太阳能喷射式制冷系统性能研究

陈怡然

(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

0 引言

一直以来，蒸汽压缩式制冷系统因其结构紧凑且高性能的特点得到广泛关注和应用，但高能耗是其主要缺点。由于现代社会人们对于热舒适性的需求和关注越来越高，使得制冷系统的使用量快速增加，因对建筑物进行空气调节而形成的电力需求也随之上升。火力发电在现阶段仍是电能获得的主要途径，但能量利用率低，环境和人体也受到危害，减少对电能的依赖具有巨大的经济、环保及人类健康效益。绿色环保的可再生能源的开发与利用越来越受到重视，其中低温余热和可再生能源的利用更是受到人们关注，太阳能喷射式制冷系统就是研究热点之一，拥有广阔的发展前景。太阳能喷射式制冷系统用喷射器取代了传统制冷系统中的压缩机，仅利用低品位热源而不消耗电能[1]，符合目前节能环保的主流要求，并因其体积小、可靠性高、结构简单、无化学腐蚀、初始价格及维护成本低廉等特点，成为了基于传统压缩机的制冷系统的可替代方案。

1950年Keenan.H等人[2]对流体在喷射器内流动进行了全面研究，得出了喷射器的一维定压理论，后经多位学者对该理论进行了完善；2014年刘娜[3]研究得出喷嘴扩张角小于8°～16°或喷嘴扩张角在30°～40°范围以内时，喷射系数较为良好，采用流线型结构也可以提高系统性能；Yan[4]在2012年经过研究证明，喷射系数与面积比及喷嘴出口的变化密切相关；季红军[5]在2007年利用标准标准模型，通过CFD模拟得出不同喷嘴位置对喷射器性能会产生影响，同时存在一个喷嘴最佳位置；闫珺等人[6]在2014年对喷射器进行三维建模，通过MATLAB研究其几何结构，得到喷嘴面积比对系统性能无太大影响的结论，同时计算出了喷射器截面之间最佳几何面积比。在工况对系统性能影响方面目前研究相对较少，因此本文将探究系统运行工况参数对系统性能的影响以及各工况参数所产生影响的比重，并以系统性能系数作为评价标准。

1 太阳能喷射式制冷系统的工作原理

1.1 太阳能喷射式制冷系统工作原理

基本的喷射式制冷循环如图1(a)所示。太阳能喷射式制冷系统循环如图1(b)所示，其中发生器及太阳能集热器可由一个热管式真空管集热器代替，其制冷系统工作过程p-h图如图2所示。其基本工作原理为：过程6-5为制冷剂液体在发生器中转变为高温高压制冷剂蒸汽，即工作流体；过程1-3为制冷剂液体在蒸发器中变为低温低压制冷剂蒸汽，即引射流体；过程5-2为工作流体在拉伐尔喷管中运动，后卷吸引射流体；过程2-4与3-4为引射流体被卷吸进吸入室后与工作流体充分混合为混合流体；过程4-7为混合流体流经混合室与扩压室后，通过热质交换形成速度、压力、温度均匀的中温中压混合流体；过程8-7为从喷射器出来的混合流体在冷凝器内冷凝为液体；冷凝后的制冷剂分为两路，其中一路为过程8-1经节流阀等焓降温降压为低温低压液体后，进入过程1-3在蒸发器产生冷量，蒸发为低温低压引射流体；另一路过程8-6将被制冷剂循环泵升压至高压饱和液体后，进入过程6-5在发生器吸热蒸发为高温高压工作流体。

图1 喷射式制冷循环工作原理图

图2 工作过程p-h图

1.2 喷射器内流体工作原理

其工作过程h-s图如图3所示。图中点5表示工作流体进入喷管前初始状态，点3表示引射流体进入吸收室之前的状态。工作流体在喷嘴和混合室渐缩段膨胀，压力由pp下降为pe，其膨胀末状态点2表示。工作流体和引射流体在混合室定压混合后如点4，进入扩压室，动能转化为压能和热能，混合气体状态由点4变化为点7，压力由pe提高到pc。

2 建立制冷系统模型

图4所示为太阳能喷射式制冷系统循环图，该循环由太阳能集热器、发生器、喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀以及循环泵组成。图中状态点与图2及图3一致。

通过对系统中各个状态点联立质量和能量守恒方程，分析此制冷循环的理论效率。分别对发生器、冷凝器、蒸发器、喷射器建立能量平衡方程。

发生器：

Qg=qg×(h5-h6)

(1)

冷凝器：

Qc=qc×(h7-h8)

(2)

蒸发器：

Qe=qe×(h3-h1)

(3)

喷射器：

qg×h5+qe×h3=(qg+qe)×h7

(4)

喷射器的喷射系数：

(5)

物料平衡方程：

qc=qg+qe

(6)

循环泵消耗功：

W=qg×(h6-h8)

(7)

COP的计算：由于该系统是太阳能供能，与传统的消耗煤炭能源来获得电能不同，太阳能的开发利用与“付出代价”并无直接关联，在计算COP的过程中，太阳能供能不视为“付出代价”的其中一项[7]，因此COP计算式如下：

(8)

喷射器的压缩比：

(9)

3 系统运行性能

3.1 制冷剂及系统工况的选定

制冷剂的选取很大程度地影响太阳能喷射式制冷系统的运行性能，应遵循以下原则：

(1)ODP和GWP尽可能小，具有环境可接受性；

(2)较好的热力性质，在工况温度范围内循环时循环特性较优；

(3)为使冷凝过程可以在定温放热过程中更多的排出热量，应要求临界温度高于环境温度；

(4)传热性与流动性好，使其在充分换热的基础上减少制冷剂流动过程中的阻力损失；

(5)化学稳定性与热稳定性良好；

(6)无毒无害，不易燃易爆，安全性较高；

(7)成本低廉，易获取。

根据对制冷剂的约束条件，本文选择R123与R134a作为制冷剂以测试制冷系统运行性能。在相同的蒸发温度及冷凝温度下与目前常见的制冷剂相比，R123的压缩比较大，同时R123不是《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家方案》(1999年)的受控制10种制冷剂之一，符合环保标准，是制冷系统制冷剂的良好选择。基于国内外众多学者对R134a的研究发现，作为R12的代替工质，其ODP值为0，在环境保护方面更有优势。同时，其热力性能相比于其他新型无污染制冷剂较好。

根据家用空调国家标准，得到系统蒸发温度为Te=7.2 ℃，冷凝温度为Tc=54.4 ℃。根据太阳能集热器内介质所能达到的温度范围，选择发生温度为Tp=90 ℃。

3.2 室外环境温度对系统运行性能的影响

制冷系统的冷凝器通过与外界换热以达到散热的目的。当室外环境温度发生波动时，会影响冷凝器散热效果，从而导致系统性能系数的变化。选择R123与R134a作为制冷剂的系统性能系数随环境温度的变化如图5所示。

从图中可知，随着室外温度的上升，制冷系统的COP呈下降趋势，使用R123的制冷系统性能系数远低于使用R134a的系统。当室外环境温度从30 ℃上升至40 ℃时，使用R123的制冷系统COP从0.76下降至0.63，降低了约17.1%；而使用R134a的制冷系统COP从2.58下降至2.49，降低了约3.5%。从而可知，使用R134a 的制冷系统的COP随着室温的升高而减小的速度要比使用R123的系统缓慢，即在室外环境温度的变化量相同时，使用R134a比使用R123的系统性能系数降低得少，在R134a作为制冷剂的制冷系统中室外环境温度的变化对系统性能影响更小。

3.3 室内环境温度对系统运行性能的影响

对于空调而言，室内空间负荷是不断变化的，负荷的提高会导致室内环境温度的上升，负荷的降低则会导致室内环境温度下降。因此，室内环境温度的波动可代表室内空间负荷的变化，随着室内温度的升高，系统蒸发温度随之升高，对系统的运行性能产生影响。图6代表了室内环境从22 ℃升高至32 ℃时，R123与R134a两种制冷剂的COP变化情况。

图6 室内环境温度对COP的影响

从图中可知，随着室内环境温度的上升，制冷系统的COP呈上升趋势，使用R123作为制冷剂的系统性能系数远低于使用R134a的系统。随着室内温度从22 ℃升高到32 ℃，使用R123的系统COP从0.70上升到1.14，提高了约62.9%；而使用R134a的系统COP从2.10上升到4.93，提高了约134.7%。由此可知，使用R134a的系统COP随室内温度的升高而增大的速度比使用R123的系统更快，即R134a作为制冷剂的制冷系统的性能系数随着空间负荷的增大而增大得更快；当室内负荷增大时，使用R134a作为制冷剂的系统效能更好。

3.4 发生温度对系统运行性能的影响

当蒸发温度从84 ℃升高到92 ℃时，两种制冷剂的COP变化情况如图7所示。

图7 发生温度对COP的影响

由图可知，随着发生温度的上升，制冷系统的COP呈上升趋势。当发生温度从86 ℃升高到92 ℃时，使用R123作为制冷剂的系统COP从0.96提高到了2.46，提高了156.25%；而使用R134a的系统COP从2.01上升到了5.21，提高了约159.2%。由此可知，使用R123的系统与使用R134a的系统COP随发生温度上升而增大的速率相近。

3.5 各温度对系统性能影响的比重

根据前文所述，室内、外环境温度及发生温度均对系统运行性能系数即COP均有影响。本文利用SPSS主成分分析法对三个影响因素进行分析。由于使用R123作为制冷剂的制冷系统性能系数变化趋势与使用R134a的系统性能系数变化趋势相同，并且使用R123的系统性能系数低于使用R134a的系统性能系数，因此在进行影响因素分析中选择使用R134a作为制冷剂的系统参数进行分析。其室内、外环境温度及发生温度作为影响因素的解释的总方差如表1所示。

表1 解释的总方差

如表1所示，室内、外环境温度的特征值大于1且合计可解释73.416%的方差，因此可以提取室内、外环境温度作为主成分。从表中可以看出，室内、外环境温度对性能系数的影响大于发生温度。同时，室内、外环境温度直接影响到蒸发温度与冷凝温度，由此可知在蒸发温度、冷凝温度与发生温度三者中，前两者对系统性能系数的影响要高于发生温度所产生的影响。

4 结论

太阳能喷射式制冷系统在外形上结构紧凑，在能源利用率上仅使用太阳能作为唯一动力来源，节能环保，并且喷射式制冷无运动部件，大大降低了系统损坏的概率，从而减少维修成本。本文详细分析了该制冷系统运行性能受温度的影响：降低室外环境温度、升高室内环境温度或升高发生温度均有利于提高系统性能，室内、外环境温度对系统性能的影响相比于发生温度更大。