风冷太阳能双级氨喷射制冷系统冷藏工况性能分析

陈洪杰 卢 苇 覃文奇 郑立星 聂 涛

(1 广西大学化学化工学院 南宁 530004；2 广西大学机械工程学院 南宁 530004)

由于冷链能力不足，世界果蔬平均产后损失率达30%[1]，我国也因冷链发展滞后使得果蔬产后损失率达20%以上[2]。加快冷链建设对促进农业的健康可持续发展具有重要意义。然而，当今主流的蒸气压缩式制冷设备能耗巨大，其耗电量占全世界发电量的15%左右[3]，在中国则占全社会电力总负荷的20%以上[4]。压缩式制冷设备大量使用的HCFCs和HFCs类制冷剂是强温室气体，且HCFCs是消耗臭氧层物质，国际公约《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》已明确规定了这两类物质的淘汰进程。要解决使用制冷设备引起的能源与环境问题，最佳的方案无疑是应用可再生能源驱动的自然工质(水、氨、CO2等)制冷系统。在众多可再生能源中，太阳能潜力最大。以太阳能热驱动的制冷技术主要有吸附式、吸收式和喷射式；与前两种已商业化的技术相比，喷射式除能效较低外，在制冷系统结构、维护及适用性等方面均更具优势。故这里结合亚热带典型城市南宁的气候特点，对冷藏库用风冷太阳能双级氨喷射制冷系统进行性能分析。

1 以氨为工质的风冷太阳能双级喷射制冷系统

根据广西南宁地区的气候特点及空冷化的需要(节约水资源及简化系统)，设定发生温度Tp为90℃、冷凝温度Tc为45℃、蒸发温度Te为-2℃、太阳平均辐照度Iθ为650W/m2，设计了一套作为100m3小型冷藏库冷源的风冷太阳能氨喷射制冷系统，其额定制冷量为9.4kW[5]。该系统的流程如图1所示，主要部件的结构及参数见图2及表1、表2。在蒸发温度较低且冷凝温度较高 压缩比较大，故将系统设计为两级增压形式。引射器Ⅰ和引射器Ⅱ之间的压力分配采用最大制冷系数原则，分配度定为1.4[6]。

系统的工作原理为：太阳能集热器中产生的热水加热发生器中的氨，产生的氨蒸气(状态1)分两路作为工作蒸气分别进入引射器Ⅰ和引射器Ⅱ。氨蒸气流经引射器中的缩放喷嘴 ，压力降低，流速增加，在混合段中产生携带作用，进而抽吸引射蒸气。引射器Ⅰ抽吸蒸发器中的氨蒸气(状态2)，维持蒸发器的压力和温度。引射器Ⅰ出来的蒸气(状态5)被引射器Ⅱ抽吸，与工作蒸气充分混合后(状态6)，在引射器Ⅱ的扩压段中提高压力并进入冷凝器中冷凝为液态氨(状态7)。流出冷凝器的液氨分为两路，一路经过膨胀阀回流到蒸发器蒸发制冷，另一路经由循环泵送回发生器，被重新加热成工作蒸气。

图1 太阳能喷射制冷循环系统Fig.1 The system of solar-powered ejector refrigeration cycle

图2 引射器结构简图Fig.2 Schematic diagram of the ejectors

表1 引射器的结构参数Tab.1 Con fi guration parameters of the ejectors

表2 蒸发器、冷凝器、发生器和集热器的结构参数Tab.2 Con fi guration parameters of the evaporator,condenser, generator and collector

2 系统性能分析

2.1 系统数学模型

在建立系统数学模型 作如下假设：忽略集热器、蒸发器、冷凝器及管路内的阻力损失；工作蒸气及引射器Ⅰ中的引射蒸气处于过热状态，引射器Ⅱ中的引射蒸气则处于饱和状态，冷凝器出来的冷凝液为过冷液体；引射器内流体流动为一维稳态流动，工作蒸气的膨胀过程和混合蒸气的压缩过程均为绝热过程；引射器内混合段混合过程为定压过程，且遵守质量守恒、能量守恒和动量守恒定律。

图3 太阳能喷射制冷循环T-S图Fig.3 T-S chart of the solar-powered ejector refrigeration cycle

1)动力循环子系统

全玻璃真空管太阳能集热器效率ηcd为[7]：

其中，ta为环境温度，ti为水进入集热 的温度，Iθ为太阳辐照度。

太阳能集热器提供的有效热量为：

其中，ηL为管路及部件贮热热损失率，f为太阳能保证率，A为集热器面积。

发生器输送给制冷循环子系统的热量为：

其中，mg,I为引射器Ⅰ中工作蒸气流量，mg,Ⅱ为引射器Ⅱ中工作蒸气流量，h1为氨出发生器 焓值，h4为氨入发生器 焓值。

2)制冷循环子系统

参考图1和图3，制冷量为：

其中，me,I为引射器Ⅰ中引射蒸气流量；h2为氨出蒸发器 焓值，h3为氨入蒸发器 焓值，Ke为蒸发器的传热系数，Ae为蒸发器总换热面积，Δtm,e为蒸发器的对数平均温差，Ge,a为蒸发器的送风量，cp,a为空气的定压比热，te,a,i为空气入蒸发器 的温度，te,a,o为空气出蒸发器 的温度。

冷凝器的散热量为：

其中，h6为蒸气入冷凝器 焓值，h7为氨出冷凝器 焓值，Kc为冷凝器的传热系数，Ac为冷凝器总面积，Δtm,c为冷凝器的对数平均温差，Gc,a为冷凝器的冷却风量，tc,a,o为空气出冷凝器 的温度，tc,a,i为空气入冷凝器 的温度。

定义引射器Ⅰ和Ⅱ的喷射系数分别为μI和μII，有：

其中，me,II为引射器Ⅱ中引射蒸气流量，且me,II= me,I+ mg,I，h5为一级引射器出口蒸气焓值。

则喷射制冷子系统的效率为：

3)整体性能

整个太阳能喷射制冷系统的性能系数为：

其中，We为系统所需风机和水泵的总功率，一般情况下可忽略。

式(1)～(9)中所涉及参数的选取及计算方法和步骤详见文献[5]。

2.2 系统变工况性能分析

2.2.1 冷藏温度、环境温度及太阳辐照度对系统制冷量的影响

制冷量随冷藏温度和环境温度变化的情况见图4，计算条件为Iθ=650W/m2，Tp=90℃。可知：系统制冷量随冷藏温度升高而增大，随环境温度升高而减小。原因是在其他参数都不变的情况下，冷藏温度升高将提高蒸发温度，使得制冷剂的单位制冷量增大，且引射器Ⅰ所引射的蒸气流量增加，从而使制冷量增大；环境温度上升将提高冷凝温度，使得制冷剂的单位制冷量减小，此 引射器Ⅰ所引射的蒸气流量也减小，故制冷量下降。进一步分析还发现，冷藏温度每上升1℃，制冷量增加约3%；环境温度每降低1℃，制冷量增加约3.8%，可见环境温度对制冷量的影响比冷藏温度明显。

图4 冷藏温度及环境温度对制冷量的影响Fig.4 In fl uence of cold storage/ambient temperatures on the refrigeration capacity of the system

图5 太阳辐照度对制冷量的影响Fig.5 In fl uence of solar irradiance on the refrigeration capacity of the system

由图5可知，在冷藏温度和环境温度恒定 ，系统的制冷量随太阳辐照度的增大而线性增加；且当冷藏温度越高、环境温度越低 ，太阳辐照度的影响越明显。究其原因，是因为在其他参数都确定的条件下，制冷量与太阳辐照度成一次线性函数关系。在系统的设计工况下，太阳辐照度每增加100W/m2制冷量可增加2.1kW。结合图4～5可推断，只要设置合理的冷藏温度(如不低于4℃)，由于一般情况下太阳辐照度与环境温度变化趋势一致，系统提供的制冷量基本能满足要求；计算表明，正常使用条件下(冷藏温度不低于4℃，环境温度不高于38℃，太阳辐照度不低于500 W/m2)，制冷量的变化范围为6.3～26kW，最大可达额定制冷量的2.8倍。

2.2.2 冷藏温度、环境温度及太阳辐照度对系统COP的影响

由于所提出的风冷系统风机能耗较大，约为制冷量的20%左右，因此在计算COP 将其考虑在内。因太阳能集热器的最佳效率对应于相应的发生温度[7]，故计算 维持发生温度为90℃(可通过控制发生器内的压力来实现)。分析图6发现，系统COP随冷藏温度升高而增大，随环境温度升高而减小。因为冷藏温度升高使得蒸发温度上升，使单位制冷量增大，且引射器Ⅰ和Ⅱ的喷射系数都增大，故系统COP增大；环境温度升高使得冷凝温度上升，导致单位制冷量减小，且引射器Ⅰ和Ⅱ的喷射系数都减小，从而使系统COP降低。进一步比较图6中的曲线发现，冷藏温度每上升1℃，系统COP约增加3%；环境温度每降低1℃，系统COP约增加3.8%，可见环境温度对系统COP的影响比冷藏温度明显。

图6 冷藏温度及环境温度对COP的影响Fig.6 In fl uence of cold storage/ambient temperatures on the COP of the system

太阳辐照度对系统COP的影响见图7。从中可看到，系统COP随太阳辐照度的增强而升高，但太阳辐射增强到一定程度 (Iθ≥800W/m2)，COP值趋于稳定。究其原因，是因为整个系统由动力子系统和制冷子系统组成，在维持发生温度稳定的前提下，太阳辐照度增强(减弱)将同 增加(减小)工作蒸气和引射蒸气的流量，即同 增大(减小)制冷量和制冷子系统的有效输入热量，结果是制冷子系统的能效比不变；此 系统COP主要受集热器效率的影响，其变化趋势与ηcd一致，随着太阳辐照度Iθ的增大其斜率逐渐减小，最后趋于平缓。结合图6和图7还可推断，在正常使用条件下(冷藏温度不低于4℃，环境温度不高于38℃，太阳辐照度不低于500W/m2)，整个系统的COP在0.042至0.087之间。

图7 太阳辐照度对COP的影响Fig.7 In fl uence of solar irradiance on the COP of the system

2.2.3 系统适应性分析

从前面分析可知，该系统的COP较低；而不少研究得到的太阳能氨喷射制冷系统的COP相对较高，一般为0.3～0.6[8-9]。原因是在其他参数相近的前提下，取得较高COP 的冷凝温度多在30℃左右或更低，这是典型的水冷条件，可见风冷条件下的COP比水冷条件下的低很多。为保证冷却效果，风冷冷凝器也较庞大，但风冷结构省去了冷却水系统，所以就整个太阳能喷射制冷系统而言，尚需通过详细计算才能确定风冷和水冷两种方式哪种更节材节地。不过由于水冷喷射制冷系统的冷却水消耗量远比相同制冷量压缩式系统的多[10]，风冷系统无疑节约了水资源；再者，风冷系统同样能满足制冷量需求且具备较强的容量调节能力。

就处于亚热带的广西南宁而言，其水果蔬菜盛产期一般集中在5月到10月，主要品种包括龙眼(冷藏温度4～6℃)、柑橘(冷藏温度8℃)、香蕉(冷藏温度13～14℃)等[11-13]。虽然南宁全年属于太阳能资源一般区，但在夏秋季节太阳辐射较强，由文献[14]的数据计算可知，南宁在5月至10月间太阳平均辐照度较大，达到650W/m2，接近太阳能资源较富区(以北京为例)同期的平均值(680W/m2)，可以满足太阳能喷射制冷系统运行的需要。太阳辐照度强弱变化的 间也与冷藏负荷的变化相匹配。综上所述，在南宁使用该系统，对保鲜冷藏领域的节能环保具有积极意义。

3 结论

引射器和太阳能集热器是影响太阳能喷射制冷系统性能的关键部件，直接决定着整个系统的制冷量和能效比。系统的制冷量随冷藏温度升高而增大，随环境温度升高而减小，随太阳辐照度增强而增大。系统的COP随着冷藏温度升高而增大，随环境温度升高而减小，随太阳辐照度增强而增大，但太阳辐照度增加到一定程度后，COP趋于稳定。在正常使用条件下(冷藏温度不低于4℃，环境温度不高于38℃，太阳辐照度不低于500W/m2)，系统的制冷量为6.3～26kW，COP为0.042～0.087，具有较强的变工况能力。就南宁地区的气候条件而言，系统基本可在当地果蔬盛产季节长期正常运行，是实现当地保鲜冷藏领域节能减排的有效技术方案之一。

但也需注意，以氨为工质的风冷太阳能喷射制冷系统，因使用冷却效率相对较低的风冷系统，导致冷凝器的体积较为庞大；同 ，系统能效比较低也使得集热面积较大，占地较多且初期投资较大。这是今后进一步优化所要解决的问题。

本文受广西自然科学基金(桂科青0991007)和广西研究生教育创新计划(105931003021)项目资助。(The project was supported by Guangxi Natural Science Foundation(No.0991007) and Guangxi Postgraduate Educational Innovation Project (No.105931003021).)

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