太陽能噴射—壓縮復(fù)合蓄冷系統(tǒng)熱力學(xué)性能分析

張利賀,范曉偉,鄭慧凡

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

太陽能噴射—壓縮復(fù)合蓄冷系統(tǒng)熱力學(xué)性能分析

張利賀,范曉偉,鄭慧凡

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

建立了太陽能噴射—壓縮復(fù)合蓄冷系統(tǒng)熱力學(xué)計(jì)算模型,選取 HFC134a作為制冷工質(zhì),計(jì)算結(jié)果表明:蒸發(fā)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(tǒng)的 EER要優(yōu)于單獨(dú)噴射和單獨(dú)電壓縮系統(tǒng);太陽能噴射—壓縮制冷系統(tǒng)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(yōu)溫度也會升高.

蓄冷;噴射制冷;EER

太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)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(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),因此,國內(nèi)外許多學(xué)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(lián)合噴射系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)性能進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究[2-3];田琦等對噴射器和壓縮機(jī)并聯(lián)的聯(lián)合制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、發(fā)生溫度等對系統(tǒng)性能的影響[4].

太陽能噴射和電壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)的制冷性能和太陽輻射的關(guān)系非常緊密.當(dāng)天氣條件好、太陽輻射強(qiáng)度高時,利用太陽能制冷沒有問題;而當(dāng)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(fù)合制冷系統(tǒng).

1 系統(tǒng)組成及工作原理

圖1 蓄冷型太陽能噴射—壓縮制冷系統(tǒng)原理圖

圖1所示為蓄冷型太陽能噴射—壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)原理圖.該系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和電壓縮系統(tǒng)構(gòu)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(jìn)入發(fā)生器b,制冷劑在發(fā)生器b中和熱媒進(jìn)行熱交換后汽化,產(chǎn)生飽和蒸汽,飽和蒸汽進(jìn)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(nèi)混合后進(jìn)入擴(kuò)壓部分,動能下降,蒸汽的壓力提高后進(jìn)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(jīng)過工質(zhì)泵f升壓后進(jìn)入發(fā)生器b,另一路經(jīng)過節(jié)流閥h后進(jìn)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(huán);電壓縮部分的制冷劑在中間冷卻器g放熱,經(jīng)過節(jié)流閥i之后進(jìn)入蓄冷槽k放出冷量用于蓄冷,然后被壓縮機(jī)j升溫升壓后進(jìn)入中間冷卻器g冷凝放熱.單獨(dú)的噴射制冷循環(huán)由部件a至h構(gòu)成,其中將中間冷卻器g改為蒸發(fā)部件;單獨(dú)電壓縮制冷系統(tǒng)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(xué)原理對所述的單獨(dú)太陽能噴射蓄冷系統(tǒng)、單元電壓縮蓄冷系統(tǒng)及復(fù)合蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行比較分析.

2 熱力學(xué)分析及計(jì)算模型建立

為了對太陽能噴射—壓縮復(fù)合蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析,特作以下假設(shè):①系統(tǒng)均處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài);②流體在系統(tǒng)中的壓力、阻力損失不計(jì);③冷凝器的出口狀態(tài)為飽和狀態(tài);④各換熱器的熱損失不計(jì).其壓焓圖如圖2所示,其中Tg、Tk、Tint、Te分別表示發(fā)生溫度、冷凝溫度、中間溫度和蒸發(fā)溫度,則太陽能噴射—壓縮制冷系統(tǒng)的主要熱平衡方程如下.

圖2 噴射—壓縮復(fù)合蓄冷系統(tǒng)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(cè)出口處焓值,kJ/kg.

壓縮機(jī)單位制冷劑做功的計(jì)算公式為:

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

電壓縮側(cè)制冷劑流量的計(jì)算公式為:

式中:Q為系統(tǒng)的制冷量,kW.

中間冷卻器冷凝側(cè)放熱量的計(jì)算公式為:

干燥速率的定義為單位時間內(nèi)每單位面積（物料和干燥介質(zhì)的接觸面積）濕物料汽化的水分質(zhì)量[6]。當(dāng)物料與干燥介質(zhì)的接觸面積不易確定時，用干燥強(qiáng)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(qiáng)度的公式表示干燥速率。單位為g水/（g絕干物料·h）計(jì)算公式 （1） 如下：

式中:Qc,int為中間冷卻器冷凝側(cè)的放熱量,kW.由熱力平衡可知:

式中:Qe,int為中間冷卻器蒸發(fā)側(cè)的吸熱量,kW.則引射質(zhì)量流量的計(jì)算公式為:

式中:my為引射流體質(zhì)量流量,kg/s;qe,int由傳熱溫差ΔTint結(jié)合焓差計(jì)算得到.

由噴射系數(shù)的定義可知工作流體的質(zhì)量流量按以下公式計(jì)算:

式中:mg為工作流體質(zhì)量流量,kg/s;μ為噴射系數(shù).

由文獻(xiàn)[5]知,最優(yōu)工況下噴射系數(shù)的計(jì)算公式可表示如下:

工質(zhì)泵做功按以下公式計(jì)算:

式中:we,b為工質(zhì)泵的功率,kW;Pe,g為發(fā)生壓力,kPa;Pe,k為冷凝壓力,kPa;η為工質(zhì)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(tǒng)的一次能源消耗率.

復(fù)合系統(tǒng)的能效比可用下式表示:

式中:ηc為壓縮機(jī)的電效率,選取0.5.

同樣,單獨(dú)電壓縮系統(tǒng)的能效比為:

單獨(dú)噴射系統(tǒng)的能效比為:

式中:中間溫度為噴射部分的蒸發(fā)溫度,由公式(1)—(8)可求得噴射部分的工作流體質(zhì)量流量mg,進(jìn)而由公式(9)可得出工質(zhì)泵的能耗we,b,再結(jié)合公式(10)可得系統(tǒng)的EER值.在上述熱力分析的基礎(chǔ)上,利用EES軟件設(shè)計(jì)編制了系統(tǒng)熱力計(jì)算模型,輸入?yún)?shù)為蒸發(fā)溫度Te、中間冷卻溫度Tint和冷凝溫度Tk,輸出參數(shù)為系統(tǒng)的能效比EER.對于單獨(dú)噴射系統(tǒng)和單獨(dú)電壓縮系統(tǒng),則可以結(jié)合以上的熱力分析運(yùn)用EES軟件進(jìn)行相應(yīng)程序的編制.

3 計(jì)算結(jié)果分析

利用上述計(jì)算程序,設(shè)定發(fā)生器可以提供的熱源溫度為85℃,參照文獻(xiàn)[6],分別選取35℃和40℃為各工況的冷凝溫度.通過熱力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算,得到數(shù)據(jù)繪制圖表.

圖3、圖4所示是3種系統(tǒng)在冷凝溫度為35℃和40℃,蒸發(fā)溫度為-15℃至-5℃時EER隨蒸發(fā)溫度變化趨勢圖.可以看出:在中間溫度為5℃時,復(fù)合系統(tǒng)的EER值均高于單獨(dú)電壓縮系統(tǒng)和單獨(dú)噴射系統(tǒng);在冷凝溫度為35℃時,噴射系統(tǒng)的 EER值要高于電壓縮系統(tǒng),在冷凝溫度為40℃時 EER值則比電壓縮系統(tǒng)低.

圖5、圖6所示是復(fù)合系統(tǒng)在冷凝溫度為30℃～40℃,蒸發(fā)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(fù)合系統(tǒng)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(diǎn)的出現(xiàn)區(qū)域不同,隨著冷凝溫度的升高其峰值點(diǎn)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(tǒng)的效率提高而壓縮蓄冷系統(tǒng)的效率會下降,所以存在最優(yōu)的中間溫度區(qū)域;通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn),高冷凝溫度時壓縮機(jī)和工質(zhì)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(jié) 語

通過對太陽能噴射 —壓縮制冷系統(tǒng)和單獨(dú)噴射系統(tǒng)、單獨(dú)電壓縮系統(tǒng)的熱力計(jì)算模型的建立和計(jì)算,分析比較了蒸發(fā)溫度、中間冷卻溫度對3個系統(tǒng)能效比的影響,得出以下結(jié)論:

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

(2)在冷凝溫度為30℃～40℃時,太陽能噴射 —壓縮復(fù)合蓄冷系統(tǒng)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(yōu)的中間冷卻溫度工作區(qū),在該工作區(qū)內(nèi)系統(tǒng)的 EER值能夠達(dá)到最高,而在工作區(qū)外則會下降;

(3)太陽能噴射 —壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)最優(yōu)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(tǒng)的研究[D].天津:天津大學(xué),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(diào)設(shè)備名義工況一般規(guī)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(guān)項(xiàng)目(082102280010);河南省杰出青年基金項(xiàng)目(084100510008);河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2010A 470007)

張利賀(1984-),男,河南新鄉(xiāng)人,碩士生.