無泵循環噴射式制冷系統比較分析

彭光前，李蘇瀧，王蒙蒙，彭 芳

（南京理工大學，南京 210094）

1 引言

噴射式制冷系統是一種熱驅動式制冷系統，可利用100～200℃的低溫熱源進行驅動，因此在太陽能、地熱、工廠余熱、廢熱等低品位能源的利用方面具有較好的優勢，此外，噴射式制冷系統具有系統簡單、運動部件少、運行維護成本低等優點。

傳統的噴射式制冷系統是通過機械循環泵將冷凝后的工作工質輸送到發生器，需消耗部分電能。雖然消耗電能不多，但與系統的制冷量相比，循環泵消耗的電能仍占到相當比例。另外，普通機械循環泵易出現氣蝕現象，且多數工程中使用的都是大揚程、小流量的隔膜泵或柱塞泵等，這種泵的價格較高，增加了系統的初投資和維護費用。

如能實現噴射式制冷系統的無泵循環，則不僅可以解決上述問題，還能使噴射式制冷系統適用于無電力場合。但若想實現完全熱驅動化，必須通過其它方式實現噴射式制冷循環中機械泵的功能。針對這個問題，國內外學者提出了多種解決方案［1－7］，有些已付諸了實驗，并取得了不錯的制冷效果，本文將對其中的幾種具有代表性的方案進行比較分析。

2 重力回液噴射式制冷系統

2.1 純重力回液噴射式制冷系統

該系統由Nguyen等人于2001年提出，并建成了一座使用水作為制冷劑的噴射式制冷系統樣機，是一種依靠重力回液的、水為制冷劑的太陽能噴射式制冷系統，系統示意圖如圖1所示。該系統中，冷凝器與發生器的高差達到了7m，正是靠著如此高的水柱產生的壓力來補償發生壓力和冷凝壓力之差，才使得冷凝后的液體可以流入發生器，從而能夠省略機械泵，實現了零外動力損耗［1］。

從發生器出來的高溫高壓蒸汽進入噴嘴引射來自蒸發器的低溫低壓蒸汽，在混合室內混合，然后在擴壓室內擴壓?；旌虾蟮恼羝M入冷凝器冷凝，然后分成兩路，一路經過節流閥節流進入蒸發器蒸發制冷，另一路依靠冷凝器與發生器的高差，通過重力作用回流到發生器。整個系統通過重力作用，實現該噴射式制冷系統的無泵運行。

圖1 純重力回液噴射式制冷系統

實驗結果表明，該系統在夏季可以提供7kW的制冷量，COP達到0.3;冬季可以提供20kW的制熱量。系統的壽命是蒸氣壓縮式制冷系統的2倍，可以達到30年。

該系統省去了機械泵，但是整個系統卻高達8m。同時，為了降低管道沿程損失，必須選取較大管徑的回流管道，從而導致系統較為龐大，布置不便，限制了其使用范圍。

2.2 帶貯液罐重力回液噴射式制冷系統

文獻2提出一種新型無泵噴射式制冷系統，系統示意圖如圖2所示。與純重力回液噴射式制冷系統相比，該系統中增加了貯液罐，仍采用水作為制冷劑，建立了一個發生器補給系統，該補給系統利用重力及發生器內部壓力的綜合作用將冷凝器中的冷凝液輸送到發生器中，從而實現無泵循環的目的。

圖2 帶貯液罐重力回液噴射式制冷系統

通過對閥A、閥B和閥C的啟閉控制，該發生器補給系統在補液與排液之間進行往復運行。在補液過程中，開啟閥A，并同時關閉閥B和閥C，以保障冷凝液通過重力作用流入貯液罐。當流入貯液罐內的冷凝液達到一定液位后，關閉閥A，補液過程結束，然后進入排液過程。先開啟閥B，使來自發生器內部的高溫、高壓蒸汽進入儲液罐頂部，當貯液罐頂部的壓力達到發生器內部壓力時，開啟閥C，使冷凝液通過重力作用流入發生器，當貯液罐內的冷凝液全部流入發生器時，排液過程結束，然后再進入補液過程。在實驗的基礎上，文獻2提出用止回閥代替閥C的觀點，從而在操作過程中只需控制閥A和閥B的啟閉即可。整個系統通過上述模式在貯液罐補液與排液之間進行往復循環，實現該噴射式制冷系統的持續無泵運行。

實驗結果表明，該系統與常規的有泵循環噴射式制冷系統相比，發生器耗熱量僅高出1%～2%，COP值則相近，性能上較有泵循環優越。

該系統在重力及發生器內部壓力的綜合作用下回液，無需液泵驅動，實現了零外動力損耗，無任何運動部件，無噪聲污染。與純重力回液噴射式制冷系統相比，冷凝器與發生器之間的垂直高差只是用于克服冷凝液進入發生器過程中的管道阻力損失，所以冷凝器與發生器之間的垂直高差較純重力回液噴射式制冷系統要小很多。

由于貯液罐內部溫度的周期性變化及其內部殘留蒸汽要進入冷凝器中冷凝，致使該系統發生器的耗熱量較常規的有泵循環噴射式制冷系統要高。同時，為了避免冷凝器與貯液罐之間的管路在補液過程中出現活塞流，該段管徑要適當的大一些。此外，貯液罐容積的選取也很重要，容積過大將導致發生器內部溫度的波動，容積過小將導致補、排液的頻率過高，降低系統的使用壽命。

2.3 雙發生器重力回液噴射式制冷系統

與其它靠重力回液的噴射式制冷系統相比，該系統的發生器由一個增加為兩個。在一個工作周期時間內，發生器1和2分別在一半的時間內提供蒸汽。而每一周期內，發生器共有預熱、工作、冷卻和回液4種狀態，系統示意圖如圖3所示［3］。

圖3 雙發生器重力回液噴射式制冷系統

運行時，通過閥門1、2、3、4的切換，使兩個發生器交替提供蒸汽。假設系統開始運行時，首先是發生器1提供蒸汽。此時，關閉閥1和閥4，并開啟閥2和閥3。經冷凝器冷凝后的冷凝液分為兩路:一路經過節流閥節流進入蒸發器蒸發制冷，另一路則經閥2進入發生器2。在發生器1工作狀態結束前，發生器2已經預熱至工作壓力。發生器1停止產生蒸汽時，關閉閥3和閥2，并打開閥4，開始由發生器2提供工作蒸汽。同時，發生器1的盤管改通冷水，對發生器1進行冷卻。待發生器1內部壓力與冷凝器內部壓力平衡時，打開閥1，冷凝后的液體開始流入發生器1。發生器2停止產生蒸汽后，再切換到發生器1。正是通過兩個發生器的交替工作，保證了系統的持續無泵運行。

通過理論分析，在相同的參數下，該系統的COP為0.151，比傳統噴射系統的0.153相差無幾，與有泵循環相比，性能上優勢明顯。

在一個周期內，系統的耗熱量等于兩個發生器預熱和工作時間內所需的熱量之和，制冷量則與傳統噴射式制冷系統相同。雖然雙發生器重力回液噴射式制冷系統COP與傳統的噴射式制冷系統基本相同，但是由于本系統真正實現了無泵循環，所以整個系統的維修費用和壽命都得到了改善。

在發生器冷卻過程中，必須先將發生器桶體溫度由發生溫度降至冷凝溫度，然后再在預熱過程中將桶體溫度加熱至發生溫度。桶體的加熱過程增加了系統的耗熱量，在一定程度上影響了整個系統的經濟性。

此外，在實際的發生器中，如果選用盤管加熱，很難做到在工作時間結束時，發生器內沒有任何殘留的液態水。因此，在冷卻過程中，必須將殘留液體冷卻至冷凝溫度才能開始回液;在預熱過程中又必須將其加熱至發生溫度。這在一定程度上也會對系統的性能有所影響，這類似于壓縮機余隙容積對其性能的影響。因此，在發生器的設計過程中，必須盡可能地改進結構，將殘留液體量降至最少。

除了上述一些重力回液噴射式制冷系統以外，文獻4提出了一種三通閥控制重力回液噴射式制冷系統，其基本原理與文獻2中所提系統相近，在這里就不再贅述。文獻4提出的三通閥控制重力回液噴射式制冷系統示意圖如圖4所示。

3 雙噴射式制冷系統

圖4 三通閥控制重力回液噴射式制冷系統

通常情況，工作介質為同相時，噴射器出口蒸汽壓力要低于噴射器入口蒸汽壓力。通過實驗，Cattadori等人發現特定結構的蒸汽―水噴射器出口壓力比入口蒸汽的壓力高10%。這樣就可以通過發生器中的飽和蒸汽，將壓力比較低的水吸入發生器中［5］。在此基礎上，張博等人提出了利用氣―液噴射器替代循環泵的雙噴射式制冷系統［6］。雙噴射式制冷系統中采用氣―液噴射器來代替機械泵，氣―液噴射器可以將低于發生器內部壓力的冷凝液吸入，增壓至高于發生器內部的壓力，從而實現將冷凝器中的冷凝液輸送回發生器的目的，系統示意圖如圖5所示。

從發生器出來的高溫、高壓蒸汽進入噴嘴引射來自蒸發器的低溫、低壓蒸汽，在混合室內混合，然后在擴壓室內擴壓?；旌虾蟮恼羝M入冷凝器冷凝，然后分成兩路，一路經過節流閥節流進入蒸發器蒸發制冷，另一路進入氣―液噴射器的引射端被來自發生器的高溫、高壓蒸汽引射增壓至高于發生器內部的壓力，從而實現將冷凝器中的冷凝液輸送回發生器。整個系統通過增加氣―液噴射器，實現該噴射式制冷系統的無泵運行。

模擬結果表明，以太陽能作為驅動能源，全天COP可以達到0.2～0.3。該系統利用從發生器出來的高溫高壓工質通過氣―液噴射器引射冷凝器中的液體，從而替代了機械泵，系統本身不需要電能，節約了能源，實現了零外動力損耗，無任何運動部件，無噪聲污染。

由于該系統引入了氣―液噴射器，所以需要消耗一部分額外能量驅動氣―液噴射器，此外，噴射器對加工精度要求較高，導致系統成本的增加。

圖5 雙噴射式制冷系統

圖6 毛細泵循環蒸汽噴射式制冷系統

4 毛細泵循環蒸汽噴射式制冷系統

該系統不需要液泵，僅依靠發生室在利用太陽能或廢熱時產生的熱驅動力和蒸發室在實現蒸發制冷作用時所產生的熱驅動力及擴壓管在混合室所產生的引射作用，聯合發生室、蒸發室內的毛細液芯產生的毛細抽吸作用來實現整個系統的循環［7］。系統示意圖如圖6所示。

在蒸汽發生室內，工作工質吸收太陽能 （或廢熱）產生較高壓力的蒸汽，在熱驅動力的作用下進入噴射裝置，經噴射器中的噴嘴形成高速低壓氣流，并在混合室內吸引來自蒸發室的低壓蒸汽，混合后的低壓氣流經擴壓管擴壓，產生低速高壓氣流，然后進入冷凝器中冷凝，冷凝后的冷凝液體分成兩路:一路在重力作用下通過毛細管節流降壓，在蒸發室內毛細芯的毛細抽吸力和混合室內噴射引射力的共同作用下回到蒸發室內，蒸發制冷;另一路在重力作用下回流到發生室，在發生室內毛細芯毛細力的抽吸作用下從下至上不斷被重新蒸發，產生較高壓力的蒸汽，如此循環。

雖然該系統實現了噴射式制冷系統的無泵循環，但是其系統運行效率不高，且不適宜大區域的制冷。由于其具有節能減排及使用環境友好型制冷工質的特點，更加深入的理論探討和實驗研究對其推廣應用很有必要。

5 結論

噴射式制冷系統具有系統簡單、運動部件少、運行維護少、機械能消耗少等優點，可利用太陽能、地熱、工廠余熱、廢熱等低品位能源驅動。如若通過其它方式代替傳統噴射式制冷循環中機械泵的功能，則可以實現噴射式制冷的完全熱驅動化，零運動部件化，強化系統運行的穩定性，從而進一步降低系統的運行維護費用、延長系統的使用壽命、擴大系統的使用范圍。本文中，對現有的一些典型的無泵噴射式制冷循環系統進行了比較分析。

現有的無泵噴射式制冷系統主要有三種類型:1）重力回液式;2）雙噴射式;3）毛細泵循環蒸汽噴射式。它們均能實現噴射式制冷系統的無泵循環，實現了零外動力損耗，具有無任何運動部件，無噪聲污染等優點。但是也同樣存在一些不足之處，如:重力回液式系統結構臃腫，布置不便;雙噴射式系統需要消耗一部分額外能量驅動氣—液噴射器，此外，噴射器對加工精度要求較高，導致系統成本的增加;毛細泵循環蒸汽噴射式系統運行效率低下。這就要求我們在選擇系統類型的過程中充分根據自身的需求、應用環境、經濟性等方面綜合分析，合理選擇，實現系統的最優化。

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

［2］ Passakorn Srisastra，Satha Aphornratana.A circulating system for a steam jet refrigeration system ［J］．Applied Thermal Engineering，2005，（25）:2247－2257.

［3］徐振立.一種空調用新型無泵噴射制冷系統 ［J］．暖通空調，2008，（38）:60－63.

［4］浙江大學.無泵噴射式制冷機:中國，201210101671［P］．2012年8月1日.

［5］G Cattadori，et al.A single－ stage high pressure injector for next generation reactors:test results and analysis ［J］．Int J Multiphase Flow，1995，（21）:591－606.

［6］張博，沈勝強，邱慶剛.新型太陽能雙噴射制冷系統的理論研究 ［J］．太陽能學報，2006， （27）:782－787.

［7］楊瑞，陳威，孫禎.毛細泵循環蒸汽噴射式制冷系統的研究 ［J］．制冷與空調，2010，（10）:20－24.