太陽能噴射制冷系統(tǒng)高壓側(cè)制冷劑壓力對系統(tǒng)性能的影響

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(1.中原工學院, 鄭州 450007；2.許昌煙草機械有限責任公司，河南 許昌 461000)

噴射制冷技術(shù)是一種利用熱能驅(qū)動的制冷技術(shù)，它可利用工業(yè)余熱、發(fā)動機廢熱、地熱能、太陽能等低品位熱能進行制冷，提高能源的有效利用率[1].

太陽能噴射制冷系統(tǒng)的性能受制冷劑影響很大，同時不同的工質(zhì)在制冷劑泵進出口有不同的壓差.根據(jù)工質(zhì)的壓差選取合適的制冷劑泵，對太陽能噴射制冷系統(tǒng)運行的穩(wěn)定以及取得良好的制冷效果起著重要作用.在符合流量要求下，隨著揚程的增大，制冷劑泵的造價也越來越高，可供選擇的制冷劑泵的范圍也越來越小.本文將結(jié)合工質(zhì)的熱力學性質(zhì)，根據(jù)工質(zhì)在制冷劑泵進出口的壓差，建立噴射器的熱力學模型，分析采用不同制冷劑時太陽能噴射制冷系統(tǒng)的性能.

1 太陽能噴射制冷系統(tǒng)

太陽能噴射制冷系統(tǒng)工作原理是：發(fā)生器中的制冷劑吸收來自太陽能集熱器的熱量后形成高溫高壓蒸汽，在噴嘴中絕熱膨脹，壓力降低，將蒸發(fā)器中的低溫低壓蒸汽引射入噴射器中，兩股制冷劑混合后在冷凝器中冷凝成液體，冷凝液一部分經(jīng)工質(zhì)泵增壓后進入發(fā)生器，另外一部分經(jīng)節(jié)流閥降壓后進入蒸發(fā)器中吸熱氣化完成制冷循環(huán).

圖1是太陽能噴射制冷系統(tǒng)壓焓圖.圖中，1-2代表發(fā)生過程，5-6代表冷凝過程，7-8代表蒸發(fā)過程.

圖1 太陽能噴射制冷系統(tǒng)壓焓圖

設(shè)me、mg分別為引射流體和工作流體的質(zhì)量流量，則蒸發(fā)器中的制冷量Qe為：

Qe=me(h8-h7)

式中：h7、h8——蒸發(fā)器的出口、進口焓值.

發(fā)生器中的換熱量Qg為：

Qg=mg(h2-h1)

式中：h1、h2——發(fā)生器的出口、進口焓值.

冷凝器中的換熱量Qc為：

Qc=(me+mg)(h5-h6)

式中：h5、h6——冷凝器的進口、出口焓值.

噴射式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)μ為：

噴射式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)COP為：

2 噴射器模型的建立

在太陽能噴射制冷系統(tǒng)中，噴射器是最核心的部件，對系統(tǒng)性能的提高起著決定性作用.本文基于氣體動力學理論基礎(chǔ)，根據(jù)動量守恒的基本定律，引入等熵速度、折算速度、相對壓力和相對密度等氣體動力學函數(shù)，建立噴射器的計算模型.計算過程的假設(shè)如下：

(1)假設(shè)氣體的絕熱指數(shù)KP=KH；

(2)假設(shè)氣體的氣體常數(shù)RP=RH；

(3)假設(shè)工作流體和引射流體進入混合室之前，在工作噴嘴出口截面與圓柱形混合室入口截面之間的一段不相混合；

(4)工作流體和引射流體在輸入管道中的初速度以及它們在混合室中的速度相對較小，因此忽略不計；

(5)忽略流體的徑向不均勻性，流動為準一維穩(wěn)定流動.

詳細的氣體動力函數(shù)及符號說明見文獻[2].

系統(tǒng)流程如圖2所示.

圖2 噴射系數(shù)計算流程圖

3 計算結(jié)果分析

3.1 工質(zhì)泵進出口的壓差

工質(zhì)泵是太陽能噴射制冷系統(tǒng)中唯一的運動部件，也是系統(tǒng)穩(wěn)定進行制冷循環(huán)的核心部件[3].在一定工況下，不同工質(zhì)在工質(zhì)泵的進出口會有不同的壓差(見圖3)，壓差的大小很大程度上決定工質(zhì)泵的選擇.根據(jù)工質(zhì)的壓差選取合適增壓范圍的工質(zhì)泵,不僅影響噴射制冷系統(tǒng)運行的穩(wěn)定和維護，而且對太陽能噴射制冷系統(tǒng)取得良好的制冷性能起著重要作用.

圖3 不同制冷劑在工質(zhì)泵進出口的壓差

本文結(jié)合第四代制冷劑0或低ODP、低GWP以及高效等特點，再考慮到工質(zhì)的無毒和不易燃等安全方面的特性，對所有純工質(zhì)進行篩選.從圖3中可以看出，R1234ze在工質(zhì)泵進出口的壓差最低，R134a的壓差最大，R152a和R1234yf的壓差比較接近，這是由工質(zhì)自身的熱物性所決定的.

3.2 噴射系統(tǒng)的性能比較

性能系數(shù)COP是評價系統(tǒng)性能的重要指標.本文選取發(fā)生溫度80 ℃，冷凝溫度35 ℃，蒸發(fā)溫度0 ℃、5 ℃、10 ℃，在發(fā)生器換熱量不變的前提下，過熱度分別取1～5 ℃，分析采用不同的制冷劑時太陽能噴射制冷系統(tǒng)的性能.

圖4為不同制冷劑的單位質(zhì)量制冷量對比圖.從圖中可以看出，R152a單位質(zhì)量制冷量最大，其次為R134a、R1234ze，R1234yf的單位質(zhì)量制冷量最小.

圖4 制冷劑的單位質(zhì)量制冷量

采用不同制冷劑，在不同過熱度下，噴射器進口的壓力變化如表1所示.

表1 采用不同工質(zhì)時噴射器進口的壓力

圖5—圖7分別是在蒸發(fā)溫度0 ℃、5 ℃、10 ℃下采用不同的制冷劑時，隨著過熱度的變化噴射器的噴射系數(shù)變化曲線圖.

圖5 蒸發(fā)溫度為0 ℃時噴射器噴射系數(shù)變化曲線圖

圖6 蒸發(fā)溫度為5 ℃時噴射器噴射系數(shù)變化曲線圖

圖7 蒸發(fā)溫度為10 ℃時噴射器噴射系數(shù)變化曲線圖

從圖5—圖7可以看出，隨著過熱度的不斷降低，噴射器進口壓力不斷升高，噴射器的噴射系數(shù)不斷增大.這是因為隨著噴射器進口壓力的不斷升高，工作流體在出口可獲得較大的速度，工作流體和引射流體之間的動能差也越來越大，導致更高的抽吸比，因此噴射系數(shù)也越來越大.

圖8—圖10分別是在蒸發(fā)溫度0 ℃、5 ℃、10 ℃下采用不同的制冷劑時，隨著過熱度的不斷變化系統(tǒng)性能系數(shù)變化曲線圖.

圖8 蒸發(fā)溫度為0 ℃時系統(tǒng)性能系數(shù)變化曲線圖

圖9 蒸發(fā)溫度為5 ℃時系統(tǒng)性能系數(shù)變化曲線圖

從圖8—圖10可以看出，在蒸發(fā)溫度為0 ℃時，R1234yf的COP較高;在蒸發(fā)溫度為5 ℃和10 ℃時，R152a的COP較高.

在發(fā)生器換熱量一定的情況下，隨著噴射器進口壓力的不斷升高，工作流體和引射流體之間的壓差不斷增大，引射流體的質(zhì)量流量不斷增大，系統(tǒng)制冷量也越來越大，所以系統(tǒng)的制冷效果越來越好.

4 結(jié) 語

本文運用實際工質(zhì)的熱力學性質(zhì)，建立噴射器的熱力學計算模型，分析比較了采用不同的制冷劑時太陽能噴射制冷系統(tǒng)的性能，得出以下主要結(jié)論：

(1)隨著過熱度的不斷降低，噴射器進口壓力不斷升高，噴射器的噴射系數(shù)和系統(tǒng)的性能系數(shù)都呈現(xiàn)不斷增大的趨勢；

(2)在系統(tǒng)制冷性能比較理想的前提下，適當降低噴射器的進口壓力，在壓差相對較小的范圍內(nèi)選取合適的制冷劑泵，對太陽能噴射制冷系統(tǒng)運行的穩(wěn)定以及取得良好的制冷效果起著至關(guān)重要的作用.

圖10 蒸發(fā)溫度為10 ℃時系統(tǒng)性能系數(shù)變化曲線圖

參考文獻:

[1] 田琦. 太陽能噴射式制冷[M]. 北京: 科學出版社, 2007.

[2] 索科落夫, H.M.津格爾. 噴射器[M]. 北京: 科學出版社,1977.

[3] 鄭慧凡. 太陽能噴射/壓縮聯(lián)合制冷系統(tǒng)性能研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學, 2008：19-28.