太阳能喷射制冷系统新型喷射器工作特性的研究

摘要

随着世界经济的发展和能耗的增加，能源和环境问题已成为全世界关注的焦点。在我国，近年来随着经济的高速增长，能源消费呈持续上升趋势，能源问题已成为制约国民经济可持续发展的主要问题之一。实施先进节能技术、提高能源利用效率，是我国目前能源领域最重要、最迫切的问题。喷射式制冷以其可利用太阳能、地热能和工业余热等低品位热源，受到国内外越来越多的关注。
　　 喷射式制冷系统中的核心部件-喷射器，是一种利用高压流体抽吸低压流体的装置，通过工作流体的射流来实现能量的转化；它具有结构简单、没有运动部件、运转费用低廉、操作维修方便，对被抽介质无严格要求等优点。但目前对喷射器内部流动与混合机理认识还很不全面，现有的喷射器设计方法存在一定的不足，造成其抽吸率较低，系统的工作效率不高，从而制约了其广泛应用，如何提高系统工作性能就成为当前研究的主要任务，因此需要进一步加强对喷射器设计理论、结构优化、工作机理以及喷射式制冷系统工作参数优化方面的研究，设计出性能更好的喷射器，探索出更合理的系统运行方式。针对目前存在的问题，本文主要做了以下工作：
　　 (1)提出了一种新的喷射器结构改进设计方法--等马赫数梯度(CMNG)设计法，通过改进喷射器的关键部件--喷嘴、混合室收缩段以及扩压室的设计，使其母线呈流线型变化，即壁面的变化紧随流体马赫数的变化而变化，使流体能更好地贴附在壁面上，实现喷射器内速度的均匀变化，减少喷嘴出口及混合段内涡流损失、壁面摩擦损失等，避免了扩压室内速度的突变，消除扩压室内激波的产生及由此引起的边界层分离现象。提高了工作流体的抽吸性能及混合流体的速度能向压力能转化的效率，从而有利于喷射器内混合流体的排出，可有效提高喷射器的工作效率。另外，为便于计算喷射器的结构参数，编写了基于CMNG设计方法的喷射器设计计算程序。
　　 (2)就不同制冷剂对喷射器工作特性的影响进行了详细的分析与计算，结果表明R134a更适用于低品位热驱动的喷射制冷系统。当冷凝温度为30℃，蒸发温度为5℃，发生温度在70-85℃范围内变化时，其抽吸率比R123提高20.5％～71.8％，比R141b提高25％～39.7％，比R152a提高6.8％～19.6％。
　　 (3)详细分析了工作参数的改变对喷射器抽吸率及系统COP的影响。通过改变工作流体入口压力、引射流体的入口温度以及喷射器出口背压，得到了冷凝温度变化对喷射器的抽吸率及系统COP值的影响最大，其次是发生温度，而蒸发温度对其影响相对最小。冷凝温度每变化1℃，喷射器的抽吸率变化2.7％～8.5％，系统COP变化3.7％～8.9％，蒸发温度每变化1℃，喷射器的抽吸率变化1.4％～1.9％，系统的COP变化1.4％～2.1％；发生温度每变化1℃，喷射器的抽吸率变化0.75％～4.4％，系统的COP变化仅为0.59％～6％。
　　 (4)利用流体动力学计算软件FLUNENT对按照CMNG设计方法得到的喷射器进行了计算，通过对内部流场的计算分析，揭示了喷嘴出口处两股流体间由于存在较大的速度差，在交界面形成了一个不连续的间断面，由于剪切力的作用，引射流体速度不断增大，工作流体的速度则逐步降低，两股流体不断进行动量和能量的交换，最终趋于一致；另外对按CMNG设计方法及常规设计方法得到的喷射器内部流体流动迹线进行了详细的对比分析，计算结果表明按照CMNG方法得到的喷射器可有效的减少涡流损失、边界层分离损失等。
　　 (5)利用模糊灰色理论，对影响喷射器性能的参数进行了分析，得到了面积比是影响喷射器性能的主要因素，膨胀比和压缩比对喷射器性能也有较为明显的影响，而喷嘴位置对喷射器性能的影响相对较小。通过对已有数据的分析，建立了灰色差分预测模型。
　　 (6)针对我国地域辽阔，南北气候差异较大，同一时间不同地区的太阳日照时数和太阳辐照度差别较大的特点，建立了普适的太阳能喷射制冷系统数学模型，并选取具有代表性的七个城市，对太阳能喷射式制冷系统在我国的应用前景、适用范围进行了详细的分析与讨论，得到系统COP在0.16-0.24之间，其中最高效率出现在太阳能资源丰富的拉萨地区；在太阳能资源一般地区，系统的平均总效率随着纬度的降低而降低，大部分地区平均系统COP在0.18以上，其太阳能保证率在0.32～0.82之间，可减小空调能耗1/3～4/5。表明太阳能喷射制冷系统在我国大部分地区使用具有良好的工作特性，从而为太阳能喷射制冷系统推广应用提供了强有力的依据。
　　 (7)以上海市为例，对用于办公空调的太阳能喷射制冷系统的动态变化特性进行了深入的分析与讨论。得到了从上午8时到下午4时，太阳能喷射制冷系统能稳定工作在COP为0.17-0.22之间，系统的平均COP为0.19，平均太阳能保证率为0.88。

目录

文摘

英文文摘

主要物理量名称及符号表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 喷射式制冷研究现状

1.2.1 喷射器理论研究现状

1.2.2 喷射器实验研究现状

1.2.3 喷射式制冷系统的研究

1.2.4 喷射制冷系统应用研究现状

1.3 目前存在的问题

1.4 本文研究内容

第二章 喷射器结构及其改进设计

2.1 喷射器工作原理

2.1.1 喷射器结构

2.1.2 喷射器内部流动混合原理

2.2 喷射器基本设计理论

2.3 喷射器结构改进设计方法

2.3.1 设计原理及基本假设

2.3.2 径向尺寸的改进设计

2.3.3 轴向长度的确定

2.3.4 喷射器设计计算求解过程及计算程序

2.3.5 计算结果与分析

2.4 本章小结

第三章 喷射器内部流动现象的数值分析

3.1 流动控制方程

3.2 湍流模型的选用

3.3 边界条件

3.3.1 进出口边界条件

3.3.2 固体壁面边界条件

3.4 数值计算方法

3.5 网格的划分和选择

3.6 计算结果与分析

3.6.1 几何模型及边界条件设置

3.6.2 流场分析

3.7 本章小结

第四章 喷射器及喷射制冷系统性能分析

4.1 热力学分析方法

4.1.1 喷射器热力过程

4.1.2 模型及其验证

4.1.3 制冷剂选取

4.1.4 工作条件对喷射器性能影响分析

4.2 喷射器性能实验研究

4.2.1 实验系统装置介绍

4.2.2 实验过程

4.2.3 不同实验结果对比分析

4.2.4 实验结果误差分析

4.3 本章小结

第五章 喷射器性能灰色分析

5.1 灰关联分析

5.1.1 灰关联模型

5.1.2 喷射器性能的灰色关联分析

5.2 喷射器性能的灰色预测模型

5.2.1 计算方法介绍

5.2.2 计算结果与分析

5.3 本章小结

第六章 太阳能喷射制冷系统的研究

6.1 太阳能喷射制冷系统在我国应用的可行性

6.1.1 系统描述

6.1.2 各地气象数据

6.1.3 太阳能喷射制冷系统数学模型

6.1.4 求解方法

6.1.5 计算结果与讨论

6.2 太阳能喷射式制冷系统的动态特性

6.2.1 气象数据的采集

6.2.2 喷射器动态性能分析

6.2.3 太阳能喷射制冷系统动态性能分析

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 本课题创新点

7.3 课题展望

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢