太阳能喷射制冷系统高压侧制冷剂压力对系统性能的影响

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(1.中原工学院, 郑州 450007；2.许昌烟草机械有限责任公司，河南 许昌 461000)

喷射制冷技术是一种利用热能驱动的制冷技术，它可利用工业余热、发动机废热、地热能、太阳能等低品位热能进行制冷，提高能源的有效利用率[1].

太阳能喷射制冷系统的性能受制冷剂影响很大，同时不同的工质在制冷剂泵进出口有不同的压差.根据工质的压差选取合适的制冷剂泵，对太阳能喷射制冷系统运行的稳定以及取得良好的制冷效果起着重要作用.在符合流量要求下，随着扬程的增大，制冷剂泵的造价也越来越高，可供选择的制冷剂泵的范围也越来越小.本文将结合工质的热力学性质，根据工质在制冷剂泵进出口的压差，建立喷射器的热力学模型，分析采用不同制冷剂时太阳能喷射制冷系统的性能.

1 太阳能喷射制冷系统

太阳能喷射制冷系统工作原理是：发生器中的制冷剂吸收来自太阳能集热器的热量后形成高温高压蒸汽，在喷嘴中绝热膨胀，压力降低，将蒸发器中的低温低压蒸汽引射入喷射器中，两股制冷剂混合后在冷凝器中冷凝成液体，冷凝液一部分经工质泵增压后进入发生器，另外一部分经节流阀降压后进入蒸发器中吸热气化完成制冷循环.

图1是太阳能喷射制冷系统压焓图.图中，1-2代表发生过程，5-6代表冷凝过程，7-8代表蒸发过程.

图1 太阳能喷射制冷系统压焓图

设me、mg分别为引射流体和工作流体的质量流量，则蒸发器中的制冷量Qe为：

Qe=me(h8-h7)

式中：h7、h8——蒸发器的出口、进口焓值.

发生器中的换热量Qg为：

Qg=mg(h2-h1)

式中：h1、h2——发生器的出口、进口焓值.

冷凝器中的换热量Qc为：

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

式中：h5、h6——冷凝器的进口、出口焓值.

喷射式制冷系统的性能系数μ为：

喷射式制冷系统的性能系数COP为：

2 喷射器模型的建立

在太阳能喷射制冷系统中，喷射器是最核心的部件，对系统性能的提高起着决定性作用.本文基于气体动力学理论基础，根据动量守恒的基本定律，引入等熵速度、折算速度、相对压力和相对密度等气体动力学函数，建立喷射器的计算模型.计算过程的假设如下：

(1)假设气体的绝热指数KP=KH；

(2)假设气体的气体常数RP=RH；

(3)假设工作流体和引射流体进入混合室之前，在工作喷嘴出口截面与圆柱形混合室入口截面之间的一段不相混合；

(4)工作流体和引射流体在输入管道中的初速度以及它们在混合室中的速度相对较小，因此忽略不计；

(5)忽略流体的径向不均匀性，流动为准一维稳定流动.

详细的气体动力函数及符号说明见文献[2].

系统流程如图2所示.

图2 喷射系数计算流程图

3 计算结果分析

3.1 工质泵进出口的压差

工质泵是太阳能喷射制冷系统中唯一的运动部件，也是系统稳定进行制冷循环的核心部件[3].在一定工况下，不同工质在工质泵的进出口会有不同的压差(见图3)，压差的大小很大程度上决定工质泵的选择.根据工质的压差选取合适增压范围的工质泵,不仅影响喷射制冷系统运行的稳定和维护，而且对太阳能喷射制冷系统取得良好的制冷性能起着重要作用.

图3 不同制冷剂在工质泵进出口的压差

本文结合第四代制冷剂0或低ODP、低GWP以及高效等特点，再考虑到工质的无毒和不易燃等安全方面的特性，对所有纯工质进行筛选.从图3中可以看出，R1234ze在工质泵进出口的压差最低，R134a的压差最大，R152a和R1234yf的压差比较接近，这是由工质自身的热物性所决定的.

3.2 喷射系统的性能比较

性能系数COP是评价系统性能的重要指标.本文选取发生温度80 ℃，冷凝温度35 ℃，蒸发温度0 ℃、5 ℃、10 ℃，在发生器换热量不变的前提下，过热度分别取1～5 ℃，分析采用不同的制冷剂时太阳能喷射制冷系统的性能.

图4为不同制冷剂的单位质量制冷量对比图.从图中可以看出，R152a单位质量制冷量最大，其次为R134a、R1234ze，R1234yf的单位质量制冷量最小.

图4 制冷剂的单位质量制冷量

采用不同制冷剂，在不同过热度下，喷射器进口的压力变化如表1所示.

表1 采用不同工质时喷射器进口的压力

图5—图7分别是在蒸发温度0 ℃、5 ℃、10 ℃下采用不同的制冷剂时，随着过热度的变化喷射器的喷射系数变化曲线图.

图5 蒸发温度为0 ℃时喷射器喷射系数变化曲线图

图6 蒸发温度为5 ℃时喷射器喷射系数变化曲线图

图7 蒸发温度为10 ℃时喷射器喷射系数变化曲线图

从图5—图7可以看出，随着过热度的不断降低，喷射器进口压力不断升高，喷射器的喷射系数不断增大.这是因为随着喷射器进口压力的不断升高，工作流体在出口可获得较大的速度，工作流体和引射流体之间的动能差也越来越大，导致更高的抽吸比，因此喷射系数也越来越大.

图8—图10分别是在蒸发温度0 ℃、5 ℃、10 ℃下采用不同的制冷剂时，随着过热度的不断变化系统性能系数变化曲线图.

图8 蒸发温度为0 ℃时系统性能系数变化曲线图

图9 蒸发温度为5 ℃时系统性能系数变化曲线图

从图8—图10可以看出，在蒸发温度为0 ℃时，R1234yf的COP较高;在蒸发温度为5 ℃和10 ℃时，R152a的COP较高.

在发生器换热量一定的情况下，随着喷射器进口压力的不断升高，工作流体和引射流体之间的压差不断增大，引射流体的质量流量不断增大，系统制冷量也越来越大，所以系统的制冷效果越来越好.

4 结 语

本文运用实际工质的热力学性质，建立喷射器的热力学计算模型，分析比较了采用不同的制冷剂时太阳能喷射制冷系统的性能，得出以下主要结论：

(1)随着过热度的不断降低，喷射器进口压力不断升高，喷射器的喷射系数和系统的性能系数都呈现不断增大的趋势；

(2)在系统制冷性能比较理想的前提下，适当降低喷射器的进口压力，在压差相对较小的范围内选取合适的制冷剂泵，对太阳能喷射制冷系统运行的稳定以及取得良好的制冷效果起着至关重要的作用.

图10 蒸发温度为10 ℃时系统性能系数变化曲线图

参考文献:

[1] 田琦. 太阳能喷射式制冷[M]. 北京: 科学出版社, 2007.

[2] 索科落夫, H.M.津格尔. 喷射器[M]. 北京: 科学出版社,1977.

[3] 郑慧凡. 太阳能喷射/压缩联合制冷系统性能研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2008：19-28.