太阳能喷射式制冷系统不仅可以利用自然可再生能源和低品位的生产废热热源,而且系统简单可靠,安装运行成本低廉,因此具有广阔的发展前景^[1].早期的研究主要集中在各种因素对喷射器性能的影响,王永红等^[2]研究了蒸发条件对喷射器性能的影响,得出当喷射器结构固定,蒸发温度在6～20 ℃范围内时,蒸发温度越高,喷射器的性能越好;王金锋等^[3]研究了冷凝温度对喷射器性能的影响,得出当结构固定时,冷凝温度只有处于20～40 ℃范围内,喷射器才能正常工作,当冷凝压力低于临界压力时,喷射器表现出恒能力特性.设计太阳能喷射制冷系统时,发生温度的选择非常重要^[4],它是喷射系数的主要影响因素,而喷射系数又直接影响到系统性能系数COP.Pridasawas等^[5]的大量计算表明发生温度的变化会影响系统的总火用损.Huang等^[6]也指出发生器中制冷剂液位的高低对喷射器的稳定运行存在影响,但没有考虑发生温度对系统性能的影响.本研究基于太阳能喷射式制冷系统试验台,保持蒸发温度、冷凝温度及室内环境温度不变,通过改变发生温度,探讨其对整个系统性能的影响.

系统由太阳能转换循环和制冷循环构成.太阳能转化循环是通过太阳能集热器将太阳能转换成热能,利用太阳能集热器加热传热流体介质,流体介质流经发生器,与发生器中的制冷剂进行热交换,将热量传递给制冷循环.制冷循环是制冷剂液体将在发生器中被加热产生蒸汽,蒸汽流经喷射器,在喷嘴附近处产生低压,将制冷剂蒸汽从蒸发器中的引射进入混合室中混合,混合后的流体经缩放扩压室升压后进入冷凝器中冷凝.冷凝后的制冷剂液体分为两路,一路进入发生器,对发生器中的制冷剂进行补充,一路经过节流补充蒸发器中的制冷剂.图 1为制冷系统及测点布置图.图 2为系统理论循环的lg p-h图,其中:p为压力;h为焓值;1～9表示相应的状态点.

图 1

Fig. 1

T1—蒸发器桶内温度;T2—蒸发器桶盖温度;T3—蒸发器-喷射器温度;T4—发生器出口温度;T5—发生器-喷射器温度;T6—冷凝器出口温度; T7—喷射器-冷凝器温度;T8—冷凝器进口温度;T9、T10—节流阀前、后温度;T11、T12—冷却水进、出口水温;T13—热水出口温度; P1—喷射器-冷凝器压力;P2—节流阀后压力;P3—蒸发器桶内压力;P4—发生器出口压力;P5—冷凝器出口压力;P6—泵出口压力图 1 制冷系统及测点布置图 Fig. 1 Diagram of refrigeration system and measuring points arrangement

图 2

Fig. 2

图 2 系统理论循环的lg p-h 图 Fig. 2 lg p-h chart of solar ejector cooling system

根据系统原理分析可知,制冷剂在发生器中吸收热量汽化,发生器是系统换热量最大的部件,其换热效率直接影响系统的效率.Alexis等^[7]对系统各部件火用效率的计算表明,发生器是集热器和喷射器之后火用损最大的部件,这些都是由温差换热所引起的.因此,本文采用板式换热器作为发生器,目的是为了提高换热效率,强化系统换热.

本试验台是以R141b为工质,各部件的设计主要依据系统的热力学计算,采用太阳能集热器和辅助电加热作为发生器热源,基于力控组态软件和研华模块建立数据采集截面.试验中采用文献[8]提出的等马赫数梯度的设计方法对喷射器进行改进设计,通过改进喷嘴、等压混合段、扩压段的设计使喷射器的结构变化与流动相对应,减少壁面上的涡流产生-消失-再产生的效应,从而减少能量损失.喷射器内部流动的压力和速度变化都是平缓过度的,尽可能减少壁面压力和速度的突变过程,从而可以提高喷射器的工作效率.

通过在各个部件的进、出口处布置热电偶和压力表分别测得温度和压力,共布置了14个温度测点和6个压力测点(如图 1所示).温度测量精度为0.1 ℃,压力测量精度为0.02.所有的温度测量数据均由ADAM-5510E系列模块采集再结合ForceControl V6.1组态软件直接读入到计算机,完成数据的处理,同时实时显示、相关计算、控制输出以及打印输出等.采用精密压力表对系统的压力进行测量.

为保证试验系统能稳定运行,试验前先对系统进行调试,当确定系统开始制冷时,再进行有关试验.本试验通过调节制冷剂和热水介质的流量、热水的进口温度控制发生器出口温度.在蒸发温度控制为20 ℃、冷凝温度控制为36 ℃、室内环境温度为31.4 ℃时,进行了发生温度分别为75、80、85、90、93 ℃的5组试验.

为了简化计算,对系统理论压焓图进行如下假设:①发生过程、冷凝过程、蒸发过程都是等压吸热/放热过程;②喷射器内部工作流体和引射流体等压混合,且混合过程忽略不可逆耗散;③工作流体在喷射器内为等熵膨胀,且混合流体扩压过程也为等熵压缩;④蒸发器为满液式蒸发,其单位制冷量为蒸发压力下制冷剂的汽化潜热.

制冷量Q_e为

式中:m_e为引射流体的质量流量,kg·s^-1;h₉为蒸发器出口焓值,kJ·kg^-1;h₈为蒸发器进口焓值,kJ·kg^-1.

工作流体吸热量Q_g为

式中:m_g为工作流体的质量流量,kg·s^-1;h₃为发生器出口焓值,kJ·kg^-1;h₁为发生器进口焓值,kJ·kg^-1.

冷凝量Q_e为

式中:h₆为冷凝器出口焓值,kJ·kg^-1;h₇为冷凝器进口焓值,kJ·kg^-1.

泵消耗的功率W_m为

根据工作流体与引射流体的能量守恒得

喷射系数ER为

制冷系统性能系数COP为

机械性能系数COP_m为

图 3为喷射系数ER、系统性能系数COP、机械性能系数COP_m随发生温度的变化.

图 3

Fig. 3

图 3 ER、COP、COPm随着发生温度的变化 Fig. 3 Variation of mechanical ER,COP,COPm with generating temperature

由图 3可以看出,喷射系数、系统性能系数、机械性能系数随发生温度的增加均呈现先上升后下降的趋势.在发生温度为80 ℃左右时,喷射系数、系统性能系数、机械性能系数均达到最佳值,分别为0.293、0.182、1.463.

对于发生温度的影响,由理论分析可知,随着发生温度的升高,发生蒸汽所具有的喷射卷吸能力增加,单位质量的发生蒸汽能够卷吸更多质量的引射蒸汽,对应的喷射系数、系统性能系数、COP_m随着发生温度的升高呈递增趋势.但是从试验数据中看出,随着发生温度的变化,系统性能在80 ℃左右出现了峰值,当发生温度大于80 ℃时,喷射系数、系统性能系数、机械性能系数均下降.经分析,这是由喷射器的结构决定的,因为设计喷射器时采用的工况为发生温度85 ℃、冷凝温度38 ℃、蒸发温度8 ℃,喷射器混合段截面积是根据发生流体与引射流体在该工况下的最大喷射系数的等压混合截面积设计.由于试验过程中喷射器的结构是固定的,工况发生变化时,喷射系数会由于混合截面积的限制而不会随着发生温度的升高(即工作蒸汽的卷吸能力增加)一直增大.当蒸汽流量达到某一值时,喷管喉部速度也达到壅塞速度,此时进一步提高流量也不能产生更好的卷吸效应.所以,固定结构的喷射器在一定的蒸发温度和冷凝温度工况下,具有一个最佳发生温度.

(1) 固定结构的喷射器在工况发生变化时,喷射系数会由于混合截面积的限制而不会随着发生温度的升高(即工作蒸汽的卷吸能力增加)一直增大.因此,在一定的蒸发温度和冷凝温度工况下,喷射器存在一个最佳发生温度.

(2) 实际应用中,可以针对特定的使用工况变化范围在一个系统中设计2～3个喷射器结构,根据工况变化调节系统,使用不同的喷射器,使系统始终保持高效运行.