基于CFD的新型喷射式制冷系统喷射器的优化研究

董华昌 刘 伟 王景刚 鲍玲玲 李 娜



基于CFD的新型喷射式制冷系统喷射器的优化研究

董华昌1刘 伟2王景刚1鲍玲玲1李 娜1

（1.河北工程大学城建学院 邯郸 056038；2.河北省科学院能源研究所 石家庄 050081）

介绍了以R134a为制冷工质的一种新型的太阳能喷射式制冷系统，通过CFD模拟喷射器来优化其结构参数。分析了系统运行参数以及喷射器结构参数对喷射制冷系统性能的影响。结果显示，蒸发温度为5℃，冷凝温度为36℃时，喷射器的喷嘴距0mm的喷射器性能最好，喷射系数能达0.32，系统COP达0.36。

太阳能集热器发生器；喷射器；数值模拟

0 引言

近年来中国大部分地区尤其京津冀出现严重的雾霾，对人民健康及环境问题敲响警钟，开发并利用清洁能源成为迫切需要解决的问题。太阳能、废热等低品位热能的利用再次成为研究焦点，以太阳能作为低品味热源驱动的喷射制冷系统具有较高的优势。喷射制冷具有结构相对简单、运动部件较少、运行成本及维护费用低等特点。

20世纪初法国的Leblane和英国的Parsons设计的第一台蒸喷式制冷装置，推动了喷射制冷技术的发展。但由于当时蒸喷系统设备庞大、效率低，逐渐被机械压缩式制冷方式所取代[1]。1980年，Wail首次提出了以太阳能为热源的喷射制冷系统，并指出利用太阳能的喷射制冷系统具有广阔的应用前景[2]。太阳能喷射制冷系统图如图1所示。

该系统主要包括两部分：太阳能集热子系统和喷射制冷子系统。太阳能集热子系统主要以水作为介质，集热器中的水通过吸收太阳能来储存到发生器中作为喷射系统的热源，这样导致系统需要设置发生器、蓄热水槽、循环泵等部件，导致太阳能喷射系统体积庞大，经济性差。同时，在发生器装置内部铜管内的水与铜管外的制冷工质之间进行热量交换，这样不仅增大了系统的传热损失，也会降低了整个喷射系统的制冷循环性能系数。因此，提出了一种新型的制冷系统——直接蒸发式太阳能喷射制冷系统[3]（系统图和lg P-h图分别如图2和图3所示），该系统省却传统喷射制冷系统中的发生器，采用太阳能集热发生器一体化技术，制冷工质在集热发生器内通过吸收太阳辐射能直接蒸发，减少了热量损失和能量耗散。中间换热器去掉以后，整个系统的COP被提高主要体现在两方面，一方面是在太阳能集热能量不变的情况下，提高喷射制冷系统的发生温度。另一方面是在喷射制冷系统的发生温度不变的情况下，通过降低太阳能集热器的集热温度来提高集热效率。

图1 太阳能喷射制冷系统原理图

图2 直接蒸发式太阳能喷射制冷系统流程图

图3 喷射制冷循环lg P-h图

通过图2可以看出，1-2-3过程表示太阳辐射通过太阳能集热发生器里的吸热板，将太阳能转变为热能。吸热板表面涂有选择性吸收涂层，将吸收的热能以热传导的方式传给管内的液态制冷剂，液态制冷剂吸收热能后汽化、增压，变成高温高压的饱和蒸气流入喷射器，使得太阳能集热发生器的温度与制冷剂的蒸发温度基本保持一致。3-4过程表示制冷剂蒸气在喷嘴中绝热膨胀，压力减小，使得吸入室内变为低压环境，将蒸发器中的低温低压制冷剂蒸气引射到喷射器中，两股制冷剂蒸气充分混合后进入扩压段，借助工作蒸气的动能而升压。4-5过程表示混合后的制冷剂蒸气，经风冷冷凝器定压放热、凝结，变为低温高压的液态制冷剂，贮存到储液罐中，从储液罐出来的制冷剂液体分为两股，5-1过程表示一股经循环泵加压直接送入太阳能集热发生器，再吸收热量汽化变为较高压力的工作蒸气，从而完成集热循环过程。5-1′过程表示另一股经膨胀阀节流降压进入直接蒸发式表冷器，该过程为绝热的不可逆过程，只是绝热前后焓值不变。1′-2′过程表示低温低压的液态制冷剂在蒸发器中吸收室内环境的热量汽化成低温低压的引射蒸气，从而完成制冷循环。

1 喷射器的设计

1.1 理论计算

在太阳能喷射式制冷系统中，喷射器的性能直接决定了整个太阳能喷射式制冷系统的运行，是系统的核心部件。喷射器的系数决定整个系统的COP，如图4所示为喷射器设计结构简图。

图4 喷射器设计结构简图

选择合适的制冷剂对于直接蒸发式太阳能喷射制冷系统而言尤为重要，它会直接影响到整个系统的性能及其稳定性。制冷剂R134a的热物性参数如表1所示，其制冷工质的ODP值为0，物性与R12也十分接近，考虑到以R12为制冷剂的系统研究已非常成熟，用其替代R12后系统结构无需进行大的改动仍可高效率运行。其在设计工况中的物性参数如表2所示。

表1 R134a的热物性参数

表2 在设计工况下制冷剂R134a的物性参数

结合索科洛夫[4]对喷射器的结构设计和Hisham等[5]提出的喷射器设计计算方法，对喷射器进行设计计算。有研究表明混合室内带有圆锥段设计的喷射器要比单采用圆柱形混合室的喷射器得到的喷射系数要高，而且具有较大的压缩比。在初始设计过程中，假设喷嘴出口到混合室入口之间及工作蒸汽和引射蒸汽之间没有混合。喷射器的可达喷射系数根据第二极限状态时可表示为[6-7]：

其中，P，P，P分别为蒸发压力、冷凝压力和工作蒸汽压力，Pa；为喷射系数；q3，q分别为混合蒸汽出口和喷嘴出口处蒸汽的折算质量流量，kg/s；，T，T为工作蒸汽温度和蒸发温度，K。

（3）

1.2 CFD模拟

通过CFD模拟软件对本文设计的喷射器进行计算模拟，可以了解该喷射器内部流场分布，最后予以模拟分析矫正，由于三维模型对计算机要求较高，所以将喷射器简化为二维轴对称旋转模型。在模拟过程中，通过改变喷嘴距L（喷嘴距L是指喷嘴出口截面到混合室入口的距离），观察其对喷射器性能的影响规律。图4为设计工况为发生温度80℃；引射压力0.35MPa，蒸发温度5℃；冷凝温度36℃的条件下，喷嘴距分别为15mm，10mm，0mm，-10mm，-15mm时得到相应的马赫数云图。

图5的比较分析可以看出，喷嘴距与混合室入口距离在-15～15mm之间，发现在圆柱段混合室内流体的马赫数始终是减小的，压力是增大的。理论上，这种变化趋势使得喷射系数应该是增大的。但是通过图7和图8可以看出，在喷嘴距为-15～0mm时，喷射系数处于上升阶段，但是在0～15mm时，喷射系数逐渐下降，这是因为喷嘴越深入到混合室内，工作流体在喷嘴出口处产生的激波对喷射器的影响越大，导致能量损失越大，对系统COP影响也越大。在喷嘴距为-10～-15mm时，通过图6发现在吸入室和圆锥段混合室都产生了局部回流现象，这是因为从喷嘴出口流出的工作流体速度大，形成一个高速流域。由于高速流的卷吸作用，流体有向引射流体入口流动，造成两侧区域有明显的回流现象。通过以上分析，发现在L=0mm处，喷射系数达到最大值0.32，系统COP达0.36，因此被确定为最佳喷嘴距。

图5 喷嘴距分别为-15mm，-10mm，0mm，10mm，15mm的马赫数分布云图

图6 吸入室和圆锥段混合室内出现了回流现象

图7 嘴距对喷射系数的影响曲线

图8 嘴距对系统COP的影响曲线

2 系统性能分析

针对直接蒸发式太阳能喷射制冷系统进行热力学分析。对该系统做以下假设：

（1）整个系统在稳态条件下运行；

（2）忽略制冷工质在流动过程中对系统的管路及换热设备产生的压力损失；

（3）冷凝器出口出来的制冷工质为饱和液体；

（4）蒸发器出口出来的制冷工质为饱和蒸汽；

（5）制冷剂在喷射器内等压混合，从喷射器出来后压力降为冷凝压力；

（6）制冷剂一直处于准平衡状态，喷嘴加速过程和扩散室升压过程均为等熵过程，损失忽略不计；

（7）忽略喷射器内流动损失以及与外界换热，即把工作喷射嘴和引射喷嘴以及矿压室的流动按等熵过程处理[8]。

根据热力学定义，喷射制冷系统COP可由下式表示：

考虑到太阳能集热器的效率，直接蒸发式太阳能喷射式制冷系统的综合性能系数：

（5）

其中：

式中，为理论上太阳能集热的最高效率；为斜率曲线的斜率；为太阳能集热发生器的采光面积，m2；T为吸热管的温度，，℃；为太阳辐射照度，W/m2；T为环境温度或室外温度，℃。

喷射系数的大小是衡量喷射器性能好坏的一个重要参考指标，由图7可知，当喷嘴距为0mm，所设计的喷射器的喷射系数能达到最大值。在太阳能喷射制冷系统中，喷射器的引射口直接与蒸发器相连，因而蒸发温度决定了工质引射压力。而蒸发温度需根据现场实际情况来拟定，所以不能随意加大或减小。相关研究表明，冷凝温度对喷射系统的影响要比蒸发温度大[9]。因此不考虑提高引射压力或者蒸发温度来改善喷射器的性能。本文重点探讨冷凝温度对喷射器性能的影响。图9和图10 分别为发生温度为80°下，喷射器的喷射系数和系统COP随冷凝温度的变化。

图9 不同冷凝温度对喷射系数影响曲线

图10 不同冷凝温度对系统COP影响曲线

通过图9和图10分析，冷凝温度在28-46℃之间，喷射系数在温度28-36℃时是趋于平缓的状态；在温度36-40℃时，喷射系数是减小的缓慢，然后在温度40-46℃时，喷射系数是迅速减小的。系统COP在冷凝温度为36℃时的值最大，超过36℃后系统的性能明显降低。这个变化说明存在一个临界冷凝温度值t*，本文的冷凝临界值为36℃。当喷射器的出口温度小于该值时，冷凝温度对系统的运行产生的影响不明显；但当喷射器的出口温度大于该值时，喷射器的工作性能就明显下降，喷射系数降低，并且出现回流现象，影响喷射器的正常工作。

3 结论分析

（1）采用太阳能集热发生器一体化技术，制冷剂在集热发生器内直接蒸发，减少了热量损失和能量耗散，增大了系统COP。

（2）喷射器的喷嘴距为0mm为最佳喷嘴距，蒸发温度5℃，冷凝温度36℃时，喷射器的喷射系数能达到0.32，系统COP达到最大值。

（3）冷凝温度在一定范围的增大对系统COP和喷射系数的变化影响不大，但超过某一临界温度值后，再增大冷凝温度会使喷射系数迅速减小，系统COP明显降低。在太阳能喷射制冷系统中，喷射器的出口温度要接近冷凝器的冷凝温度。在实际操作中，应该保持喷射器的出口温度不得高于临界温度值，这样才能保证喷射器高效稳定的运行。

[1] 吕光昭,李勇,代彦军,等.太阳能喷射式制冷技术（下）[J].太阳能,2011,(9):14-16.

[2] Wail E. Optimum working fluid for solar powered rankine cycle of buildings[J]. Solar Energy,1980,(25): 235-241.

[3] 柴会来.直接蒸发式太阳能喷射制冷研究[D].邯郸:河北工程大学,2013.

[4] 索科洛夫,津格尔.黄秋云(译).喷射器[M].北京:科学出版社,1977.

[5] Hisham EI-Dessouky, Hisham Ettouney, Imad Alatiqi, et al. Evaluation of steam jet ejectors[J]. Chemical Engineering and Processing, 2002,(41):551-561.

[6] Horikoshi T, Tsuchikawa T, Kobayashi Y. The effective raditation area and angle factor between man and a rectangular plane near him [J]. ASHRAE Trans, 1990, 96(1): 60-61.

[7] Jones B W, Hong S, McCullough E A. Detailed projected area data for the human body[J]. ASHRAE Trans, 1998,104(2):791-805.

[8] 魏新利,汤本凯,马新灵,等.两项喷射器对压缩-喷射制冷系统性能的影响研究[J].制冷与空调,2014, 28(1): 1-8.

[9] 郑慧凡,范晓伟,李安桂.HFC134a在太阳能喷射制冷系统中的性能分析[J].低温与超导,2008,36(1):38-41.

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

国家自然科学基金资助项目（编号：51408182）；河北省教育厅科学技术处资助项目（编号：QN2014064）河北省自然科学基金资助项目（编号：E2015402139）

董华昌（1989.10-），男，在读硕士研究生，E-mail：dongmvp1989@163.com

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

2015-08-27