太陽能噴射制冷系統(tǒng)新型噴射器工作特性的研究

【摘要】：隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展和能耗的增加,能源和環(huán)境問題已成為全世界關(guān)注的焦點。在我國,近年來隨著經(jīng)濟的高速增長,能源消費呈持續(xù)上升趨勢,能源問題已成為制約國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要問題之一。實施先進節(jié)能技術(shù)、提高能源利用效率,是我國目前能源領(lǐng)域最重要、最迫切的問題。噴射式制冷以其可利用太陽能、地熱能和工業(yè)余熱等低品位熱源,受到國內(nèi)外越來越多的關(guān)注。 噴射式制冷系統(tǒng)中的核心部件—噴射器,是一種利用高壓流體抽吸低壓流體的裝置,通過工作流體的射流來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化;它具有結(jié)構(gòu)簡單、沒有運動部件、運轉(zhuǎn)費用低廉、操作維修方便,對被抽介質(zhì)無嚴格要求等優(yōu)點。但目前對噴射器內(nèi)部流動與混合機理認識還很不全面,現(xiàn)有的噴射器設計方法存在一定的不足,造成其抽吸率較低,系統(tǒng)的工作效率不高,從而制約了其廣泛應用,如何提高系統(tǒng)工作性能就成為當前研究的主要任務,因此需要進一步加強對噴射器設計理論、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工作機理以及噴射式制冷系統(tǒng)工作參數(shù)優(yōu)化方面的研究,設計出性能更好的噴射器,探索出更合理的系統(tǒng)運行方式。針對目前存在的問題,本文主要做了以下工作: (1)提出了一種新的噴射器結(jié)構(gòu)改進設計方法——等馬赫數(shù)梯度(CMNG)設計法,通過改進噴射器的關(guān)鍵部件——噴嘴、混合室收縮段以及擴壓室的設計,使其母線呈流線型變化,即壁面的變化緊隨流體馬赫數(shù)的變化而變化,使流體能更好地貼附在壁面上,實現(xiàn)噴射器內(nèi)速度的均勻變化,減少噴嘴出口及混合段內(nèi)渦流損失、壁面摩擦損失等,避免了擴壓室內(nèi)速度的突變,消除擴壓室內(nèi)激波的產(chǎn)生及由此引起的邊界層分離現(xiàn)象。提高了工作流體的抽吸性能及混合流體的速度能向壓力能轉(zhuǎn)化的效率,從而有利于噴射器內(nèi)混合流體的排出,可有效提高噴射器的工作效率。另外,為便于計算噴射器的結(jié)構(gòu)參數(shù),編寫了基于CMNG設計方法的噴射器設計計算程序。 (2)就不同制冷劑對噴射器工作特性的影響進行了詳細的分析與計算,結(jié)果表明R134a更適用于低品位熱驅(qū)動的噴射制冷系統(tǒng)。當冷凝溫度為30℃,蒸發(fā)溫度為5℃,發(fā)生溫度在70-85℃范圍內(nèi)變化時,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)詳細分析了工作參數(shù)的改變對噴射器抽吸率及系統(tǒng)COP的影響。通過改變工作流體入口壓力、引射流體的入口溫度以及噴射器出口背壓,得到了冷凝溫度變化對噴射器的抽吸率及系統(tǒng)COP值的影響最大,其次是發(fā)生溫度,而蒸發(fā)溫度對其影響相對最小。冷凝溫度每變化1℃,噴射器的抽吸率變化2.7%～8.5%,系統(tǒng)COP變化3.7%～8.9%,蒸發(fā)溫度每變化1℃,噴射器的抽吸率變化1.4%～1.9%,系統(tǒng)的COP變化1.4%～2.1%;發(fā)生溫度每變化1℃,噴射器的抽吸率變化0.75%～4.4%,系統(tǒng)的COP變化僅為0.59%～4.6%。 (4)利用流體動力學計算軟件FLUNENT對按照CMNG設計方法得到的噴射器進行了計算,通過對內(nèi)部流場的計算分析,揭示了噴嘴出口處兩股流體間由于存在較大的速度差,在交界面形成了一個不連續(xù)的間斷面,由于剪切力的作用,引射流體速度不斷增大,工作流體的速度則逐步降低,兩股流體不斷進行動量和能量的交換,最終趨于一致;另外對按CMNG設計方法及常規(guī)設計方法得到的噴射器內(nèi)部流體流動跡線進行了詳細的對比分析,計算結(jié)果表明按照CMNG方法得到的噴射器可有效的減少渦流損失、邊界層分離損失等。 (5)利用模糊灰色理論,對影響噴射器性能的參數(shù)進行了分析,得到了面積比是影響噴射器性能的主要因素,膨脹比和壓縮比對噴射器性能也有較為明顯的影響,而噴嘴位置對噴射器性能的影響相對較小。通過對已有數(shù)據(jù)的分析,建立了灰色差分預測模型。 (6)針對我國地域遼闊,南北氣候差異較大,同一時間不同地區(qū)的太陽日照時數(shù)和太陽輻照度差別較大的特點,建立了普適的太陽能噴射制冷系統(tǒng)數(shù)學模型,并選取具有代表性的七個城市,對太陽能噴射式制冷系統(tǒng)在我國的應用前景、適用范圍進行了詳細的分析與討論,得到系統(tǒng)COP在0.16-0.24之間,其中最高效率出現(xiàn)在太陽能資源豐富的拉薩地區(qū);在太陽能資源一般地區(qū),系統(tǒng)的平均總效率隨著緯度的降低而降低,大部分地區(qū)平均系統(tǒng)COP在0.18以上,其太陽能保證率在0.32～0.82之間,可減小空調(diào)能耗1/3～4/5。表明太陽能噴射制冷系統(tǒng)在我國大部分地區(qū)使用具有良好的工作特性,從而為太陽能噴射制冷系統(tǒng)推廣應用提供了強有力的依據(jù)。 (7)以上海市為例,對用于辦公空調(diào)的太陽能噴射制冷系統(tǒng)的動態(tài)變化特性進行了深入的分析與討論。得到了從上午8時到下午4時,太陽能噴射制冷系統(tǒng)能穩(wěn)定工作在COP為0.17-0.22之間,系統(tǒng)的平均COP為0.19,平均太陽能保證率為0.88。 【關(guān)鍵詞】：噴射制冷 噴射器 低品位熱能 等馬赫數(shù)梯度 灰色理論
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TB65
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-11
• 目錄11-14
• 符號說明14-15
• 第一章 緒論15-33
• 1.1 課題研究背景及意義15-16
• 1.2 噴射式制冷研究現(xiàn)狀16-31
• 1.2.1 噴射器理論研究現(xiàn)狀16-21
• 1.2.2 噴射器實驗研究現(xiàn)狀21-26
• 1.2.3 噴射式制冷系統(tǒng)的研究26-28
• 1.2.4 噴射制冷系統(tǒng)應用研究現(xiàn)狀28-31
• 1.3 目前存在的問題31-32
• 1.4 本文研究內(nèi)容32-33
• 第二章 噴射器結(jié)構(gòu)及其改進設計33-49
• 2.1 噴射器工作原理33-36
• 2.1.1 噴射器結(jié)構(gòu)33-34
• 2.1.2 噴射器內(nèi)部流動混合原理34-36
• 2.2 噴射器基本設計理論36-37
• 2.3 噴射器結(jié)構(gòu)改進設計方法37-48
• 2.3.1 設計原理及基本假設37-39
• 2.3.2 徑向尺寸的改進設計39-41
• 2.3.3 軸向長度的確定41-44
• 2.3.4 噴射器設計計算求解過程及計算程序44-46
• 2.3.5 計算結(jié)果與分析46-48
• 2.4 本章小結(jié)48-49
• 第三章 噴射器內(nèi)部流動現(xiàn)象的數(shù)值分析49-60
• 3.1 流動控制方程49-50
• 3.2 湍流模型的選用50-51
• 3.3 邊界條件51-53
• 3.3.1 進出口邊界條件52
• 3.3.2 固體壁面邊界條件52-53
• 3.4 數(shù)值計算方法53-54
• 3.5 網(wǎng)格的劃分和選擇54-55
• 3.6 計算結(jié)果與分析55-59
• 3.6.1 幾何模型及邊界條件設置55
• 3.6.2 流場分析55-59
• 3.7 本章小結(jié)59-60
• 第四章 噴射器及噴射制冷系統(tǒng)性能分析60-83
• 4.1 熱力學分析方法60-76
• 4.1.1 噴射器熱力過程60-61
• 4.1.2 模型及其驗證61-67
• 4.1.3 制冷劑選取67-70
• 4.1.4 工作條件對噴射器性能影響分析70-76
• 4.2 噴射器性能實驗研究76-81
• 4.2.1 實驗系統(tǒng)裝置介紹76-78
• 4.2.2 實驗過程78-79
• 4.2.3 不同實驗結(jié)果對比分析79-80
• 4.2.4 實驗結(jié)果誤差分析80-81
• 4.3 本章小結(jié)81-83
• 第五章 噴射器性能灰色分析83-95
• 5.1 灰關(guān)聯(lián)分析83-88
• 5.1.1 灰關(guān)聯(lián)模型83-85
• 5.1.2 噴射器性能的灰色關(guān)聯(lián)分析85-88
• 5.2 噴射器性能的灰色預測模型88-93
• 5.2.1 計算方法介紹89-91
• 5.2.2 計算結(jié)果與分析91-93
• 5.3 本章小結(jié)93-95
• 第六章 太陽能噴射制冷系統(tǒng)的研究95-113
• 6.1 太陽能噴射制冷系統(tǒng)在我國應用的可行性95-107
• 6.1.1 系統(tǒng)描述96
• 6.1.2 各地氣象數(shù)據(jù)96-99
• 6.1.3 太陽能噴射制冷系統(tǒng)數(shù)學模型99-102
• 6.1.4 求解方法102-104
• 6.1.5 計算結(jié)果與討論104-107
• 6.2 太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的動態(tài)特性107-111
• 6.2.1 氣象數(shù)據(jù)的采集108
• 6.2.2 噴射器動態(tài)性能分析108-109
• 6.2.3 太陽能噴射制冷系統(tǒng)動態(tài)性能分析109-111
• 6.3 本章小結(jié)111-113
• 第七章 結(jié)論與展望113-117
• 7.1 主要結(jié)論113-115
• 7.2 本課題創(chuàng)新點115
• 7.3 課題展望115-117
• 參考文獻117-125
• 攻讀博士學位期間所發(fā)表的學術(shù)論文125-126
• 致謝126

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