無泵噴射式制冷系統(tǒng)性能的改進(jìn)

徐 曉 唐黎明 羅江玉 陳光明

(1 浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)(2浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

無泵噴射式制冷系統(tǒng)性能的改進(jìn)

徐 曉1,2唐黎明1,2羅江玉1,2陳光明1,2

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)(2浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

為了優(yōu)化噴射制冷系統(tǒng)，進(jìn)一步降低噴射制冷中的電能消耗，實(shí)驗(yàn)研究了利用制冷劑自身重力通過閥切換回液的方法實(shí)現(xiàn)“無泵噴射式制冷”。主要研究了不同的閥切換頻率對系統(tǒng)COP以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在保證噴射器正常工作、儲液罐未儲滿且回液完全的條件下，切換頻率由15次每小時降低到6次每小時時，發(fā)生器的溫度波動由0.89 ℃升高到了2.23 ℃，系統(tǒng)的COP由0.285提高到了0.345。

制冷 無泵 噴射COP余熱

1 引 言

噴射式系統(tǒng)、吸收式系統(tǒng)和吸附式系統(tǒng)是三大主流的低品位能源驅(qū)動制冷系統(tǒng)。其中，吸收式和吸附式制冷系統(tǒng)研究歷史悠久，投入較大，已經(jīng)有相應(yīng)的制冷機(jī)產(chǎn)品，加之在太陽能研究方面，由于太陽能相對穩(wěn)定且蘊(yùn)含能量大，已經(jīng)能為制冷系統(tǒng)提供穩(wěn)定熱源，因此，在穩(wěn)定的工作環(huán)境下，吸收式和吸附式系統(tǒng)的研究已經(jīng)獲得較好的進(jìn)展。D.S.KimaK比較了不同系統(tǒng)利用太陽能時的COP，認(rèn)為噴射式制冷系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單、初投資低，但是其效率無法與吸收式、吸附式以及壓縮式制冷系統(tǒng)相比[1]。Chunnanond和J.M.Abdulateef都較為詳細(xì)的介紹了噴射器對太陽能的利用情況[2-3]。

在汽車廢熱利用和漁船應(yīng)用方面，吸收式或吸附式系統(tǒng)由于體積較大、安裝困難、初期投資高等原因，加之汽車和漁船存在顛簸問題，應(yīng)用受到限制。相對而言，噴射式制冷系統(tǒng)具有初期投資低、運(yùn)行穩(wěn)定且可使用環(huán)保制冷劑的優(yōu)勢，伴隨著噴射器設(shè)計(jì)及加工技術(shù)的提高，正受到越來越多的重視和研究[4]。

Wali于 1980年首次提出了以太陽能為熱源的噴射制冷系統(tǒng)[5]。對制冷劑和噴射器以及動力機(jī)構(gòu)泵和整個系統(tǒng)的研究成為噴射式制冷系統(tǒng)研究工作中的重點(diǎn)。噴射式制冷系統(tǒng)的缺點(diǎn)是效率低，所以對噴射制冷效率的提高是研究噴射式制冷的一個主要內(nèi)容。20世紀(jì)90 年代，俄國的Sokolov[6]提出的增壓噴射循環(huán)和壓縮噴射混合循環(huán)比較引人注目。

提高系統(tǒng)性能的一個行之有效的方法就是噴射式制冷系統(tǒng)的無泵研究。循環(huán)泵作為噴射式制冷系統(tǒng)唯一的運(yùn)動部件，在漁船、汽車等交通運(yùn)輸工具中，由發(fā)動機(jī)發(fā)電帶動的循環(huán)泵會帶來額外的能量損耗。并且，引發(fā)的振動可能影響制冷系統(tǒng)的效率，增大初期投資[7]。

Kasperski[8]等人提出了一種重力噴射式系統(tǒng)模型，對發(fā)生器、冷凝器和蒸發(fā)器內(nèi)的壓力情況進(jìn)行了詳細(xì)的模擬和分析。英國諾丁漢大學(xué)的 Nguyen 等人也于2001年提出了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(tǒng)[9]。這兩種系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了重力回液，但是兩種系統(tǒng)都需要很大的高度差，系統(tǒng)體積過大。為了使冷凝器和發(fā)生器的高度差最小化，需要選擇高密度、低蒸汽壓的制冷劑，故工質(zhì)的選擇也受到了很大的限制。

Srisastra[10]等人提出了利用制冷劑自身重力實(shí)現(xiàn)回液的無泵噴射式制冷系統(tǒng)，采用閥切換的方法將發(fā)生器的壓力能傳送給儲液罐，實(shí)現(xiàn)壓力平衡，儲液罐內(nèi)制冷劑可以直接通過重力作用流回發(fā)生器。但是該系統(tǒng)存在系統(tǒng)COP較低、周期性的回水蓄水會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。本文的實(shí)驗(yàn)臺便是基于Srisastra提出的系統(tǒng)，研究閥切換頻率對系統(tǒng)性能的影響，通過大量實(shí)驗(yàn)，得出了該系統(tǒng)的性能受蓄水時間和回水時間影響的結(jié)論。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和系統(tǒng)

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)流程圖。該系統(tǒng)用水為工質(zhì)，主要部件包括發(fā)生器、噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、儲液罐、節(jié)流裝置以及4個電磁閥，其中4個電磁閥與儲液罐組成了閥切換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的周期性回水和蓄水，使系統(tǒng)正常運(yùn)行，蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷量由外部循環(huán)水帶走。

圖1 無泵噴射式制冷系統(tǒng)流程圖T.熱電偶；P.壓力傳感器；M.質(zhì)量流量計(jì)；V.浮子流量計(jì)；V1,V2,V3.手動閥；A1,A2,B1,B2.電磁閥。Fig.1 Diagram of pump free ejection refrigeration system

工作原理：實(shí)驗(yàn)分蓄水和回水兩個部分。實(shí)驗(yàn)開始時，打開閥門B1和B2，關(guān)閉閥門A1和A2，工質(zhì)在發(fā)生器中加熱，形成高溫高壓的蒸汽，進(jìn)入噴射器，引射來自蒸發(fā)器中的低溫低壓流體，兩股流體充分混合后進(jìn)入冷凝器冷凝，冷凝后的工質(zhì)一部分經(jīng)過U型管節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器制冷，另一部分在重力作用下經(jīng)過電磁閥B2進(jìn)入儲液罐，完成蓄水；經(jīng)過一定時間后，關(guān)閉閥門B1和B2，打開閥門A1和A2，高溫高壓氣體經(jīng)閥門A1進(jìn)入儲液罐，平衡發(fā)生器和儲液罐中的壓力之后，因?yàn)閮σ汗薷哂诎l(fā)生器，儲液罐中的工質(zhì)在重力的作用下經(jīng)閥門A2回到發(fā)生器，完成回水過程。電磁閥B1的作用是在下一個蓄水周期開始時，儲液罐中的高溫高壓氣體能夠通過B1進(jìn)入冷凝器冷凝，保證蓄水的正常進(jìn)行。

該實(shí)驗(yàn)中，發(fā)生器采用電加熱，功率可調(diào)。蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量由外部循環(huán)水帶走，冷凝器的冷凝也由外部循環(huán)水完成。因?yàn)樾钏畷r間遠(yuǎn)大于回水時間，所以電磁閥A1和A2采用電開常閉型電磁閥，B1和B2采用電關(guān)常開型電磁閥。發(fā)生溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度分別為150 ℃、54 ℃和13 ℃，發(fā)生器的最大加熱功率為18 kW，冷凝器設(shè)計(jì)換熱量為10 kW。噴射器各部件尺寸見表1。

表1 噴射器各部件尺寸Table 1 Dimensions of ejector

各測量儀器精度及誤差范圍見表2所示。

表2 測量儀器精度及誤差范圍Table 2 Instrument precision and error range

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究目的是探究無泵噴射式制冷系統(tǒng)在穩(wěn)定工作情況下，電磁閥的切換作用對整個系統(tǒng)性能的影響，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定相同的發(fā)生溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度，設(shè)定發(fā)生壓力的初始值為86 kPa，加熱方式采用恒定的加熱量，通過改變切換頻率，研究周期性回水對系統(tǒng)工作性能的影響。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，儲液罐蓄滿之前，閥切換頻率過低，蓄水時間過長，會導(dǎo)致一個周期內(nèi)儲液罐蓄水量增加，這樣在回水時回到發(fā)生器中的工質(zhì)就會增加，導(dǎo)致發(fā)生壓力降低，所以儲液罐的尺寸不能太大。為了使噴射器正常工作，必須保證噴射器出口的壓力大于冷凝壓力，發(fā)生壓力不能過低。又因?yàn)榛厮芷趦?nèi)都需要將儲液罐剩余液體上方空間內(nèi)充滿高溫高壓的氣體，回水周期完成后，這些氣體將會通過冷凝器冷凝浪費(fèi)掉。如果閥切換頻率太高，儲液罐上方未充滿液體的體積太大，則浪費(fèi)熱能。所以應(yīng)該盡量減少儲液罐上方未充滿液體的體積。

綜上，系統(tǒng)的最佳狀態(tài)是確定的：儲液罐的最大體積應(yīng)該是不要讓發(fā)生器壓力下降到極限為設(shè)計(jì)前提，蓄水周期的時間應(yīng)該是盡量讓儲液罐充滿，回水周期的時間是讓儲液罐中的液體放完?？偟脑瓌t是減小儲液罐上方未充滿液體的體積。

實(shí)驗(yàn)中，回水時間設(shè)定為30 s時，不同閥切換頻率下系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果的部分參數(shù)如表3所示，當(dāng)切換頻率從每小時15次降低到每小時6次時，系統(tǒng)的發(fā)生溫度波動由0.89 ℃升高到了2.23 ℃，系統(tǒng)的平均COP由0.285升高到了0.345，系統(tǒng)性能顯著提高。

表3 回水時間30 s時不同切換頻率下系統(tǒng)性能Table 3 Relationship between system COP and frequency of valve switching under liquid return time of 30 s

3.1 切換周期下發(fā)生壓力的變化

系統(tǒng)中發(fā)生器的發(fā)生壓力設(shè)計(jì)值為86 kPa、蒸發(fā)壓力設(shè)計(jì)值為0.9 kPa，實(shí)驗(yàn)臺的儲液罐在閥切換頻率為每小時6次時能夠蓄滿，在86 kPa的發(fā)生壓力下儲液罐蓄滿水后回水完全需要30 s，故閥切換的回水時間設(shè)定為30 s、切換頻率為每小時6次時，發(fā)生壓力隨時間的變化如圖2所示。儲液罐蓄水20 min后進(jìn)入回水周期，回水30 s，發(fā)生壓力由86.1 kPa降到82.9 kPa。之后進(jìn)入下一個蓄水過程，發(fā)生壓力在發(fā)生器的恒定加熱量下逐漸增大。在進(jìn)入下一個回水過程時，發(fā)生壓力回到了初始設(shè)定值86.1 kPa，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 發(fā)生壓力隨工作時間變化Fig.2 Relationship between pressure of generator and working time

3.2 回水時間對系統(tǒng)工作性能的影響

在回水周期內(nèi)，儲液罐中的低溫工質(zhì)在重力作用下進(jìn)入發(fā)生器中，發(fā)生器的加熱量恒定，所以發(fā)生溫度和壓力必然降低。但是只要發(fā)生壓力不降低到噴射器正常工作的臨界壓力，系統(tǒng)的性能就不會受到影響。

圖3為回水時間對系統(tǒng)性能的影響?；厮畷r間受回程阻力、發(fā)生壓力、回液總量等因素的影響，調(diào)節(jié)蓄水時間相同，因?yàn)榧訜崃亢愣?，系統(tǒng)工況一定，所以回水完全的時間相同。當(dāng)回水時間由20 s上升到40 s時，在實(shí)驗(yàn)的工況下，系統(tǒng)COP由約0.24下降到了0.20。

圖3 回水時間對系統(tǒng)性能影響Fig.3 Relationship between system COP and liquid return time

圖4為回水時間對發(fā)生器壓力的影響。由圖可以看出，隨著回水時間的增加，發(fā)生壓力下降由約2.0 kPa上升至約3.8 kPa?；厮A段，影響系統(tǒng)性能的是回水的量與加熱功率的比值，單位加熱功率的回水量越小，對系統(tǒng)性能的影響就越小。所以系統(tǒng)的回水時間應(yīng)該設(shè)定為系統(tǒng)回水完全的時間。

圖4 回水時間對發(fā)生器壓力影響Fig.4 Relationship between the pressureof generator and liquid return time

3.3 蓄水時間對系統(tǒng)工作性能的影響

蓄水時間與回水時間以及噴射器的質(zhì)量流量是相互耦合的，蓄水時間的最大值由儲液罐的容積決定，并對系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生影響。如圖5所示，在不同的回水時間下，當(dāng)蓄水時間增加時，系統(tǒng)性能會顯著增加。但是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件所限，當(dāng)蓄水時間達(dá)到23 min時儲液罐蓄滿，無法繼續(xù)增加蓄水時間，切換系統(tǒng)工作受到影響。

圖5 蓄水時間對系統(tǒng)性能影響Fig.5 Relationship between system COP and water storage time

圖6為不同回水時間下蓄水時間增加時，蓄水時間對發(fā)生器壓力的影響。蓄水時間越長，儲液罐中的低溫工質(zhì)相應(yīng)增加，回水時必然會導(dǎo)致發(fā)生器內(nèi)壓降增加。所以圖5中回水時間為30 s時的系統(tǒng)COP會略低于回水時間為20 s時的系統(tǒng)COP。

圖6 蓄水時間對發(fā)生器壓力的影響Fig.6 Relationship between system COP and pressure of generator

3.4 蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)性能的影響

在不同的回水時間下，固定蓄水時間為12 min時，系統(tǒng)性能隨蒸發(fā)壓力的變化如圖7所示。

圖7 蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)性能的影響Fig.7 Relationship between system COP and evaporating pressure

發(fā)生壓力相同時，提高蒸發(fā)壓力會使得系統(tǒng)的COP隨之得到提升。在不同的回水時間下，通過實(shí)驗(yàn)可以看出，縮短回水時間會略微提高相同蒸發(fā)壓力條件下的系統(tǒng)COP。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)主要研究了該無泵噴射式制冷系統(tǒng)的閥切換回水中，蓄水時間、 回水時間對系統(tǒng)發(fā)生壓力以及系統(tǒng)性能的影響。同時驗(yàn)證了系統(tǒng)擁有確定的最佳狀態(tài)的結(jié)論。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該無泵噴射式制冷系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在回水周期，回到發(fā)生器中的制冷劑會造成發(fā)生壓力下降而使噴射器工作不穩(wěn)定，故在實(shí)際工作中有必要嚴(yán)格控制回水量。

在噴射器能夠正常工作的前提下，系統(tǒng)的COP隨著系統(tǒng)蓄水時間的增加而增加，所以在保證噴射器正常工作的前提下應(yīng)該盡可能延長蓄水時間，使儲液罐完全充滿液體，同時應(yīng)保證回水完全，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。

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Performance improvement of a pump-free ejector cooling systems

Xu Xiao1,2Tang Liming1,2Luo Yujiang1,2Chen Guangming1,2

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics,Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)(2Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310027, China)

In order to achieve an optimal performance and further decrease power consumption of ejection refrigeration, the gravity of refrigerant is utilized. By switching valves when the liquid flows back to generator, it realizes the purpose of pump-free ejection refrigeration. The experiment focuses on effect of the frequency of valve switching on the system’s performance and stability. The results show that the frequency of valve switching from 15 times per hour to 6 times per hour under the condition that the ejector works well, storage tank is not full and the fluid completely returns to the generator, theCOPof the system increases from 0.285 to 0.345 with the temperature change of generator from 0.89 ℃ to 2.23 ℃.

refrigeration; pump-free; ejection;COP; waste heat

2016-04-27；

2016-06-01

徐 曉，男，26歲，碩士研究生。

TB61,TB65

A

1000-6516(2016)03-0041-05