董華昌 劉 偉 王景剛 鮑玲玲 李 娜

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基于CFD的新型噴射式制冷系統(tǒng)噴射器的優(yōu)化研究

董華昌1劉 偉2王景剛1鮑玲玲1李 娜1

（1.河北工程大學(xué)城建學(xué)院 邯鄲 056038；2.河北省科學(xué)院能源研究所 石家莊 050081）

介紹了以R134a為制冷工質(zhì)的一種新型的太陽能噴射式制冷系統(tǒng)，通過CFD模擬噴射器來優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)。分析了系統(tǒng)運行參數(shù)以及噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴射制冷系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果顯示，蒸發(fā)溫度為5℃，冷凝溫度為36℃時，噴射器的噴嘴距0mm的噴射器性能最好，噴射系數(shù)能達0.32，系統(tǒng)COP達0.36。

太陽能集熱器發(fā)生器；噴射器；數(shù)值模擬

0 引言

近年來中國大部分地區(qū)尤其京津冀出現(xiàn)嚴重的霧霾，對人民健康及環(huán)境問題敲響警鐘，開發(fā)并利用清潔能源成為迫切需要解決的問題。太陽能、廢熱等低品位熱能的利用再次成為研究焦點，以太陽能作為低品味熱源驅(qū)動的噴射制冷系統(tǒng)具有較高的優(yōu)勢。噴射制冷具有結(jié)構(gòu)相對簡單、運動部件較少、運行成本及維護費用低等特點。

20世紀初法國的Leblane和英國的Parsons設(shè)計的第一臺蒸噴式制冷裝置，推動了噴射制冷技術(shù)的發(fā)展。但由于當(dāng)時蒸噴系統(tǒng)設(shè)備龐大、效率低，逐漸被機械壓縮式制冷方式所取代[1]。1980年，Wail首次提出了以太陽能為熱源的噴射制冷系統(tǒng)，并指出利用太陽能的噴射制冷系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。太陽能噴射制冷系統(tǒng)圖如圖1所示。

該系統(tǒng)主要包括兩部分：太陽能集熱子系統(tǒng)和噴射制冷子系統(tǒng)。太陽能集熱子系統(tǒng)主要以水作為介質(zhì)，集熱器中的水通過吸收太陽能來儲存到發(fā)生器中作為噴射系統(tǒng)的熱源，這樣導(dǎo)致系統(tǒng)需要設(shè)置發(fā)生器、蓄熱水槽、循環(huán)泵等部件，導(dǎo)致太陽能噴射系統(tǒng)體積龐大，經(jīng)濟性差。同時，在發(fā)生器裝置內(nèi)部銅管內(nèi)的水與銅管外的制冷工質(zhì)之間進行熱量交換，這樣不僅增大了系統(tǒng)的傳熱損失，也會降低了整個噴射系統(tǒng)的制冷循環(huán)性能系數(shù)。因此，提出了一種新型的制冷系統(tǒng)——直接蒸發(fā)式太陽能噴射制冷系統(tǒng)[3]（系統(tǒng)圖和lg P-h圖分別如圖2和圖3所示），該系統(tǒng)省卻傳統(tǒng)噴射制冷系統(tǒng)中的發(fā)生器，采用太陽能集熱發(fā)生器一體化技術(shù)，制冷工質(zhì)在集熱發(fā)生器內(nèi)通過吸收太陽輻射能直接蒸發(fā)，減少了熱量損失和能量耗散。中間換熱器去掉以后，整個系統(tǒng)的COP被提高主要體現(xiàn)在兩方面，一方面是在太陽能集熱能量不變的情況下，提高噴射制冷系統(tǒng)的發(fā)生溫度。另一方面是在噴射制冷系統(tǒng)的發(fā)生溫度不變的情況下，通過降低太陽能集熱器的集熱溫度來提高集熱效率。

圖1 太陽能噴射制冷系統(tǒng)原理圖

圖2 直接蒸發(fā)式太陽能噴射制冷系統(tǒng)流程圖

圖3 噴射制冷循環(huán)lg P-h圖

通過圖2可以看出，1-2-3過程表示太陽輻射通過太陽能集熱發(fā)生器里的吸熱板，將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。吸熱板表面涂有選擇性吸收涂層，將吸收的熱能以熱傳導(dǎo)的方式傳給管內(nèi)的液態(tài)制冷劑，液態(tài)制冷劑吸收熱能后汽化、增壓，變成高溫高壓的飽和蒸氣流入噴射器，使得太陽能集熱發(fā)生器的溫度與制冷劑的蒸發(fā)溫度基本保持一致。3-4過程表示制冷劑蒸氣在噴嘴中絕熱膨脹，壓力減小，使得吸入室內(nèi)變?yōu)榈蛪涵h(huán)境，將蒸發(fā)器中的低溫低壓制冷劑蒸氣引射到噴射器中，兩股制冷劑蒸氣充分混合后進入擴壓段，借助工作蒸氣的動能而升壓。4-5過程表示混合后的制冷劑蒸氣，經(jīng)風(fēng)冷冷凝器定壓放熱、凝結(jié)，變?yōu)榈蜏馗邏旱囊簯B(tài)制冷劑，貯存到儲液罐中，從儲液罐出來的制冷劑液體分為兩股，5-1過程表示一股經(jīng)循環(huán)泵加壓直接送入太陽能集熱發(fā)生器，再吸收熱量汽化變?yōu)檩^高壓力的工作蒸氣，從而完成集熱循環(huán)過程。5-1′過程表示另一股經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓進入直接蒸發(fā)式表冷器，該過程為絕熱的不可逆過程，只是絕熱前后焓值不變。1′-2′過程表示低溫低壓的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中吸收室內(nèi)環(huán)境的熱量汽化成低溫低壓的引射蒸氣，從而完成制冷循環(huán)。

1 噴射器的設(shè)計

1.1 理論計算

在太陽能噴射式制冷系統(tǒng)中，噴射器的性能直接決定了整個太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的運行，是系統(tǒng)的核心部件。噴射器的系數(shù)決定整個系統(tǒng)的COP，如圖4所示為噴射器設(shè)計結(jié)構(gòu)簡圖。

圖4 噴射器設(shè)計結(jié)構(gòu)簡圖

選擇合適的制冷劑對于直接蒸發(fā)式太陽能噴射制冷系統(tǒng)而言尤為重要，它會直接影響到整個系統(tǒng)的性能及其穩(wěn)定性。制冷劑R134a的熱物性參數(shù)如表1所示，其制冷工質(zhì)的ODP值為0，物性與R12也十分接近，考慮到以R12為制冷劑的系統(tǒng)研究已非常成熟，用其替代R12后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無需進行大的改動仍可高效率運行。其在設(shè)計工況中的物性參數(shù)如表2所示。

表1 R134a的熱物性參數(shù)

表2 在設(shè)計工況下制冷劑R134a的物性參數(shù)

結(jié)合索科洛夫[4]對噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和Hisham等[5]提出的噴射器設(shè)計計算方法，對噴射器進行設(shè)計計算。有研究表明混合室內(nèi)帶有圓錐段設(shè)計的噴射器要比單采用圓柱形混合室的噴射器得到的噴射系數(shù)要高，而且具有較大的壓縮比。在初始設(shè)計過程中，假設(shè)噴嘴出口到混合室入口之間及工作蒸汽和引射蒸汽之間沒有混合。噴射器的可達噴射系數(shù)根據(jù)第二極限狀態(tài)時可表示為[6-7]：

其中，P，P，P分別為蒸發(fā)壓力、冷凝壓力和工作蒸汽壓力，Pa；為噴射系數(shù)；q3，q分別為混合蒸汽出口和噴嘴出口處蒸汽的折算質(zhì)量流量，kg/s；，T，T為工作蒸汽溫度和蒸發(fā)溫度，K。

（3）

1.2 CFD模擬

通過CFD模擬軟件對本文設(shè)計的噴射器進行計算模擬，可以了解該噴射器內(nèi)部流場分布，最后予以模擬分析矯正，由于三維模型對計算機要求較高，所以將噴射器簡化為二維軸對稱旋轉(zhuǎn)模型。在模擬過程中，通過改變噴嘴距L（噴嘴距L是指噴嘴出口截面到混合室入口的距離），觀察其對噴射器性能的影響規(guī)律。圖4為設(shè)計工況為發(fā)生溫度80℃；引射壓力0.35MPa，蒸發(fā)溫度5℃；冷凝溫度36℃的條件下，噴嘴距分別為15mm，10mm，0mm，-10mm，-15mm時得到相應(yīng)的馬赫數(shù)云圖。

圖5的比較分析可以看出，噴嘴距與混合室入口距離在-15～15mm之間，發(fā)現(xiàn)在圓柱段混合室內(nèi)流體的馬赫數(shù)始終是減小的，壓力是增大的。理論上，這種變化趨勢使得噴射系數(shù)應(yīng)該是增大的。但是通過圖7和圖8可以看出，在噴嘴距為-15～0mm時，噴射系數(shù)處于上升階段，但是在0～15mm時，噴射系數(shù)逐漸下降，這是因為噴嘴越深入到混合室內(nèi)，工作流體在噴嘴出口處產(chǎn)生的激波對噴射器的影響越大，導(dǎo)致能量損失越大，對系統(tǒng)COP影響也越大。在噴嘴距為-10～-15mm時，通過圖6發(fā)現(xiàn)在吸入室和圓錐段混合室都產(chǎn)生了局部回流現(xiàn)象，這是因為從噴嘴出口流出的工作流體速度大，形成一個高速流域。由于高速流的卷吸作用，流體有向引射流體入口流動，造成兩側(cè)區(qū)域有明顯的回流現(xiàn)象。通過以上分析，發(fā)現(xiàn)在L=0mm處，噴射系數(shù)達到最大值0.32，系統(tǒng)COP達0.36，因此被確定為最佳噴嘴距。

圖5 噴嘴距分別為-15mm，-10mm，0mm，10mm，15mm的馬赫數(shù)分布云圖

圖6 吸入室和圓錐段混合室內(nèi)出現(xiàn)了回流現(xiàn)象

圖7 嘴距對噴射系數(shù)的影響曲線

圖8 嘴距對系統(tǒng)COP的影響曲線

2 系統(tǒng)性能分析

針對直接蒸發(fā)式太陽能噴射制冷系統(tǒng)進行熱力學(xué)分析。對該系統(tǒng)做以下假設(shè)：

（1）整個系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下運行；

（2）忽略制冷工質(zhì)在流動過程中對系統(tǒng)的管路及換熱設(shè)備產(chǎn)生的壓力損失；

（3）冷凝器出口出來的制冷工質(zhì)為飽和液體；

（4）蒸發(fā)器出口出來的制冷工質(zhì)為飽和蒸汽；

（5）制冷劑在噴射器內(nèi)等壓混合，從噴射器出來后壓力降為冷凝壓力；

（6）制冷劑一直處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)，噴嘴加速過程和擴散室升壓過程均為等熵過程，損失忽略不計；

（7）忽略噴射器內(nèi)流動損失以及與外界換熱，即把工作噴射嘴和引射噴嘴以及礦壓室的流動按等熵過程處理[8]。

根據(jù)熱力學(xué)定義，噴射制冷系統(tǒng)COP可由下式表示：

考慮到太陽能集熱器的效率，直接蒸發(fā)式太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的綜合性能系數(shù)：

（5）

其中：

式中，為理論上太陽能集熱的最高效率；為斜率曲線的斜率；為太陽能集熱發(fā)生器的采光面積，m2；T為吸熱管的溫度，，℃；為太陽輻射照度，W/m2；T為環(huán)境溫度或室外溫度，℃。

噴射系數(shù)的大小是衡量噴射器性能好壞的一個重要參考指標(biāo)，由圖7可知，當(dāng)噴嘴距為0mm，所設(shè)計的噴射器的噴射系數(shù)能達到最大值。在太陽能噴射制冷系統(tǒng)中，噴射器的引射口直接與蒸發(fā)器相連，因而蒸發(fā)溫度決定了工質(zhì)引射壓力。而蒸發(fā)溫度需根據(jù)現(xiàn)場實際情況來擬定，所以不能隨意加大或減小。相關(guān)研究表明，冷凝溫度對噴射系統(tǒng)的影響要比蒸發(fā)溫度大[9]。因此不考慮提高引射壓力或者蒸發(fā)溫度來改善噴射器的性能。本文重點探討冷凝溫度對噴射器性能的影響。圖9和圖10 分別為發(fā)生溫度為80°下，噴射器的噴射系數(shù)和系統(tǒng)COP隨冷凝溫度的變化。

圖9 不同冷凝溫度對噴射系數(shù)影響曲線

圖10 不同冷凝溫度對系統(tǒng)COP影響曲線

通過圖9和圖10分析，冷凝溫度在28-46℃之間，噴射系數(shù)在溫度28-36℃時是趨于平緩的狀態(tài)；在溫度36-40℃時，噴射系數(shù)是減小的緩慢，然后在溫度40-46℃時，噴射系數(shù)是迅速減小的。系統(tǒng)COP在冷凝溫度為36℃時的值最大，超過36℃后系統(tǒng)的性能明顯降低。這個變化說明存在一個臨界冷凝溫度值t*，本文的冷凝臨界值為36℃。當(dāng)噴射器的出口溫度小于該值時，冷凝溫度對系統(tǒng)的運行產(chǎn)生的影響不明顯；但當(dāng)噴射器的出口溫度大于該值時，噴射器的工作性能就明顯下降，噴射系數(shù)降低，并且出現(xiàn)回流現(xiàn)象，影響噴射器的正常工作。

3 結(jié)論分析

（1）采用太陽能集熱發(fā)生器一體化技術(shù)，制冷劑在集熱發(fā)生器內(nèi)直接蒸發(fā)，減少了熱量損失和能量耗散，增大了系統(tǒng)COP。

（2）噴射器的噴嘴距為0mm為最佳噴嘴距，蒸發(fā)溫度5℃，冷凝溫度36℃時，噴射器的噴射系數(shù)能達到0.32，系統(tǒng)COP達到最大值。

（3）冷凝溫度在一定范圍的增大對系統(tǒng)COP和噴射系數(shù)的變化影響不大，但超過某一臨界溫度值后，再增大冷凝溫度會使噴射系數(shù)迅速減小，系統(tǒng)COP明顯降低。在太陽能噴射制冷系統(tǒng)中，噴射器的出口溫度要接近冷凝器的冷凝溫度。在實際操作中，應(yīng)該保持噴射器的出口溫度不得高于臨界溫度值，這樣才能保證噴射器高效穩(wěn)定的運行。

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Research on the Optimization Analysis of a New Solar Ejector Refrigeration System Based on CFD

Dong Huachang1Liu Wei2Wang Jinggang1Bao Lingling1Li Na1

( 1.College of Urban Construction, Hebei University ofEngineering, Handan, 056038;2.Energy Research Institute ,Hebei Academy of Sciences, ShiJiaZhuang, 050081 )

Describes a new solar ejector refrigeration system using R134a as refrigerant. To optimize the structure parameters CFD analysis of the ejector,analysis the effects of structural parameters and operating parameters of ejector cooling system, the simulation results show that evaporation temperature 5℃, condensing temperature 36℃, the injector nozzle distance of 0mm preferably, injection coefficient can reach 0.32 and the COP 0.36.

solar collector and generator integration;ejector; numerical simulation

1671-6612（2016）05-515-05

TK511+.3

A

國家自然科學(xué)基金資助項目（編號：51408182）；河北省教育廳科學(xué)技術(shù)處資助項目（編號：QN2014064）河北省自然科學(xué)基金資助項目（編號：E2015402139）

董華昌（1989.10-），男，在讀碩士研究生，E-mail：dongmvp1989@163.com

王景剛（1962.11-），男，博士，教授，E-mail：jinggangwang@hebeu.edu.cn

2015-08-27