太阳能驱动的喷射制冷实验研究

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 1.58MB 63 页 15积分

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摘要

随着人们生活水平的提高，对环境舒适度的要求也越来越高，空调的使用量

和使用范围大大增加。空调在提高人类生活质量的同时，也带来了很多负面的影

响。目前，使用最多的是依靠电力运行的机械压缩式制冷系统，其所带来的环境

污染问题和能源危机问题已经成为人们不可忽视的重大问题。对新能源的开发和

利用成为必然。太阳能以其清洁无污染、不受地域局限等独特的优点成为研究的

主要对象。太阳能喷射式制冷系统由于其可以利用低品位能源，并且结构简单、

运行稳定等优点成为众多研究者的研究对象。

论文对太阳能喷射式制冷系统性能和特点进行分析和研究，选取 R141b 作为

制冷剂。设计的系统发生温度为 80~90℃，蒸发温度为 8℃，冷凝温度选取夏季环

境温度 38℃，以此为基础，设计了实验装置中所需喷射器的结构和尺寸。系统的

制冷量为 2kW，系统选用电加热模拟太阳能，通过计算确定了运行所需要电加热

的功率以及发生器、蒸发器、冷凝器等各个部件的结构和参数等。根据对系统的

评价标准，确定实验系统中所需要测量的状态参数，搭建实验台并进行实验。实

验结果表明，喷射式制冷实验系统在发生温度高于 73℃，冷凝温度低于 38℃时可

以正常工作。实验结果表明，系统的喷射系数和 COP 随着发生温度和蒸发温度的

升高而增大，随着冷凝温度的上升而减小。发生温度在 78℃~89℃、蒸发温度在

12℃~20℃、冷凝温度在 28℃~36℃范围变化时，系统的喷射系数最高可达 0.29，

COP 可达 0.26。研究发现，通过降低冷凝温度和冷凝压力是提高系统效率的最有

效的途径。

通过比较、分析多种不同形式太阳能集热器的特点，论文选用太阳能真空管

集热器作为太阳能喷射式制冷系统中的热源。根据太阳能辐射的特点，计算了所

需真空管集热器的面积，设计太阳能集热器应用方案，并完成了集热器的安装和

调试。

最后，论文对实验台提出了改进和优化的建议，使喷射式制冷系统可以更好

的发展和运用。

关键词：制冷系统喷射器喷射系数太阳能集热器

ABSTRACT

With the improvement of people's living standard, the requirement of the

environmental comfort has been concerned more and more, and the use of air

conditioning has increased greatly. The air-conditioner has been more and more

popularized. On the one hand, the air conditioning improves the life quality. but on the

other hand, it also brings many negative effects. At present, mechanical compression

refrigeration system has been widely used. But it brings the environmental pollution and

energy crisis, and the problems cannot be ignored. The development and utilization of

new energy has become inevitable. The advantage of clean, no pollution and no

geographical limitations have made solar energy become the main research object. The

solar ejector refrigeration system has simple structure, and stable operation. It can also

use low grade energy, so it attracts many researchers and becomes the study object.

This paper analyses and studies the performance and characteristics of ejector

cooling system driven by solar energy, using R141b as refrigerant. The evaporating

temperature of the system is 8 ℃, and the condensing temperature is 38 ℃. Based on

above temperatures and refrigeration capacity the size and structure of the ejector is

designed. The refrigerating capacity of this system is 2 kW. Simulation of solar energy

by using electric heating, we designed the electrical heating power, generator,

evaporator and condenser. According to the evaluation criterion of the system, ascertain

state parameters needed to be measured in this system, building experiment platform

and experiment. Experiments show that solar ejector cooling system can be working

when the generating temperature is higher than 73℃and the condensing temperature is

38℃. With the generating temperature and condensing temperature rising, the jet

coefficient and COP of this system likewise also rises. However, when the condensing

temperature is low, the coefficient of performance is also high. When the generating

temperature is 78℃~89℃, evaporating temperature is 12℃~20℃and condensing

temperature is 28℃~36℃, and the jet coefficient of this system is up to 0.29 and the

COP is up to 0.26. The study results show that the most effective ways to improve the

system efficiency is to reduce the condensing temperature and condensing pressure.

Through the comparison and analysis of the characteristics of many different types

of the solar collectors, we select hot-tube collector of solar energy as heat source of this

system in this paper. According to the characteristics of solar energy, we calculated the

area of hot-tube collector and designed the application project of solar thermal collector.

At the last, we put forward a optimization solution in this paper which can make

the solar ejector cooling system have a good development and application.

Key Words：Refrigeration system, Ejector, Discharge coefficient

solar energy, Solar collector, Concentrator

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 太阳能空调制冷系统研究的意义 ..................................................................1

§1.1.1 太阳能吸收式制冷系统的研究 .........................................................2

§1.1.2 太阳能吸附式制冷系统的研究 .........................................................4

§1.1.3 太阳能喷射式制冷系统的研究 .........................................................5

§1.1.4 太阳能混合式制冷系统的研究 .........................................................5

§1.2 太阳能喷射式制冷系统的研究进展 ..............................................................5

§1.2.1 对制冷剂的研究进展 .........................................................................6

§1.2.2 对整个系统的研究进展 .....................................................................6

§1.2.3 对喷射器的研究进展 .......................................................................10

§1.2.4 喷射制冷和其他制冷方式结合 .......................................................11

§1.3 本论文的主要研究工作 ................................................................................12

§1.3.1 实验装置各部分的理论分析和计算 ...............................................12

§1.3.2 实验台的搭建和数据采集分析 .......................................................13

§1.3.3 太阳能集热器的设计 .......................................................................13

第二章太阳能喷射式制冷系统的分析 .......................................................................14

§2.1 太阳能喷射式制冷的原理 ............................................................................14

§2.2 太阳能喷射式制冷系统的热力学分析 ........................................................15

§2.3 太阳能喷射式制冷系统的工质分析 ............................................................17

第三章太阳能喷射式制冷系统的实验装置设计 .......................................................21

§3.1 实验系统和装置 ............................................................................................21

§3.2 实验台各部件的设计 ....................................................................................22

§3.2.1 喷射器的设计 ...................................................................................22

§3.2.2 加热部分的设计 ...............................................................................26

§3.2.3 发生器的设计 ...................................................................................28

§3.2.4 蒸发器的设计 ...................................................................................30

§3.2.5 冷凝器的设计 ...................................................................................30

§3.2.6 其他部件的设计 ...............................................................................31

第四章喷射式制冷系统的实验研究和数据分析 .......................................................34

§4.1 实验前期准备工作 ........................................................................................34

§4.1.1 系统检漏 ...........................................................................................34

§4.1.2 系统充制冷剂 ...................................................................................34

§4.2 实验过程 ........................................................................................................34

§4.3 实验结果 ........................................................................................................35

§4.3.1 发生温度变化对系统性能的影响 ...................................................35

§4.3.2 蒸发温度变化对系统性能的影响 ...................................................36

§4.3.3 冷凝温度变化对系统性能的影响 ...................................................38

§4.4 实验结果分析和讨论 ....................................................................................38

第五章太阳能集热器的设计 .......................................................................................41

§5.1 太阳能辐射 ....................................................................................................41

§5.1.1 年平均日太阳辐射量 .......................................................................41

§5.1.2 太阳能保证率 ...................................................................................43

§5.2 太阳能集热器 ................................................................................................44

§5.2.1 太阳能平板型集热器 .......................................................................44

§5.2.2 太阳能真空管集热器 .......................................................................46

§5.2.3 太阳能平板型集热器和真空管集热器的比较 ...............................48

§5.3 太阳能真空管集热器的设计 ........................................................................49

§5.3.1 太阳能真空管集热器面积的确定 ...................................................50

§5.3.2 太阳能真空管集热器的安装和系统设计 .......................................51

§5.3.3 太阳能真空管集热器热水装置的设计 ...........................................51

§5.3.4 太阳能集热器应用分析 ...................................................................53

第六章结论与展望 .......................................................................................................54

§6.1 结论 ................................................................................................................54

§6.2 展望 ................................................................................................................55

参考文献 .........................................................................................................................56

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................59

致谢 ...............................................................................................................................60

第一章绪论

§1.1 太阳能空调制冷系统研究的意义

随着经济的迅速发展，全球对能源的需求越来越大，地球上的现存的煤炭、

石油、天然气等不可再生能源越来越少，能源危机日益严重，并且由不可再生资

源引发的环境问题也越来越严重，所以对新能源的研究显得尤为重要。新能源主

要包括太阳能、水能、风能、地热能、生物质能、核聚变能和海洋能以及由可再

生资源衍生出来的氢和生物燃料所产生的能量。相对于传统能源，新能源具有对

环境污染少、储存量大等特点，对于解决不可再生资源的枯竭问题和如今世界严

重的环境污染问题具有非常重要意义。同时，很多新能源分布均匀，对于由地域

差异引起的能源问题也可以得到解决。

在众多的新能源中，太阳能以其独特的优势受到研究人员的重视。太阳所产

生的能量巨大，地球大气层所接受到的太阳能辐射量是太阳能总辐射量的 22 亿分

之一，这些辐射量高达 173000TW。换算成可再生资源，太阳 1s 照射到地球上的

能量相当于 500 万吨标准煤，是世界全年总发电量的几十万倍。可见如果对辐射

到地球上的太阳能资源进行合理的利用，就可以在很大程度上解决能源危机，减

少环境污染，实现可持续发展。太阳能利用的独特优点是不受地理环境的限制，

不用开发可直接利用，更无需运输，对环境没有任何污染，是最洁净的能源之一。

根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的存贮量至少可以维持上百亿年，但地球

的寿命只有几十亿年，所以说太阳辐射的能量是用之不竭的。因此，太阳能的普

遍、无害、巨大、长久等四大优点决定了太阳能利用有无穷的发展潜力。

当然，太阳能作为新能源利用也有一些弊端。第一：不稳定性。由于受到昼

夜的影响，对太阳能的利用只能为白天，造成一定的间隔性。另外不同的季节、

天气、地理位置以及海拔高度等自然条件的影响，使得太阳辐射变得间断，极不

稳定的，给太阳能的利用增加了难度。要想合理的使用太阳能资源，需要将太阳

能转化为连续、稳定的能源，从而代替常规的能源进行利用。这就需要我们解决

蓄能问题，将白天晴朗天气下的太阳辐射能贮存起来，供给夜晚和阴雨天使用，

但是蓄能方面是目前太阳能利用中比较薄弱的部分之一。第二：分散性。从太阳

到达地球表面的太阳能辐射总量很大，但能流密度却比较低。一般来说，在北回

归线附近，对于夏季晴朗的天气，正午时分太阳能的辐射量最大，在垂直于太阳

光方向上单位面积接收到的太阳能平均值仅在 1000W 左右。若将这些能量平均到

全年每天日夜，就只有 200W 左右。而在冬季仅有 1/2，阴天仅有 1/5 左右，这样

太阳能驱动的喷射式制冷实验研究

看来，太阳能的能流密度是非常低的。因此，为了在利用太阳能时可得到合适的

转换功率，常常需要面积非常大的一套收集和转换设备，这样就造成了造价较高。

第三：效率低和成本高。对于目前的太阳能利用的发展方式，有些方法在理论上

是可行的，技术上也很成熟。但有一些太阳能利用装置，因为效率低，成本高的

原因，总体来说，经济性还不如常规的能源。在今后相当长的一段时期内，太阳

能利用的进一步发展，主要还是受到经济性的制约。总的来说，尽管太阳能的利

用有一些阻碍，但是这些都是可以通过对其深入的研究和技术的发展进步来解决

的，所以对太阳能的研究和利用具有重大的意义。

对太阳能制冷的直接利用主要分为两种：一种是光电转化，一种是光热转化。

光电转化主要是利用半导体界面的光电伏特效应将光能转化为电能，用电能驱动

常规的压缩制冷系统，这样利用起来比较方便，但是其缺点是在进行光电转化时

成本很高，技术不完善。光热转化是通过太阳能集热器等将太阳能转化为热能，

利用热能进行制冷，其成本低，效率高，但是因为太阳能为低品位能源，所以利

用起来有一定的限制。但总体来说，光电转化的成本是光热转化的3-4倍，所以国

内外的太阳能空调系统的研究以光热转化为主。

科学技术的发展使得人们对生活质量的要求越来越高，对环境舒适度的要求

也越来越高，从而使得空调业迅猛的发展，空调的使用数量也日益增加，导致空

调耗电量日益增加，在总的耗电量中占有较大的比例。据统计，我国国民用电量

的20％是用于空调系统的使用。而在一般共用建筑物中，空调系统的耗电量已超

用电量的一半。为此，世界各国开始研究以低品位热源作为驱动热源的空调技术，

如太阳能空调、余热利用空调、燃气空调等。在这些以低品位热源作为驱动热源

空调系统中，太阳能空调明显占有较大的优势，由于其利用太阳能作为能源，在

运行中基本不受地域限制、运行费用低，对环境无污染，可以无限制的利用，对

走可持续发展道路具有十分重要的意义。因此，太阳能空调成为了众多研究者研

究的对象。

太阳能作为一种低品位能源，在进行光热转化时，根据太阳能制冷方式和制

冷效果的不同，太阳能制冷系统主要分为太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷、

太阳能喷射式制冷以及太阳能混合式制冷系统。

§1.1.1 太阳能吸收式制冷系统的研究

太阳能吸收式制冷技术，最早起源于 20 世纪 30 年代，但是由于制冷成本较

高、效率较低、导致没有实际的应用价值，所以使其发展缓慢。到了 20 世纪 70

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摘要：

摘要随着人们生活水平的提高，对环境舒适度的要求也越来越高，空调的使用量和使用范围大大增加。空调在提高人类生活质量的同时，也带来了很多负面的影响。目前，使用最多的是依靠电力运行的机械压缩式制冷系统，其所带来的环境污染问题和能源危机问题已经成为人们不可忽视的重大问题。对新能源的开发和利用成为必然。太阳能以其清洁无污染、不受地域局限等独特的优点成为研究的主要对象。太阳能喷射式制冷系统由于其可以利用低品位能源，并且结构简单、运行稳定等优点成为众多研究者的研究对象。论文对太阳能喷射式制冷系统性能和特点进行分析和研究，选取R141b作为制冷剂。设计的系统发生温度为80~90℃，蒸发温度为8℃，冷凝温度选取...

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