風(fēng)冷太陽能雙級(jí)氨噴射制冷系統(tǒng)冷藏工況性能分析

陳洪杰 盧 葦 覃文奇 鄭立星 聶 濤

(1 廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 南寧 530004；2 廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 南寧 530004)

由于冷鏈能力不足，世界果蔬平均產(chǎn)后損失率達(dá)30%[1]，我國也因冷鏈發(fā)展滯后使得果蔬產(chǎn)后損失率達(dá)20%以上[2]。加快冷鏈建設(shè)對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，當(dāng)今主流的蒸氣壓縮式制冷設(shè)備能耗巨大，其耗電量占全世界發(fā)電量的15%左右[3]，在中國則占全社會(huì)電力總負(fù)荷的20%以上[4]。壓縮式制冷設(shè)備大量使用的HCFCs和HFCs類制冷劑是強(qiáng)溫室氣體，且HCFCs是消耗臭氧層物質(zhì)，國際公約《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》已明確規(guī)定了這兩類物質(zhì)的淘汰進(jìn)程。要解決使用制冷設(shè)備引起的能源與環(huán)境問題，最佳的方案無疑是應(yīng)用可再生能源驅(qū)動(dòng)的自然工質(zhì)(水、氨、CO2等)制冷系統(tǒng)。在眾多可再生能源中，太陽能潛力最大。以太陽能熱驅(qū)動(dòng)的制冷技術(shù)主要有吸附式、吸收式和噴射式；與前兩種已商業(yè)化的技術(shù)相比，噴射式除能效較低外，在制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、維護(hù)及適用性等方面均更具優(yōu)勢(shì)。故這里結(jié)合亞熱帶典型城市南寧的氣候特點(diǎn)，對(duì)冷藏庫用風(fēng)冷太陽能雙級(jí)氨噴射制冷系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。

1 以氨為工質(zhì)的風(fēng)冷太陽能雙級(jí)噴射制冷系統(tǒng)

根據(jù)廣西南寧地區(qū)的氣候特點(diǎn)及空冷化的需要(節(jié)約水資源及簡(jiǎn)化系統(tǒng))，設(shè)定發(fā)生溫度Tp為90℃、冷凝溫度Tc為45℃、蒸發(fā)溫度Te為-2℃、太陽平均輻照度Iθ為650W/m2，設(shè)計(jì)了一套作為100m3小型冷藏庫冷源的風(fēng)冷太陽能氨噴射制冷系統(tǒng)，其額定制冷量為9.4kW[5]。該系統(tǒng)的流程如圖1所示，主要部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)見圖2及表1、表2。在蒸發(fā)溫度較低且冷凝溫度較高 壓縮比較大，故將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級(jí)增壓形式。引射器Ⅰ和引射器Ⅱ之間的壓力分配采用最大制冷系數(shù)原則，分配度定為1.4[6]。

系統(tǒng)的工作原理為：太陽能集熱器中產(chǎn)生的熱水加熱發(fā)生器中的氨，產(chǎn)生的氨蒸氣(狀態(tài)1)分兩路作為工作蒸氣分別進(jìn)入引射器Ⅰ和引射器Ⅱ。氨蒸氣流經(jīng)引射器中的縮放噴嘴 ，壓力降低，流速增加，在混合段中產(chǎn)生攜帶作用，進(jìn)而抽吸引射蒸氣。引射器Ⅰ抽吸蒸發(fā)器中的氨蒸氣(狀態(tài)2)，維持蒸發(fā)器的壓力和溫度。引射器Ⅰ出來的蒸氣(狀態(tài)5)被引射器Ⅱ抽吸，與工作蒸氣充分混合后(狀態(tài)6)，在引射器Ⅱ的擴(kuò)壓段中提高壓力并進(jìn)入冷凝器中冷凝為液態(tài)氨(狀態(tài)7)。流出冷凝器的液氨分為兩路，一路經(jīng)過膨脹閥回流到蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，另一路經(jīng)由循環(huán)泵送回發(fā)生器，被重新加熱成工作蒸氣。

圖1 太陽能噴射制冷循環(huán)系統(tǒng)Fig.1 The system of solar-powered ejector refrigeration cycle

圖2 引射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of the ejectors

表1 引射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Con fi guration parameters of the ejectors

表2 蒸發(fā)器、冷凝器、發(fā)生器和集熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Con fi guration parameters of the evaporator,condenser, generator and collector

2 系統(tǒng)性能分析

2.1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 作如下假設(shè)：忽略集熱器、蒸發(fā)器、冷凝器及管路內(nèi)的阻力損失；工作蒸氣及引射器Ⅰ中的引射蒸氣處于過熱狀態(tài)，引射器Ⅱ中的引射蒸氣則處于飽和狀態(tài)，冷凝器出來的冷凝液為過冷液體；引射器內(nèi)流體流動(dòng)為一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，工作蒸氣的膨脹過程和混合蒸氣的壓縮過程均為絕熱過程；引射器內(nèi)混合段混合過程為定壓過程，且遵守質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒定律。

圖3 太陽能噴射制冷循環(huán)T-S圖Fig.3 T-S chart of the solar-powered ejector refrigeration cycle

1)動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)

全玻璃真空管太陽能集熱器效率ηcd為[7]：

其中，ta為環(huán)境溫度，ti為水進(jìn)入集熱 的溫度，Iθ為太陽輻照度。

太陽能集熱器提供的有效熱量為：

其中，ηL為管路及部件貯熱熱損失率，f為太陽能保證率，A為集熱器面積。

發(fā)生器輸送給制冷循環(huán)子系統(tǒng)的熱量為：

其中，mg,I為引射器Ⅰ中工作蒸氣流量，mg,Ⅱ?yàn)橐淦鳍蛑泄ぷ髡魵饬髁浚琱1為氨出發(fā)生器 焓值，h4為氨入發(fā)生器 焓值。

2)制冷循環(huán)子系統(tǒng)

參考圖1和圖3，制冷量為：

其中，me,I為引射器Ⅰ中引射蒸氣流量；h2為氨出蒸發(fā)器 焓值，h3為氨入蒸發(fā)器 焓值，Ke為蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，Ae為蒸發(fā)器總換熱面積，Δtm,e為蒸發(fā)器的對(duì)數(shù)平均溫差，Ge,a為蒸發(fā)器的送風(fēng)量，cp,a為空氣的定壓比熱，te,a,i為空氣入蒸發(fā)器 的溫度，te,a,o為空氣出蒸發(fā)器 的溫度。

冷凝器的散熱量為：

其中，h6為蒸氣入冷凝器 焓值，h7為氨出冷凝器 焓值，Kc為冷凝器的傳熱系數(shù)，Ac為冷凝器總面積，Δtm,c為冷凝器的對(duì)數(shù)平均溫差，Gc,a為冷凝器的冷卻風(fēng)量，tc,a,o為空氣出冷凝器 的溫度，tc,a,i為空氣入冷凝器 的溫度。

定義引射器Ⅰ和Ⅱ的噴射系數(shù)分別為μI和μII，有：

其中，me,II為引射器Ⅱ中引射蒸氣流量，且me,II= me,I+ mg,I，h5為一級(jí)引射器出口蒸氣焓值。

則噴射制冷子系統(tǒng)的效率為：

3)整體性能

整個(gè)太陽能噴射制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)為：

其中，We為系統(tǒng)所需風(fēng)機(jī)和水泵的總功率，一般情況下可忽略。

式(1)～(9)中所涉及參數(shù)的選取及計(jì)算方法和步驟詳見文獻(xiàn)[5]。

2.2 系統(tǒng)變工況性能分析

2.2.1 冷藏溫度、環(huán)境溫度及太陽輻照度對(duì)系統(tǒng)制冷量的影響

制冷量隨冷藏溫度和環(huán)境溫度變化的情況見圖4，計(jì)算條件為Iθ=650W/m2，Tp=90℃。可知：系統(tǒng)制冷量隨冷藏溫度升高而增大，隨環(huán)境溫度升高而減小。原因是在其他參數(shù)都不變的情況下，冷藏溫度升高將提高蒸發(fā)溫度，使得制冷劑的單位制冷量增大，且引射器Ⅰ所引射的蒸氣流量增加，從而使制冷量增大；環(huán)境溫度上升將提高冷凝溫度，使得制冷劑的單位制冷量減小，此 引射器Ⅰ所引射的蒸氣流量也減小，故制冷量下降。進(jìn)一步分析還發(fā)現(xiàn)，冷藏溫度每上升1℃，制冷量增加約3%；環(huán)境溫度每降低1℃，制冷量增加約3.8%，可見環(huán)境溫度對(duì)制冷量的影響比冷藏溫度明顯。

圖4 冷藏溫度及環(huán)境溫度對(duì)制冷量的影響Fig.4 In fl uence of cold storage/ambient temperatures on the refrigeration capacity of the system

圖5 太陽輻照度對(duì)制冷量的影響Fig.5 In fl uence of solar irradiance on the refrigeration capacity of the system

由圖5可知，在冷藏溫度和環(huán)境溫度恒定 ，系統(tǒng)的制冷量隨太陽輻照度的增大而線性增加；且當(dāng)冷藏溫度越高、環(huán)境溫度越低 ，太陽輻照度的影響越明顯。究其原因，是因?yàn)樵谄渌麉?shù)都確定的條件下，制冷量與太陽輻照度成一次線性函數(shù)關(guān)系。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況下，太陽輻照度每增加100W/m2制冷量可增加2.1kW。結(jié)合圖4～5可推斷，只要設(shè)置合理的冷藏溫度(如不低于4℃)，由于一般情況下太陽輻照度與環(huán)境溫度變化趨勢(shì)一致，系統(tǒng)提供的制冷量基本能滿足要求；計(jì)算表明，正常使用條件下(冷藏溫度不低于4℃，環(huán)境溫度不高于38℃，太陽輻照度不低于500 W/m2)，制冷量的變化范圍為6.3～26kW，最大可達(dá)額定制冷量的2.8倍。

2.2.2 冷藏溫度、環(huán)境溫度及太陽輻照度對(duì)系統(tǒng)COP的影響

由于所提出的風(fēng)冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)能耗較大，約為制冷量的20%左右，因此在計(jì)算COP 將其考慮在內(nèi)。因太陽能集熱器的最佳效率對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的發(fā)生溫度[7]，故計(jì)算 維持發(fā)生溫度為90℃(可通過控制發(fā)生器內(nèi)的壓力來實(shí)現(xiàn))。分析圖6發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)COP隨冷藏溫度升高而增大，隨環(huán)境溫度升高而減小。因?yàn)槔洳販囟壬呤沟谜舭l(fā)溫度上升，使單位制冷量增大，且引射器Ⅰ和Ⅱ的噴射系數(shù)都增大，故系統(tǒng)COP增大；環(huán)境溫度升高使得冷凝溫度上升，導(dǎo)致單位制冷量減小，且引射器Ⅰ和Ⅱ的噴射系數(shù)都減小，從而使系統(tǒng)COP降低。進(jìn)一步比較圖6中的曲線發(fā)現(xiàn)，冷藏溫度每上升1℃，系統(tǒng)COP約增加3%；環(huán)境溫度每降低1℃，系統(tǒng)COP約增加3.8%，可見環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)COP的影響比冷藏溫度明顯。

圖6 冷藏溫度及環(huán)境溫度對(duì)COP的影響Fig.6 In fl uence of cold storage/ambient temperatures on the COP of the system

太陽輻照度對(duì)系統(tǒng)COP的影響見圖7。從中可看到，系統(tǒng)COP隨太陽輻照度的增強(qiáng)而升高，但太陽輻射增強(qiáng)到一定程度 (Iθ≥800W/m2)，COP值趨于穩(wěn)定。究其原因，是因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)由動(dòng)力子系統(tǒng)和制冷子系統(tǒng)組成，在維持發(fā)生溫度穩(wěn)定的前提下，太陽輻照度增強(qiáng)(減弱)將同 增加(減小)工作蒸氣和引射蒸氣的流量，即同 增大(減小)制冷量和制冷子系統(tǒng)的有效輸入熱量，結(jié)果是制冷子系統(tǒng)的能效比不變；此 系統(tǒng)COP主要受集熱器效率的影響，其變化趨勢(shì)與ηcd一致，隨著太陽輻照度Iθ的增大其斜率逐漸減小，最后趨于平緩。結(jié)合圖6和圖7還可推斷，在正常使用條件下(冷藏溫度不低于4℃，環(huán)境溫度不高于38℃，太陽輻照度不低于500W/m2)，整個(gè)系統(tǒng)的COP在0.042至0.087之間。

圖7 太陽輻照度對(duì)COP的影響Fig.7 In fl uence of solar irradiance on the COP of the system

2.2.3 系統(tǒng)適應(yīng)性分析

從前面分析可知，該系統(tǒng)的COP較低；而不少研究得到的太陽能氨噴射制冷系統(tǒng)的COP相對(duì)較高，一般為0.3～0.6[8-9]。原因是在其他參數(shù)相近的前提下，取得較高COP 的冷凝溫度多在30℃左右或更低，這是典型的水冷條件，可見風(fēng)冷條件下的COP比水冷條件下的低很多。為保證冷卻效果，風(fēng)冷冷凝器也較龐大，但風(fēng)冷結(jié)構(gòu)省去了冷卻水系統(tǒng)，所以就整個(gè)太陽能噴射制冷系統(tǒng)而言，尚需通過詳細(xì)計(jì)算才能確定風(fēng)冷和水冷兩種方式哪種更節(jié)材節(jié)地。不過由于水冷噴射制冷系統(tǒng)的冷卻水消耗量遠(yuǎn)比相同制冷量壓縮式系統(tǒng)的多[10]，風(fēng)冷系統(tǒng)無疑節(jié)約了水資源；再者，風(fēng)冷系統(tǒng)同樣能滿足制冷量需求且具備較強(qiáng)的容量調(diào)節(jié)能力。

就處于亞熱帶的廣西南寧而言，其水果蔬菜盛產(chǎn)期一般集中在5月到10月，主要品種包括龍眼(冷藏溫度4～6℃)、柑橘(冷藏溫度8℃)、香蕉(冷藏溫度13～14℃)等[11-13]。雖然南寧全年屬于太陽能資源一般區(qū)，但在夏秋季節(jié)太陽輻射較強(qiáng)，由文獻(xiàn)[14]的數(shù)據(jù)計(jì)算可知，南寧在5月至10月間太陽平均輻照度較大，達(dá)到650W/m2，接近太陽能資源較富區(qū)(以北京為例)同期的平均值(680W/m2)，可以滿足太陽能噴射制冷系統(tǒng)運(yùn)行的需要。太陽輻照度強(qiáng)弱變化的 間也與冷藏負(fù)荷的變化相匹配。綜上所述，在南寧使用該系統(tǒng)，對(duì)保鮮冷藏領(lǐng)域的節(jié)能環(huán)保具有積極意義。

3 結(jié)論

引射器和太陽能集熱器是影響太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件，直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的制冷量和能效比。系統(tǒng)的制冷量隨冷藏溫度升高而增大，隨環(huán)境溫度升高而減小，隨太陽輻照度增強(qiáng)而增大。系統(tǒng)的COP隨著冷藏溫度升高而增大，隨環(huán)境溫度升高而減小，隨太陽輻照度增強(qiáng)而增大，但太陽輻照度增加到一定程度后，COP趨于穩(wěn)定。在正常使用條件下(冷藏溫度不低于4℃，環(huán)境溫度不高于38℃，太陽輻照度不低于500W/m2)，系統(tǒng)的制冷量為6.3～26kW，COP為0.042～0.087，具有較強(qiáng)的變工況能力。就南寧地區(qū)的氣候條件而言，系統(tǒng)基本可在當(dāng)?shù)毓呤a(chǎn)季節(jié)長(zhǎng)期正常運(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)乇ｕr冷藏領(lǐng)域節(jié)能減排的有效技術(shù)方案之一。

但也需注意，以氨為工質(zhì)的風(fēng)冷太陽能噴射制冷系統(tǒng)，因使用冷卻效率相對(duì)較低的風(fēng)冷系統(tǒng)，導(dǎo)致冷凝器的體積較為龐大；同 ，系統(tǒng)能效比較低也使得集熱面積較大，占地較多且初期投資較大。這是今后進(jìn)一步優(yōu)化所要解決的問題。

本文受廣西自然科學(xué)基金(桂科青0991007)和廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃(105931003021)項(xiàng)目資助。(The project was supported by Guangxi Natural Science Foundation(No.0991007) and Guangxi Postgraduate Educational Innovation Project (No.105931003021).)

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