度较低， 导致相同质量流量下的系统制冷量降低.

图 3 不同充液高度下的系统制冷量分布Fig.3 Distribution of the system’s refrigerating capacity under different initial liquid height

图 4 不同充液高度下蒸发器出口纵向截面制冷剂的速度矢量图Fig.4 Vector of velocity along longitudinal section at exit under different Initial liquid height

3 蒸发器换热管的管间距对系统性能的影响

根据文献[16]模拟了X=650 mm,h=0.55D,Sh=17, 18, 19, 20, 21 mm时系统的热性能. 模拟结果如图 5， 图 6 所示.

由图5可以看到： 其它条件一定的情况下， 随着换热管管间距的增大， 系统换热量总体来说在增大， 这个规律和刘乃玲[13]的研究结论是一样的. 因为如图 6 所示, 两个管间距下的气泡从换热管壁表面分离的速度值相差不大， 但是换热管管间距为17 mm时， 蒸发形成的气态制冷剂在换热管管间堆积， 导致该处局部温度和压力升高， 阻碍了传热. 实际上， 管间距越大， 管外气泡在上升过程中的自由运动距离就越长， 引起的气液相对流强度越大.

图 5 不同换热管管间距下的系统制冷量分布Fig.5 Distribution of the system’s refrigerating capacity under different tube spacing

图 6 不同管间距下蒸发器出口纵向截面制冷剂的速度分布Fig.6 Velocity distribution along longitudinal section at exit under different tubes’ spacing

4 蒸发器进液管和出液管位置对系统性能的影响研究

模拟了h=0.55D，Sh=21 mm,X=650, 525, 375, 225, 75 mm时系统的热性能， 结果如图 7， 图 8 所示.

由图7可以看到： 蒸发器进液管和出液管与筒体中心的水平距离为X=225 mm和X=375 mm 时， 系统制冷量较大. 进液管和出液管距离太近和太远都会使系统制冷量下降. 如图8所示， 3个参数下的蒸发器相比较，X=375 mm的蒸发器出口附近的温度较高. 因为进液会对蒸发器内的整个流场产生扰动作用， 制冷剂进出管距离太近， 有制冷剂会在这个作用下短路； 距离适中， 这个作用会促进管壁表面气泡的产生和上升； 距离太远， 出口处的流场受到的有利扰动较小.

图 7 不同进出液管位置下的系统制冷量分布Fig.7 Distribution of the system’s refrigerating capacity under different outlet and inlet-tube ’s location

图 8 不同进出液管位置下的温度分布Fig.8 Distribution of temperature under different outlet and inlet-tube ’s location

5 蒸发器设计参数优化

由以上分析可以看出， 系统蒸发器的设计参数采用h=0.55D,X=225 mm,Sh=21 mm的组合时， 系统有较好的制冷量表现. 此时系统其它热力性能表现如表 4 所示.

由表 4 可以看到： 在系统运行的时间段里， 由于控制模块的作用， 喷射系数单调减小. 这是因为发生温度越高， 对应的理论最大喷射系数越小. 而冷凝温度随着时间一直升高， 当其超过前一刻发生温度对应的临界温度时， 为了实现系统在理论最大喷射系数下运行， 控制系统将发生温度调高， 当冷凝温度继续升高， 超过了所有发生温度对应的临界温度， 控制系统重新调低发生温度， 使系统在小于理论最大但尽可能大的喷射系数下运行.

表 4 系统性能随时间的变化

表 4 还显示， 系统的综合性能系数COPz和制冷量Qe随时间变化的趋势是一致的. 因为太阳能集热效率φsc在系统运行的时间里变化幅度很小， 而在建立模型时， 假设系统通过发生器传递的热量始终为设计值.

6 结 论

1) 其它参数一定时， 蒸发器充液太多或太少均会削弱系统制冷量， 充液高度为筒体直径的50%或55%时系统有较好的热性能.

2) 蒸发器换热管的管间距越大， 系统制冷量越大.

3) 制冷剂进出管距离太大或太小都会削弱系统制冷量， 与筒体中心的水平距离为225 mm或375 mm时系统有较好的热性能.

4) 蒸发器设计参数采用h=0.55D,X=225 mm,Sh=21 mm的组合时， 系统有较好的制冷量和综合性能.

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Optimization on Design Parameters of Evaporator in Solar Ejector Refrigeration System

ZHANG Feng-feng1， TIAN Qi1， LI Feng-lei1， BAI Hui-feng2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Jinzhong 030600, China； 2. Shanxi Sinogreen Enviro Protection Group, Taiyuan 030032, China)

In order to study the effect of evaporator on solar ejector refrigeration system’s thermal performance and choose the evaporator’s optimal design parameters，a model of solar ejector refrigeration system was established using TRNSYS. Combining with FLUENT, a model of flooded evaporator with phase change was built. Using R141b as working medium, refrigerating capacityQeand coefficient of performanceCOPzof the system on 11th of July in typical meteorological year were calculated and analyzed as change of condensing temperature and solar radiation intensity when different outlet and inlet tubes’ locationX, heat-exchange tubes’ spacingShand height of initial liquidhwere employed. On the basis of all above, design parameters of evaporator were optimized. Results show that the system has better thermal performance with initial liquid at a height of 50% or 55% of cylinder diameter; the system’s refrigerating capacity is greater when the heat-exchange tubes’ spacing is larger; The refrigerating capacity of the system is weakened whether outlet and inlet tubes keep too far or too near, while, a horizontal distance of 225 mm or 375 mm from the center of the cylinder helps system presents better thermal performance.

solar ejector refrigeration; system’s thermal performance; flooded evaporator; design parameters; optimization

1673-3193(2016)06-0648-06

2015-12-31

国家国际科技合作项目(2013DFA61580)

张峰峰(1990-)， 男， 硕士生， 主要从事空调制冷新技术的研究.

TB6

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.06.016