彭光前，李蘇瀧，王蒙蒙，彭 芳

（南京理工大學(xué)，南京 210094）

1 引言

噴射式制冷系統(tǒng)是一種熱驅(qū)動(dòng)式制冷系統(tǒng)，可利用100～200℃的低溫?zé)嵩催M(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此在太陽(yáng)能、地?zé)?、工廠余熱、廢熱等低品位能源的利用方面具有較好的優(yōu)勢(shì)，此外，噴射式制冷系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)部件少、運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的噴射式制冷系統(tǒng)是通過(guò)機(jī)械循環(huán)泵將冷凝后的工作工質(zhì)輸送到發(fā)生器，需消耗部分電能。雖然消耗電能不多，但與系統(tǒng)的制冷量相比，循環(huán)泵消耗的電能仍占到相當(dāng)比例。另外，普通機(jī)械循環(huán)泵易出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，且多數(shù)工程中使用的都是大揚(yáng)程、小流量的隔膜泵或柱塞泵等，這種泵的價(jià)格較高，增加了系統(tǒng)的初投資和維護(hù)費(fèi)用。

如能實(shí)現(xiàn)噴射式制冷系統(tǒng)的無(wú)泵循環(huán)，則不僅可以解決上述問(wèn)題，還能使噴射式制冷系統(tǒng)適用于無(wú)電力場(chǎng)合。但若想實(shí)現(xiàn)完全熱驅(qū)動(dòng)化，必須通過(guò)其它方式實(shí)現(xiàn)噴射式制冷循環(huán)中機(jī)械泵的功能。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種解決方案［1－7］，有些已付諸了實(shí)驗(yàn)，并取得了不錯(cuò)的制冷效果，本文將對(duì)其中的幾種具有代表性的方案進(jìn)行比較分析。

2 重力回液噴射式制冷系統(tǒng)

2.1 純重力回液噴射式制冷系統(tǒng)

該系統(tǒng)由Nguyen等人于2001年提出，并建成了一座使用水作為制冷劑的噴射式制冷系統(tǒng)樣機(jī)，是一種依靠重力回液的、水為制冷劑的太陽(yáng)能?chē)娚涫街评湎到y(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)中，冷凝器與發(fā)生器的高差達(dá)到了7m，正是靠著如此高的水柱產(chǎn)生的壓力來(lái)補(bǔ)償發(fā)生壓力和冷凝壓力之差，才使得冷凝后的液體可以流入發(fā)生器，從而能夠省略機(jī)械泵，實(shí)現(xiàn)了零外動(dòng)力損耗［1］。

從發(fā)生器出來(lái)的高溫高壓蒸汽進(jìn)入噴嘴引射來(lái)自蒸發(fā)器的低溫低壓蒸汽，在混合室內(nèi)混合，然后在擴(kuò)壓室內(nèi)擴(kuò)壓?；旌虾蟮恼羝M(jìn)入冷凝器冷凝，然后分成兩路，一路經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，另一路依靠冷凝器與發(fā)生器的高差，通過(guò)重力作用回流到發(fā)生器。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)重力作用，實(shí)現(xiàn)該噴射式制冷系統(tǒng)的無(wú)泵運(yùn)行。

圖1 純重力回液噴射式制冷系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在夏季可以提供7kW的制冷量，COP達(dá)到0.3;冬季可以提供20kW的制熱量。系統(tǒng)的壽命是蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的2倍，可以達(dá)到30年。

該系統(tǒng)省去了機(jī)械泵，但是整個(gè)系統(tǒng)卻高達(dá)8m。同時(shí)，為了降低管道沿程損失，必須選取較大管徑的回流管道，從而導(dǎo)致系統(tǒng)較為龐大，布置不便，限制了其使用范圍。

2.2 帶貯液罐重力回液噴射式制冷系統(tǒng)

文獻(xiàn)2提出一種新型無(wú)泵噴射式制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖2所示。與純重力回液噴射式制冷系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)中增加了貯液罐，仍采用水作為制冷劑，建立了一個(gè)發(fā)生器補(bǔ)給系統(tǒng)，該補(bǔ)給系統(tǒng)利用重力及發(fā)生器內(nèi)部壓力的綜合作用將冷凝器中的冷凝液輸送到發(fā)生器中，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)泵循環(huán)的目的。

圖2 帶貯液罐重力回液噴射式制冷系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)閥A、閥B和閥C的啟閉控制，該發(fā)生器補(bǔ)給系統(tǒng)在補(bǔ)液與排液之間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)行。在補(bǔ)液過(guò)程中，開(kāi)啟閥A，并同時(shí)關(guān)閉閥B和閥C，以保障冷凝液通過(guò)重力作用流入貯液罐。當(dāng)流入貯液罐內(nèi)的冷凝液達(dá)到一定液位后，關(guān)閉閥A，補(bǔ)液過(guò)程結(jié)束，然后進(jìn)入排液過(guò)程。先開(kāi)啟閥B，使來(lái)自發(fā)生器內(nèi)部的高溫、高壓蒸汽進(jìn)入儲(chǔ)液罐頂部，當(dāng)貯液罐頂部的壓力達(dá)到發(fā)生器內(nèi)部壓力時(shí)，開(kāi)啟閥C，使冷凝液通過(guò)重力作用流入發(fā)生器，當(dāng)貯液罐內(nèi)的冷凝液全部流入發(fā)生器時(shí)，排液過(guò)程結(jié)束，然后再進(jìn)入補(bǔ)液過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)2提出用止回閥代替閥C的觀點(diǎn)，從而在操作過(guò)程中只需控制閥A和閥B的啟閉即可。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)上述模式在貯液罐補(bǔ)液與排液之間進(jìn)行往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)該噴射式制冷系統(tǒng)的持續(xù)無(wú)泵運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)與常規(guī)的有泵循環(huán)噴射式制冷系統(tǒng)相比，發(fā)生器耗熱量?jī)H高出1%～2%，COP值則相近，性能上較有泵循環(huán)優(yōu)越。

該系統(tǒng)在重力及發(fā)生器內(nèi)部壓力的綜合作用下回液，無(wú)需液泵驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了零外動(dòng)力損耗，無(wú)任何運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)噪聲污染。與純重力回液噴射式制冷系統(tǒng)相比，冷凝器與發(fā)生器之間的垂直高差只是用于克服冷凝液進(jìn)入發(fā)生器過(guò)程中的管道阻力損失，所以冷凝器與發(fā)生器之間的垂直高差較純重力回液噴射式制冷系統(tǒng)要小很多。

由于貯液罐內(nèi)部溫度的周期性變化及其內(nèi)部殘留蒸汽要進(jìn)入冷凝器中冷凝，致使該系統(tǒng)發(fā)生器的耗熱量較常規(guī)的有泵循環(huán)噴射式制冷系統(tǒng)要高。同時(shí)，為了避免冷凝器與貯液罐之間的管路在補(bǔ)液過(guò)程中出現(xiàn)活塞流，該段管徑要適當(dāng)?shù)拇笠恍?。此外，貯液罐容積的選取也很重要，容積過(guò)大將導(dǎo)致發(fā)生器內(nèi)部溫度的波動(dòng)，容積過(guò)小將導(dǎo)致補(bǔ)、排液的頻率過(guò)高，降低系統(tǒng)的使用壽命。

2.3 雙發(fā)生器重力回液噴射式制冷系統(tǒng)

與其它靠重力回液的噴射式制冷系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的發(fā)生器由一個(gè)增加為兩個(gè)。在一個(gè)工作周期時(shí)間內(nèi)，發(fā)生器1和2分別在一半的時(shí)間內(nèi)提供蒸汽。而每一周期內(nèi)，發(fā)生器共有預(yù)熱、工作、冷卻和回液4種狀態(tài)，系統(tǒng)示意圖如圖3所示［3］。

圖3 雙發(fā)生器重力回液噴射式制冷系統(tǒng)

運(yùn)行時(shí)，通過(guò)閥門(mén)1、2、3、4的切換，使兩個(gè)發(fā)生器交替提供蒸汽。假設(shè)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先是發(fā)生器1提供蒸汽。此時(shí)，關(guān)閉閥1和閥4，并開(kāi)啟閥2和閥3。經(jīng)冷凝器冷凝后的冷凝液分為兩路:一路經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，另一路則經(jīng)閥2進(jìn)入發(fā)生器2。在發(fā)生器1工作狀態(tài)結(jié)束前，發(fā)生器2已經(jīng)預(yù)熱至工作壓力。發(fā)生器1停止產(chǎn)生蒸汽時(shí)，關(guān)閉閥3和閥2，并打開(kāi)閥4，開(kāi)始由發(fā)生器2提供工作蒸汽。同時(shí)，發(fā)生器1的盤(pán)管改通冷水，對(duì)發(fā)生器1進(jìn)行冷卻。待發(fā)生器1內(nèi)部壓力與冷凝器內(nèi)部壓力平衡時(shí)，打開(kāi)閥1，冷凝后的液體開(kāi)始流入發(fā)生器1。發(fā)生器2停止產(chǎn)生蒸汽后，再切換到發(fā)生器1。正是通過(guò)兩個(gè)發(fā)生器的交替工作，保證了系統(tǒng)的持續(xù)無(wú)泵運(yùn)行。

通過(guò)理論分析，在相同的參數(shù)下，該系統(tǒng)的COP為0.151，比傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的0.153相差無(wú)幾，與有泵循環(huán)相比，性能上優(yōu)勢(shì)明顯。

在一個(gè)周期內(nèi)，系統(tǒng)的耗熱量等于兩個(gè)發(fā)生器預(yù)熱和工作時(shí)間內(nèi)所需的熱量之和，制冷量則與傳統(tǒng)噴射式制冷系統(tǒng)相同。雖然雙發(fā)生器重力回液噴射式制冷系統(tǒng)COP與傳統(tǒng)的噴射式制冷系統(tǒng)基本相同，但是由于本系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)泵循環(huán)，所以整個(gè)系統(tǒng)的維修費(fèi)用和壽命都得到了改善。

在發(fā)生器冷卻過(guò)程中，必須先將發(fā)生器桶體溫度由發(fā)生溫度降至冷凝溫度，然后再在預(yù)熱過(guò)程中將桶體溫度加熱至發(fā)生溫度。桶體的加熱過(guò)程增加了系統(tǒng)的耗熱量，在一定程度上影響了整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

此外，在實(shí)際的發(fā)生器中，如果選用盤(pán)管加熱，很難做到在工作時(shí)間結(jié)束時(shí)，發(fā)生器內(nèi)沒(méi)有任何殘留的液態(tài)水。因此，在冷卻過(guò)程中，必須將殘留液體冷卻至冷凝溫度才能開(kāi)始回液;在預(yù)熱過(guò)程中又必須將其加熱至發(fā)生溫度。這在一定程度上也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能有所影響，這類(lèi)似于壓縮機(jī)余隙容積對(duì)其性能的影響。因此，在發(fā)生器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須盡可能地改進(jìn)結(jié)構(gòu)，將殘留液體量降至最少。

除了上述一些重力回液噴射式制冷系統(tǒng)以外，文獻(xiàn)4提出了一種三通閥控制重力回液噴射式制冷系統(tǒng)，其基本原理與文獻(xiàn)2中所提系統(tǒng)相近，在這里就不再贅述。文獻(xiàn)4提出的三通閥控制重力回液噴射式制冷系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

3 雙噴射式制冷系統(tǒng)

圖4 三通閥控制重力回液噴射式制冷系統(tǒng)

通常情況，工作介質(zhì)為同相時(shí)，噴射器出口蒸汽壓力要低于噴射器入口蒸汽壓力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，Cattadori等人發(fā)現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)的蒸汽―水噴射器出口壓力比入口蒸汽的壓力高10%。這樣就可以通過(guò)發(fā)生器中的飽和蒸汽，將壓力比較低的水吸入發(fā)生器中［5］。在此基礎(chǔ)上，張博等人提出了利用氣―液噴射器替代循環(huán)泵的雙噴射式制冷系統(tǒng)［6］。雙噴射式制冷系統(tǒng)中采用氣―液噴射器來(lái)代替機(jī)械泵，氣―液噴射器可以將低于發(fā)生器內(nèi)部壓力的冷凝液吸入，增壓至高于發(fā)生器內(nèi)部的壓力，從而實(shí)現(xiàn)將冷凝器中的冷凝液輸送回發(fā)生器的目的，系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

從發(fā)生器出來(lái)的高溫、高壓蒸汽進(jìn)入噴嘴引射來(lái)自蒸發(fā)器的低溫、低壓蒸汽，在混合室內(nèi)混合，然后在擴(kuò)壓室內(nèi)擴(kuò)壓。混合后的蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝，然后分成兩路，一路經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，另一路進(jìn)入氣―液噴射器的引射端被來(lái)自發(fā)生器的高溫、高壓蒸汽引射增壓至高于發(fā)生器內(nèi)部的壓力，從而實(shí)現(xiàn)將冷凝器中的冷凝液輸送回發(fā)生器。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)增加氣―液噴射器，實(shí)現(xiàn)該噴射式制冷系統(tǒng)的無(wú)泵運(yùn)行。

模擬結(jié)果表明，以太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源，全天COP可以達(dá)到0.2～0.3。該系統(tǒng)利用從發(fā)生器出來(lái)的高溫高壓工質(zhì)通過(guò)氣―液噴射器引射冷凝器中的液體，從而替代了機(jī)械泵，系統(tǒng)本身不需要電能，節(jié)約了能源，實(shí)現(xiàn)了零外動(dòng)力損耗，無(wú)任何運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)噪聲污染。

由于該系統(tǒng)引入了氣―液噴射器，所以需要消耗一部分額外能量驅(qū)動(dòng)氣―液噴射器，此外，噴射器對(duì)加工精度要求較高，導(dǎo)致系統(tǒng)成本的增加。

圖5 雙噴射式制冷系統(tǒng)

圖6 毛細(xì)泵循環(huán)蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)

4 毛細(xì)泵循環(huán)蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)

該系統(tǒng)不需要液泵，僅依靠發(fā)生室在利用太陽(yáng)能或廢熱時(shí)產(chǎn)生的熱驅(qū)動(dòng)力和蒸發(fā)室在實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷作用時(shí)所產(chǎn)生的熱驅(qū)動(dòng)力及擴(kuò)壓管在混合室所產(chǎn)生的引射作用，聯(lián)合發(fā)生室、蒸發(fā)室內(nèi)的毛細(xì)液芯產(chǎn)生的毛細(xì)抽吸作用來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)［7］。系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

在蒸汽發(fā)生室內(nèi)，工作工質(zhì)吸收太陽(yáng)能 （或廢熱）產(chǎn)生較高壓力的蒸汽，在熱驅(qū)動(dòng)力的作用下進(jìn)入噴射裝置，經(jīng)噴射器中的噴嘴形成高速低壓氣流，并在混合室內(nèi)吸引來(lái)自蒸發(fā)室的低壓蒸汽，混合后的低壓氣流經(jīng)擴(kuò)壓管擴(kuò)壓，產(chǎn)生低速高壓氣流，然后進(jìn)入冷凝器中冷凝，冷凝后的冷凝液體分成兩路:一路在重力作用下通過(guò)毛細(xì)管節(jié)流降壓，在蒸發(fā)室內(nèi)毛細(xì)芯的毛細(xì)抽吸力和混合室內(nèi)噴射引射力的共同作用下回到蒸發(fā)室內(nèi)，蒸發(fā)制冷;另一路在重力作用下回流到發(fā)生室，在發(fā)生室內(nèi)毛細(xì)芯毛細(xì)力的抽吸作用下從下至上不斷被重新蒸發(fā)，產(chǎn)生較高壓力的蒸汽，如此循環(huán)。

雖然該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了噴射式制冷系統(tǒng)的無(wú)泵循環(huán)，但是其系統(tǒng)運(yùn)行效率不高，且不適宜大區(qū)域的制冷。由于其具有節(jié)能減排及使用環(huán)境友好型制冷工質(zhì)的特點(diǎn)，更加深入的理論探討和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)其推廣應(yīng)用很有必要。

5 結(jié)論

噴射式制冷系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)部件少、運(yùn)行維護(hù)少、機(jī)械能消耗少等優(yōu)點(diǎn)，可利用太陽(yáng)能、地?zé)?、工廠余熱、廢熱等低品位能源驅(qū)動(dòng)。如若通過(guò)其它方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)噴射式制冷循環(huán)中機(jī)械泵的功能，則可以實(shí)現(xiàn)噴射式制冷的完全熱驅(qū)動(dòng)化，零運(yùn)動(dòng)部件化，強(qiáng)化系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命、擴(kuò)大系統(tǒng)的使用范圍。本文中，對(duì)現(xiàn)有的一些典型的無(wú)泵噴射式制冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了比較分析。

現(xiàn)有的無(wú)泵噴射式制冷系統(tǒng)主要有三種類(lèi)型:1）重力回液式;2）雙噴射式;3）毛細(xì)泵循環(huán)蒸汽噴射式。它們均能實(shí)現(xiàn)噴射式制冷系統(tǒng)的無(wú)泵循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了零外動(dòng)力損耗，具有無(wú)任何運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)噪聲污染等優(yōu)點(diǎn)。但是也同樣存在一些不足之處，如:重力回液式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)臃腫，布置不便;雙噴射式系統(tǒng)需要消耗一部分額外能量驅(qū)動(dòng)氣—液噴射器，此外，噴射器對(duì)加工精度要求較高，導(dǎo)致系統(tǒng)成本的增加;毛細(xì)泵循環(huán)蒸汽噴射式系統(tǒng)運(yùn)行效率低下。這就要求我們?cè)谶x擇系統(tǒng)類(lèi)型的過(guò)程中充分根據(jù)自身的需求、應(yīng)用環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合分析，合理選擇，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。

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