基于R134a的太陽能多噴射器制冷系統的方案設計

范曉偉， 劉鴻超， 鄭慧凡， 趙成明

(中原工學院， 鄭州 450007)

基于R134a的太陽能多噴射器制冷系統的方案設計

范曉偉， 劉鴻超， 鄭慧凡， 趙成明

(中原工學院， 鄭州 450007)

摘要：基于發生溫度的不同溫度區間，提出了太陽能多噴射器制冷系統組合方案。根據氣體動力學原理和噴射器性能分析模型，以R134a為制冷劑進行了計算分析,結果表明：設置3個噴射器時系統性能最佳，發生溫度在70～85 ℃的范圍內，系統COP維持在0.2以上，最高能夠達到0.288。

關鍵詞：太陽能；噴射器； 工況； 方案； 制冷劑

隨著地球資源消耗加速，能源危機加劇等，人類的生存環境受到了日益嚴峻的挑戰。以太陽能為熱源的噴射制冷系統，可以有效地節約傳統能源、保護環境。因此，近些年太陽能噴射制冷系統的發展達到空前高度。目前國內外許多學者對噴射系統的性能做了理論與實驗研究。Yaplcl R得到噴嘴最佳軸向位置，改善了系統性能[1]。Chaiwongsa P等通過實驗研究了噴嘴喉部直徑對噴射系數和系統COP的影響[2]。沈勝強、張琨等研制了一種噴嘴可調式噴射器，通過對噴嘴喉部面積的調節，實現了在更大工況范圍內噴射器的可調節，改善了噴射器的性能，滿足多種工況的要求[3-5]。Liu F等人給出了對噴射器結構尺寸的優化模型，并通過實驗得到了噴射系數與噴射結構的變化關系[6-8]。大量研究表明：噴射器的設計通常針對某一特定工況，如果偏離設計工況，噴射器的性能急劇下降。由于結構參數固定，在系統運行中適用的工況范圍很小。本文基于對系統運行工況的劃分，針對不同的工況范圍分別設計噴射器，根據系統運行的情況，切換使用不同的噴射器，通過多個噴射器的并聯運行，實現制冷系統的持續高效運行。

1多噴射器太陽能噴射系統

在一般的噴射制冷系統中，因為只有一個結構固定的噴射器，當運行工況偏離設計工況時，系統性能會急劇下降。若在太陽能噴射制冷系統中設置多個噴射器，可解決這一問題。多個噴射器可以使制冷系統變工況地高效運行，根據系統工況的變化情況，切換至合適的噴射器進行工作，進而保證該系統在制冷季節的高效運行，提高太陽能噴射系統的運行效率。多噴射器太陽能噴射系統[9]見圖1。

1.太陽能集熱器；2.水泵；3.發生器；4A.第一噴射器；

2方案設計

為了有效地提高太陽能多噴射器制冷系統的性能，選擇合適的噴射器數量十分重要?？紤]到現有太陽能集熱器的集熱效率較低以及天氣變化等因素，集熱熱水溫度不會太高。本文對發生溫度在70～90 ℃范圍內進行劃分，設計了幾個不同噴射器組合的方案，并對不同方案進行了對比。在發生溫度的變化范圍內劃分不同的溫度區間，以每個溫度區間的平均溫度作為設計工況。例如，設置兩個噴射器，發生溫度劃分為兩個區間，即70～80 ℃和80～90 ℃。以每個溫度區間內的平均溫度作為設計工況，即75 ℃和85 ℃。噴射器組合設計方案見表1。

本文根據氣體動力學函數以及噴射器結構設計模型[10]，編制EES計算程序。以R134a為制冷劑，假定滿足制冷量4 kW的需求,在蒸發溫度為5 ℃、冷凝溫度為35 ℃時，根據噴射器個數設計各方案的工況及噴射器的結構參數，具體見表2。

表1　噴射器組合設計方案

表2　噴射器組合設計方案的發生溫度和噴射器的結構參數

3方案比較

太陽能噴射制冷系統的制冷性能系數COP通常用下式計算：

式中：h1—蒸發器出口焓值，kJ/kg；h4 —蒸發器進口焓值，kJ/kg；h7—發生器出口焓值，kJ/kg；h6—發生器進口焓值，kJ/kg。

噴射系數是表征噴射器性能的重要參數之一，為引射流體的質量流量與工作流體的質量流量之比。噴射系數的計算方法通常有熱力學法和氣體動力學函數法。本文根據氣體動力學函數法以及噴射器性能計算模型[11]，利用EES編制計算程序。

3.1噴射器性能計算模型的驗證

為了驗證模型的準確性，按照文獻[12]中的R141b實驗工況和噴射器結構尺寸進行了模擬計算，并與實驗數據進行了對比，見圖2。

圖2　模型驗證數據對比圖

由圖2可以看出：計算結果與實驗數據能夠較好地吻合，誤差在±10%以內。

3.2計算結果與分析

3個方案的COP隨發生溫度的變化關系如圖3所示。

方案1

方案2

方案3圖3　COP與發生溫度的變化關系

由圖3可知：

(1)方案1中點a對應的發生溫度即為兩個噴射器之間的切換點，通過計算可得該點對應的發生溫度為72 ℃。當發生溫度低于72 ℃時，使用噴射器#3運行；隨著發生溫度的升高至超過72 ℃時，切換使用噴射器#7。從圖中可以看出，隨著發生溫度的升高，系統COP出現了兩個峰值。這是因為系統設置了2個噴射器，峰值分別出現在2個噴射器對應的最優發生溫度處。

(2)方案2中點b和點c對應的發生溫度均是噴射器的切換點，通過計算可得點b和點c對應的發生溫度分別為69 ℃和74 ℃。當發生溫度低于69 ℃時，使用噴射器#2；當發生溫度處于69～74 ℃之間時，使用噴射器#5；當發生溫度超過74 ℃時，使用噴射器#8。從圖中可以看出，隨著發生溫度的升高，系統COP出現了3個峰值，這是因為系統設置了3個噴射器，峰值分別出現在噴射器對應的最優發生溫度處。當發生溫度在70～85 ℃范圍內變化時，系統COP維持在0.2以上，最高能夠達到0.288。

(3)方案3中點d、e和f對應的發生溫度均是噴射器的切換點。通過計算可知點d、e和f對應的發生溫度分別是67 ℃、71 ℃和75 ℃。當發生溫度低于67 ℃時，使用噴射器#1；當發生溫度處于67～71 ℃時，切換使用噴射器#4；當發生溫度在71～75 ℃之間時，切換使用噴射器#6；當發生溫度高于75 ℃時，使用噴射器#9。圖中系統COP的4個峰值分別出現在各個噴射器對應的最優發生溫度處。

3.3不同方案下的系統性能對比

根據課題組前期研究，噴射制冷系統設置單個噴射器時，噴射器以發生溫度80 ℃、蒸發溫度5 ℃、冷凝溫度35 ℃為設計工況。

為了準確地對比不同方案之間性能差別的大小，用一個函數來表征。定義εi為方案i的COP和設置單個噴射器太陽能噴射制冷系統性能之間的相對偏差，計算公式如下：

式中：i代表設計的方案編號；0代表單個噴射器制冷系統。

圖4　系統COP的相對偏差與發生溫度的變化關系

圖4是不同方案的太陽能噴射制冷系統與單個噴射器太陽能噴射制冷系統COP的相對偏差與發生溫度的變化關系，由圖4可以看出：

(1)在發生溫度高于75 ℃時，3種方案的太陽能噴射制冷系統與單個噴射器太陽能噴射制冷系統COP的相對偏差均大于40%，并且隨著發生溫度的升高，相對偏差越來越大。這說明在噴射制冷系統中設置多個噴射器時，系統性能明顯優于設置單個噴射器。

(2)當發生溫度低于70 ℃或者高于85 ℃時，系統COP的相對偏差急速增大，并且趨于無窮大。這說明在該溫度范圍內，單個噴射器的太陽能噴射制冷系統的性能非常低，甚至整個系統無法正常工作，設置多個噴射器的制冷系統適用的工況范圍較大。

(3)在3種方案中，方案3的COP最高，方案1最低。通過計算可知：方案2和方案3之間COP的相對偏差在±10%之內。這說明方案2的COP數值雖然小于方案3，但在發生溫度變化的范圍內，COP的絕對誤差數值很小，因此方案2可以很好地代替方案3，在保持系統性能較好的同時，減少了噴射器的數量，節省了試驗臺的空間。

4結語

本文引入氣體動力學函數以及噴射器計算模型，對太陽能多噴射器制冷系統進行了分析，結果表明：

(1)設置多個噴射器的太陽能噴射制冷系統性能優于單個噴射器的太陽能噴射制冷系統。

(2)通過對不同方案性能的計算和比較可知，方案2的噴射器組合方案最佳。當發生溫度在70～85 ℃范圍內變化時，系統COP維持在0.2以上，最高能夠達到0.288。與方案3相比，方案2系統性能相對偏差在±10%之內，在保持系統性能較好的同時，減少了噴射器的數量。

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(責任編輯：姜海芹)

Scheme Comparison of Solar Energy-driven Multi-ejectors

Refrigeration System Using R134a as Refrigerant

FAN Xiao-wei，LIU Hong-chao，ZHENG Hui-fan，ZHAO Cheng-ming

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China)

Abstract:Solar-driven refrigeration system with multi-ejectors which can achieve the improvement of the performance of the system with the parallel operation of ejectors has been analyzed in this paper. Different plans of the number of ejectors has been designed based on generating temperature regionalization. According to the gas dynamics function, a simulation program describing the performance of solar ejector has been established. The performance of refrigeration system has been analyzed using R134a as refrigerant. The results show that the performance of refrigeration system is best when there are three ejectors in the system. The coefficient of performance of the system can remain above 0.2 when the generating temperature are between 70 ℃ and 85 ℃, the highest can reach 0.288.

Key words:solar energy; ejector； operating condition； plan； refrigerant

文章編號：1671-6906(2015)01-0071-04

作者簡介：劉艷杰(1988-)，女，河南周口人，碩士。

收稿日期：2014-05-19

中圖分類號：TG142.1

文獻標志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.01.017