基于R134a的太阳能多喷射器制冷系统的方案设计

2016-01-20范晓伟刘鸿超郑慧凡赵成明

中原工学院学报 2015年1期

关键词：喷射器制冷剂太阳能

范晓伟，刘鸿超，郑慧凡，赵成明

(中原工学院，郑州 450007)

基于R134a的太阳能多喷射器制冷系统的方案设计

范晓伟，刘鸿超，郑慧凡，赵成明

(中原工学院，郑州 450007)

摘要：基于发生温度的不同温度区间，提出了太阳能多喷射器制冷系统组合方案。根据气体动力学原理和喷射器性能分析模型，以R134a为制冷剂进行了计算分析,结果表明：设置3个喷射器时系统性能最佳，发生温度在70～85 ℃的范围内，系统COP维持在0.2以上，最高能够达到0.288。

关键词：太阳能；喷射器；工况；方案；制冷剂

随着地球资源消耗加速，能源危机加剧等，人类的生存环境受到了日益严峻的挑战。以太阳能为热源的喷射制冷系统，可以有效地节约传统能源、保护环境。因此，近些年太阳能喷射制冷系统的发展达到空前高度。目前国内外许多学者对喷射系统的性能做了理论与实验研究。Yaplcl R得到喷嘴最佳轴向位置，改善了系统性能[1]。Chaiwongsa P等通过实验研究了喷嘴喉部直径对喷射系数和系统COP的影响[2]。沈胜强、张琨等研制了一种喷嘴可调式喷射器，通过对喷嘴喉部面积的调节，实现了在更大工况范围内喷射器的可调节，改善了喷射器的性能，满足多种工况的要求[3-5]。Liu F等人给出了对喷射器结构尺寸的优化模型，并通过实验得到了喷射系数与喷射结构的变化关系[6-8]。大量研究表明：喷射器的设计通常针对某一特定工况，如果偏离设计工况，喷射器的性能急剧下降。由于结构参数固定，在系统运行中适用的工况范围很小。本文基于对系统运行工况的划分，针对不同的工况范围分别设计喷射器，根据系统运行的情况，切换使用不同的喷射器，通过多个喷射器的并联运行，实现制冷系统的持续高效运行。

1多喷射器太阳能喷射系统

在一般的喷射制冷系统中，因为只有一个结构固定的喷射器，当运行工况偏离设计工况时，系统性能会急剧下降。若在太阳能喷射制冷系统中设置多个喷射器，可解决这一问题。多个喷射器可以使制冷系统变工况地高效运行，根据系统工况的变化情况，切换至合适的喷射器进行工作，进而保证该系统在制冷季节的高效运行，提高太阳能喷射系统的运行效率。多喷射器太阳能喷射系统[9]见图1。

1.太阳能集热器；2.水泵；3.发生器；4A.第一喷射器；

2方案设计

为了有效地提高太阳能多喷射器制冷系统的性能，选择合适的喷射器数量十分重要。考虑到现有太阳能集热器的集热效率较低以及天气变化等因素，集热热水温度不会太高。本文对发生温度在70～90 ℃范围内进行划分，设计了几个不同喷射器组合的方案，并对不同方案进行了对比。在发生温度的变化范围内划分不同的温度区间，以每个温度区间的平均温度作为设计工况。例如，设置两个喷射器，发生温度划分为两个区间，即70～80 ℃和80～90 ℃。以每个温度区间内的平均温度作为设计工况，即75 ℃和85 ℃。喷射器组合设计方案见表1。

本文根据气体动力学函数以及喷射器结构设计模型[10]，编制EES计算程序。以R134a为制冷剂，假定满足制冷量4 kW的需求,在蒸发温度为5 ℃、冷凝温度为35 ℃时，根据喷射器个数设计各方案的工况及喷射器的结构参数，具体见表2。

表1　喷射器组合设计方案

表2　喷射器组合设计方案的发生温度和喷射器的结构参数

3方案比较

太阳能喷射制冷系统的制冷性能系数COP通常用下式计算：

式中：h1—蒸发器出口焓值，kJ/kg；h4 —蒸发器进口焓值，kJ/kg；h7—发生器出口焓值，kJ/kg；h6—发生器进口焓值，kJ/kg。

喷射系数是表征喷射器性能的重要参数之一，为引射流体的质量流量与工作流体的质量流量之比。喷射系数的计算方法通常有热力学法和气体动力学函数法。本文根据气体动力学函数法以及喷射器性能计算模型[11]，利用EES编制计算程序。

3.1喷射器性能计算模型的验证

为了验证模型的准确性，按照文献[12]中的R141b实验工况和喷射器结构尺寸进行了模拟计算，并与实验数据进行了对比，见图2。

图2　模型验证数据对比图

由图2可以看出：计算结果与实验数据能够较好地吻合，误差在±10%以内。

3.2计算结果与分析

3个方案的COP随发生温度的变化关系如图3所示。

方案1

方案2

方案3图3　COP与发生温度的变化关系

由图3可知：

(1)方案1中点a对应的发生温度即为两个喷射器之间的切换点，通过计算可得该点对应的发生温度为72 ℃。当发生温度低于72 ℃时，使用喷射器#3运行；随着发生温度的升高至超过72 ℃时，切换使用喷射器#7。从图中可以看出，随着发生温度的升高，系统COP出现了两个峰值。这是因为系统设置了2个喷射器，峰值分别出现在2个喷射器对应的最优发生温度处。

(2)方案2中点b和点c对应的发生温度均是喷射器的切换点，通过计算可得点b和点c对应的发生温度分别为69 ℃和74 ℃。当发生温度低于69 ℃时，使用喷射器#2；当发生温度处于69～74 ℃之间时，使用喷射器#5；当发生温度超过74 ℃时，使用喷射器#8。从图中可以看出，随着发生温度的升高，系统COP出现了3个峰值，这是因为系统设置了3个喷射器，峰值分别出现在喷射器对应的最优发生温度处。当发生温度在70～85 ℃范围内变化时，系统COP维持在0.2以上，最高能够达到0.288。

(3)方案3中点d、e和f对应的发生温度均是喷射器的切换点。通过计算可知点d、e和f对应的发生温度分别是67 ℃、71 ℃和75 ℃。当发生温度低于67 ℃时，使用喷射器#1；当发生温度处于67～71 ℃时，切换使用喷射器#4；当发生温度在71～75 ℃之间时，切换使用喷射器#6；当发生温度高于75 ℃时，使用喷射器#9。图中系统COP的4个峰值分别出现在各个喷射器对应的最优发生温度处。

3.3不同方案下的系统性能对比

根据课题组前期研究，喷射制冷系统设置单个喷射器时，喷射器以发生温度80 ℃、蒸发温度5 ℃、冷凝温度35 ℃为设计工况。

为了准确地对比不同方案之间性能差别的大小，用一个函数来表征。定义εi为方案i的COP和设置单个喷射器太阳能喷射制冷系统性能之间的相对偏差，计算公式如下：

式中：i代表设计的方案编号；0代表单个喷射器制冷系统。

图4　系统COP的相对偏差与发生温度的变化关系

图4是不同方案的太阳能喷射制冷系统与单个喷射器太阳能喷射制冷系统COP的相对偏差与发生温度的变化关系，由图4可以看出：

(1)在发生温度高于75 ℃时，3种方案的太阳能喷射制冷系统与单个喷射器太阳能喷射制冷系统COP的相对偏差均大于40%，并且随着发生温度的升高，相对偏差越来越大。这说明在喷射制冷系统中设置多个喷射器时，系统性能明显优于设置单个喷射器。

(2)当发生温度低于70 ℃或者高于85 ℃时，系统COP的相对偏差急速增大，并且趋于无穷大。这说明在该温度范围内，单个喷射器的太阳能喷射制冷系统的性能非常低，甚至整个系统无法正常工作，设置多个喷射器的制冷系统适用的工况范围较大。

(3)在3种方案中，方案3的COP最高，方案1最低。通过计算可知：方案2和方案3之间COP的相对偏差在±10%之内。这说明方案2的COP数值虽然小于方案3，但在发生温度变化的范围内，COP的绝对误差数值很小，因此方案2可以很好地代替方案3，在保持系统性能较好的同时，减少了喷射器的数量，节省了试验台的空间。

4结语

本文引入气体动力学函数以及喷射器计算模型，对太阳能多喷射器制冷系统进行了分析，结果表明：

(1)设置多个喷射器的太阳能喷射制冷系统性能优于单个喷射器的太阳能喷射制冷系统。

(2)通过对不同方案性能的计算和比较可知，方案2的喷射器组合方案最佳。当发生温度在70～85 ℃范围内变化时，系统COP维持在0.2以上，最高能够达到0.288。与方案3相比，方案2系统性能相对偏差在±10%之内，在保持系统性能较好的同时，减少了喷射器的数量。

参考文献：

[1]Yap1c1 R. Experimental Investigation of Performance of Vapor Ejector Refrigeration System Using Refrigerant R123a[J]. Energy Conversion and Management, 2008, 49(5): 953-961.

[2]Chaiwongsa P, Wongwises S. Effect of Throat Diameters of the Ejector on the Performance of the Refrigeration Cycle Using a Two-phase Ejector as an Expansion Device[J]. International Journal of Refrigeration, 2007, 30(4): 601-608.

[3]沈胜强，宋煜，张琨，等.喷嘴可调式蒸汽喷射器的性能计算[J]. 热科学与技术， 2010， 9(1)： 64-69.

[4]沈胜强，张琨，刘佳，等.喷嘴可调式喷射器性能的实验研究[J].化工学报， 2009 (6)： 1398-1401.

[5]张琨，刘佳，沈胜强.可调式喷射器流场数值分析[J].大连理工大学学报， 2011 (6)： 942-945.

[6]Liu F, Groll E A, Li D. Investigation on Performance of Variable Geometry Ejectors for CO2Refrigeration Cycles[J]. Energy, 2012, 45(1): 829-839.

[7]Chen J, Havtun H, Palm B. Investigation of Ejectors in Refrigeration System: Optimum Performance Evaluation and Ejector Area Ratios Perspectives[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 64(1): 182-191.

[8]Jia Y, Cai W J. Area Ratio Effects to the Performance of Air-cooled Ejector Refrigeration Cycle with R134a Refrigerant[J]. Energy Conversion and Management, 2012, 53(1): 240-246.

[9]范晓伟，郑慧凡.多喷射器并联型太阳能喷射制冷装置：中国，CN101387457A[P].2009-03-18.

[10]田琦.太阳能喷射制冷[M].北京：科学出版社，2007.

[11]索科洛夫 E R, 津格尔 H M.喷射器[M].北京：科学出版社, 1977.

[12]Huang B J, Chang J M. Empirical Correlation for Ejector Design[J]. International Journal of Refrigeration, 1999, 22: 379-388.

(责任编辑：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