太陽能噴射—壓縮復合蓄冷系統熱力學性能分析

張利賀,范曉偉,鄭慧凡

(中原工學院,鄭州 450007)

太陽能噴射—壓縮復合蓄冷系統熱力學性能分析

張利賀,范曉偉,鄭慧凡

(中原工學院,鄭州 450007)

建立了太陽能噴射—壓縮復合蓄冷系統熱力學計算模型,選取 HFC134a作為制冷工質,計算結果表明:蒸發溫度在-15℃～-5℃,冷凝溫度為35℃和40℃時,太陽能噴射—壓縮制冷系統的 EER要優于單獨噴射和單獨電壓縮系統;太陽能噴射—壓縮制冷系統的EER值隨中間冷卻溫度的升高而先升高后降低,并且隨著冷凝溫度的升高,其最優溫度也會升高.

蓄冷;噴射制冷;EER

太陽能、風能和生物質能等清潔能源越來越受到重視,太陽能噴射制冷作為有效利用太陽能的一種制冷形式,具有結構簡單、成本低、運行穩定以及環保等優點,因此,國內外許多學者對其開展了大量的研究.Jo rge I等人對以R134a和R142b為制冷劑的聯合噴射系統進行了性能分析和比較[1];Selvaraju A、Sankarlal T、M ani A 等分別對以氨、R134a、R152a和R290為制冷劑的噴射系統性能進行了模擬和實驗研究[2-3];田琦等對噴射器和壓縮機并聯的聯合制冷系統進行了實驗研究,分析了蒸發溫度、冷凝溫度、發生溫度等對系統性能的影響[4].

太陽能噴射和電壓縮復合制冷系統的制冷性能和太陽輻射的關系非常緊密.當天氣條件好、太陽輻射強度高時,利用太陽能制冷沒有問題;而當天氣為陰天或下雨或晚上時,單純依靠太陽能制冷就不能滿足要求了.為了充分利用太陽能資源,本文提出了蓄冷型太陽能噴射—壓縮復合制冷系統.

1 系統組成及工作原理

圖1 蓄冷型太陽能噴射—壓縮制冷系統原理圖

圖1所示為蓄冷型太陽能噴射—壓縮復合制冷系統原理圖.該系統主要由太陽能集熱系統、噴射系統和電壓縮系統構成.其工作過程如下:熱媒利用太陽能集熱器a吸收的太陽能升溫后進入發生器b,制冷劑在發生器b中和熱媒進行熱交換后汽化,產生飽和蒸汽,飽和蒸汽進入噴射器d,在噴嘴部分絕熱膨脹,壓力降低,流速提高,將中間冷卻器g中的蒸汽吸入噴射器,與工作蒸汽在混合室內混合后進入擴壓部分,動能下降,蒸汽的壓力提高后進入冷凝器e放熱,冷凝成液體,從冷凝器e出來的制冷劑則分成2個支路,一路經過工質泵f升壓后進入發生器b,另一路經過節流閥h后進入中間冷卻器g,然后被工作蒸汽再次抽吸入噴射器d,完成噴射部分循環;電壓縮部分的制冷劑在中間冷卻器g放熱,經過節流閥i之后進入蓄冷槽k放出冷量用于蓄冷,然后被壓縮機j升溫升壓后進入中間冷卻器g冷凝放熱.單獨的噴射制冷循環由部件a至h構成,其中將中間冷卻器g改為蒸發部件;單獨電壓縮制冷系統則是由部件g、i、j和k組成,其中中間冷卻器g改為冷凝部件.本文通過熱力學原理對所述的單獨太陽能噴射蓄冷系統、單元電壓縮蓄冷系統及復合蓄冷系統進行比較分析.

2 熱力學分析及計算模型建立

為了對太陽能噴射—壓縮復合蓄冷系統進行熱力學分析,特作以下假設:①系統均處于穩定運行狀態;②流體在系統中的壓力、阻力損失不計;③冷凝器的出口狀態為飽和狀態;④各換熱器的熱損失不計.其壓焓圖如圖2所示,其中Tg、Tk、Tint、Te分別表示發生溫度、冷凝溫度、中間溫度和蒸發溫度,則太陽能噴射—壓縮制冷系統的主要熱平衡方程如下.

圖2 噴射—壓縮復合蓄冷系統壓焓圖

式中:qc,e為單位制冷劑的出冷量,kJ/kg;h9為蓄冷槽出口處焓值,kJ/kg;h7為中間冷卻器冷凝側出口處焓值,kJ/kg.

壓縮機單位制冷劑做功的計算公式為:

式中:qc為壓縮機單位制冷劑做功,kJ/kg;h10為壓縮機出口處的焓值,kJ/kg.

電壓縮側制冷劑流量的計算公式為:

式中:Q為系統的制冷量,kW.

中間冷卻器冷凝側放熱量的計算公式為:

干燥速率的定義為單位時間內每單位面積（物料和干燥介質的接觸面積）濕物料汽化的水分質量[6]。當物料與干燥介質的接觸面積不易確定時，用干燥強度表示干燥速率，其定義為物料濕含量隨時間的變化率，通常用Nd表示，使用干燥強度的公式表示干燥速率。單位為g水/（g絕干物料·h）計算公式 （1） 如下：

式中:Qc,int為中間冷卻器冷凝側的放熱量,kW.由熱力平衡可知:

式中:Qe,int為中間冷卻器蒸發側的吸熱量,kW.則引射質量流量的計算公式為:

式中:my為引射流體質量流量,kg/s;qe,int由傳熱溫差ΔTint結合焓差計算得到.

由噴射系數的定義可知工作流體的質量流量按以下公式計算:

式中:mg為工作流體質量流量,kg/s;μ為噴射系數.

由文獻[5]知,最優工況下噴射系數的計算公式可表示如下:

工質泵做功按以下公式計算:

式中:we,b為工質泵的功率,kW;Pe,g為發生壓力,kPa;Pe,k為冷凝壓力,kPa;η為工質泵的效率,選取0.7;ρ為制冷劑密度,kg/m3.

工況的傳熱溫差ΔTint、過冷度ΔTk及過熱度ΔTe均為5℃.

本文用能效比EER分析比較各系統的一次能源消耗率.

復合系統的能效比可用下式表示:

式中:ηc為壓縮機的電效率,選取0.5.

同樣,單獨電壓縮系統的能效比為:

單獨噴射系統的能效比為:

式中:中間溫度為噴射部分的蒸發溫度,由公式(1)—(8)可求得噴射部分的工作流體質量流量mg,進而由公式(9)可得出工質泵的能耗we,b,再結合公式(10)可得系統的EER值.在上述熱力分析的基礎上,利用EES軟件設計編制了系統熱力計算模型,輸入參數為蒸發溫度Te、中間冷卻溫度Tint和冷凝溫度Tk,輸出參數為系統的能效比EER.對于單獨噴射系統和單獨電壓縮系統,則可以結合以上的熱力分析運用EES軟件進行相應程序的編制.

3 計算結果分析

利用上述計算程序,設定發生器可以提供的熱源溫度為85℃,參照文獻[6],分別選取35℃和40℃為各工況的冷凝溫度.通過熱力學模型進行計算,得到數據繪制圖表.

圖3、圖4所示是3種系統在冷凝溫度為35℃和40℃,蒸發溫度為-15℃至-5℃時EER隨蒸發溫度變化趨勢圖.可以看出:在中間溫度為5℃時,復合系統的EER值均高于單獨電壓縮系統和單獨噴射系統;在冷凝溫度為35℃時,噴射系統的 EER值要高于電壓縮系統,在冷凝溫度為40℃時 EER值則比電壓縮系統低.

圖5、圖6所示是復合系統在冷凝溫度為30℃～40℃,蒸發溫度分別為 -5℃和 -10℃,中間溫度為1℃～20℃時EER的變化趨勢圖.可以看出:復合系統的EER值隨中間冷卻溫度的升高呈先上升后下降的趨勢,但峰值點的出現區域不同,隨著冷凝溫度的升高其峰值點也逐漸升高,并且隨著中間溫度的升高其曲線逐漸趨于平緩.究其原因,由于隨著中間溫度的升高,噴射系統的效率提高而壓縮蓄冷系統的效率會下降,所以存在最優的中間溫度區域;通過計算分析發現,高冷凝溫度時壓縮機和工質泵的功耗變化幅度低于低冷凝溫度時的變化幅度,所以其曲線比較平緩.

4 結 語

通過對太陽能噴射 —壓縮制冷系統和單獨噴射系統、單獨電壓縮系統的熱力計算模型的建立和計算,分析比較了蒸發溫度、中間冷卻溫度對3個系統能效比的影響,得出以下結論:

(1)在冷凝溫度為35℃和40℃的工況下,太陽能噴射 —壓縮復合蓄冷系統的EER值高于單獨噴射系統和單獨電壓縮系統;

(2)在冷凝溫度為30℃～40℃時,太陽能噴射 —壓縮復合蓄冷系統的EER值隨中間冷卻器溫度的升高而先升高后降低,并且存在最優的中間冷卻溫度工作區,在該工作區內系統的 EER值能夠達到最高,而在工作區外則會下降;

(3)太陽能噴射 —壓縮復合制冷系統最優中間溫度會隨著冷凝溫度的升高而升高,并且高冷凝溫度的性能曲線比低冷凝溫度平緩.

[1]Jo rge I,Hernandez,Ruben J,Do rantes.The Behavio r of a Hybrid Comp resso r and Ejecto r Ref rigeration System w ith Refrigerants 134a and 142b[J].App lied Thermal Engineering,2004,24:1765-1783.

[2]Selvaraju A,Mani A.Experimental Investigation on R134a Vapourejector Refrigeration System[J].International Journal of Refrigeration,2006,29:1160-1166.

[3]Sankarlal T,Mani A.Experimental Investigations on Ejecto r Ref rigeration System w ith Ammonia[J].Renewable Energy,2007,32:1403-1413.

[4]田琦.太陽能噴射與壓縮一體化制冷系統的研究[D].天津:天津大學,2005.

[5]Selvaraju A,Mani A.Analysis of a Vapour Ejector Refrigeration System w ith Environment Friendly Refrigerants[J].International Journal of Thermal Sciences,2004,43:915-921.

[6]JB/T7666-1995,制冷和空調設備名義工況一般規定[S].

Thermodynam ic Analysis of a Combined Solar Ejection-Com pression System for Ice-storage

ZHANG Li-he,FAN Xiao-wei,ZHENG Hui-fan
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

The thermodynamics model is established to analyse the solar ejection-comp ression refrigeration system w hich used HFC134a as wo rking fluid.It is found that the EER of solar ejection-comp ression refrigeration system is superior to the pure ejector refrigeration system or comp ressor ref rigeration system.w hen evaporation temperature is at-5℃～-15℃and condensation temperature is at 35℃and 40℃respectively,the EER of the solar ejector-comp resso r refrigeration system increases first and then decreases w ith intermediate cooling temperature,and it w ill increase w ith the condensation temperature increasing.

accumulation of cold;ejector refrigeration;EER

TB65

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.01.003

1671-6906(2011)01-0011-04

2010-12-10

河南省科技攻關項目(082102280010);河南省杰出青年基金項目(084100510008);河南省教育廳自然科學研究計劃項目(2010A 470007)

張利賀(1984-),男,河南新鄉人,碩士生.