太阳能喷射—压缩复合蓄冷系统热力学性能分析

张利贺,范晓伟,郑慧凡

(中原工学院,郑州 450007)

太阳能喷射—压缩复合蓄冷系统热力学性能分析

张利贺,范晓伟,郑慧凡

(中原工学院,郑州 450007)

建立了太阳能喷射—压缩复合蓄冷系统热力学计算模型,选取 HFC134a作为制冷工质,计算结果表明:蒸发温度在-15℃～-5℃,冷凝温度为35℃和40℃时,太阳能喷射—压缩制冷系统的 EER要优于单独喷射和单独电压缩系统;太阳能喷射—压缩制冷系统的EER值随中间冷却温度的升高而先升高后降低,并且随着冷凝温度的升高,其最优温度也会升高.

蓄冷;喷射制冷;EER

太阳能、风能和生物质能等清洁能源越来越受到重视,太阳能喷射制冷作为有效利用太阳能的一种制冷形式,具有结构简单、成本低、运行稳定以及环保等优点,因此,国内外许多学者对其开展了大量的研究.Jo rge I等人对以R134a和R142b为制冷剂的联合喷射系统进行了性能分析和比较[1];Selvaraju A、Sankarlal T、M ani A 等分别对以氨、R134a、R152a和R290为制冷剂的喷射系统性能进行了模拟和实验研究[2-3];田琦等对喷射器和压缩机并联的联合制冷系统进行了实验研究,分析了蒸发温度、冷凝温度、发生温度等对系统性能的影响[4].

太阳能喷射和电压缩复合制冷系统的制冷性能和太阳辐射的关系非常紧密.当天气条件好、太阳辐射强度高时,利用太阳能制冷没有问题;而当天气为阴天或下雨或晚上时,单纯依靠太阳能制冷就不能满足要求了.为了充分利用太阳能资源,本文提出了蓄冷型太阳能喷射—压缩复合制冷系统.

1 系统组成及工作原理

图1 蓄冷型太阳能喷射—压缩制冷系统原理图

图1所示为蓄冷型太阳能喷射—压缩复合制冷系统原理图.该系统主要由太阳能集热系统、喷射系统和电压缩系统构成.其工作过程如下:热媒利用太阳能集热器a吸收的太阳能升温后进入发生器b,制冷剂在发生器b中和热媒进行热交换后汽化,产生饱和蒸汽,饱和蒸汽进入喷射器d,在喷嘴部分绝热膨胀,压力降低,流速提高,将中间冷却器g中的蒸汽吸入喷射器,与工作蒸汽在混合室内混合后进入扩压部分,动能下降,蒸汽的压力提高后进入冷凝器e放热,冷凝成液体,从冷凝器e出来的制冷剂则分成2个支路,一路经过工质泵f升压后进入发生器b,另一路经过节流阀h后进入中间冷却器g,然后被工作蒸汽再次抽吸入喷射器d,完成喷射部分循环;电压缩部分的制冷剂在中间冷却器g放热,经过节流阀i之后进入蓄冷槽k放出冷量用于蓄冷,然后被压缩机j升温升压后进入中间冷却器g冷凝放热.单独的喷射制冷循环由部件a至h构成,其中将中间冷却器g改为蒸发部件;单独电压缩制冷系统则是由部件g、i、j和k组成,其中中间冷却器g改为冷凝部件.本文通过热力学原理对所述的单独太阳能喷射蓄冷系统、单元电压缩蓄冷系统及复合蓄冷系统进行比较分析.

2 热力学分析及计算模型建立

为了对太阳能喷射—压缩复合蓄冷系统进行热力学分析,特作以下假设:①系统均处于稳定运行状态;②流体在系统中的压力、阻力损失不计;③冷凝器的出口状态为饱和状态;④各换热器的热损失不计.其压焓图如图2所示,其中Tg、Tk、Tint、Te分别表示发生温度、冷凝温度、中间温度和蒸发温度,则太阳能喷射—压缩制冷系统的主要热平衡方程如下.

图2 喷射—压缩复合蓄冷系统压焓图

式中:qc,e为单位制冷剂的出冷量,kJ/kg;h9为蓄冷槽出口处焓值,kJ/kg;h7为中间冷却器冷凝侧出口处焓值,kJ/kg.

压缩机单位制冷剂做功的计算公式为:

式中:qc为压缩机单位制冷剂做功,kJ/kg;h10为压缩机出口处的焓值,kJ/kg.

电压缩侧制冷剂流量的计算公式为:

式中:Q为系统的制冷量,kW.

中间冷却器冷凝侧放热量的计算公式为:

干燥速率的定义为单位时间内每单位面积（物料和干燥介质的接触面积）湿物料汽化的水分质量[6]。当物料与干燥介质的接触面积不易确定时，用干燥强度表示干燥速率，其定义为物料湿含量随时间的变化率，通常用Nd表示，使用干燥强度的公式表示干燥速率。单位为g水/（g绝干物料·h）计算公式 （1） 如下：

式中:Qc,int为中间冷却器冷凝侧的放热量,kW.由热力平衡可知:

式中:Qe,int为中间冷却器蒸发侧的吸热量,kW.则引射质量流量的计算公式为:

式中:my为引射流体质量流量,kg/s;qe,int由传热温差ΔTint结合焓差计算得到.

由喷射系数的定义可知工作流体的质量流量按以下公式计算:

式中:mg为工作流体质量流量,kg/s;μ为喷射系数.

由文献[5]知,最优工况下喷射系数的计算公式可表示如下:

工质泵做功按以下公式计算:

式中:we,b为工质泵的功率,kW;Pe,g为发生压力,kPa;Pe,k为冷凝压力,kPa;η为工质泵的效率,选取0.7;ρ为制冷剂密度,kg/m3.

工况的传热温差ΔTint、过冷度ΔTk及过热度ΔTe均为5℃.

本文用能效比EER分析比较各系统的一次能源消耗率.

复合系统的能效比可用下式表示:

式中:ηc为压缩机的电效率,选取0.5.

同样,单独电压缩系统的能效比为:

单独喷射系统的能效比为:

式中:中间温度为喷射部分的蒸发温度,由公式(1)—(8)可求得喷射部分的工作流体质量流量mg,进而由公式(9)可得出工质泵的能耗we,b,再结合公式(10)可得系统的EER值.在上述热力分析的基础上,利用EES软件设计编制了系统热力计算模型,输入参数为蒸发温度Te、中间冷却温度Tint和冷凝温度Tk,输出参数为系统的能效比EER.对于单独喷射系统和单独电压缩系统,则可以结合以上的热力分析运用EES软件进行相应程序的编制.

3 计算结果分析

利用上述计算程序,设定发生器可以提供的热源温度为85℃,参照文献[6],分别选取35℃和40℃为各工况的冷凝温度.通过热力学模型进行计算,得到数据绘制图表.

图3、图4所示是3种系统在冷凝温度为35℃和40℃,蒸发温度为-15℃至-5℃时EER随蒸发温度变化趋势图.可以看出:在中间温度为5℃时,复合系统的EER值均高于单独电压缩系统和单独喷射系统;在冷凝温度为35℃时,喷射系统的 EER值要高于电压缩系统,在冷凝温度为40℃时 EER值则比电压缩系统低.

图5、图6所示是复合系统在冷凝温度为30℃～40℃,蒸发温度分别为 -5℃和 -10℃,中间温度为1℃～20℃时EER的变化趋势图.可以看出:复合系统的EER值随中间冷却温度的升高呈先上升后下降的趋势,但峰值点的出现区域不同,随着冷凝温度的升高其峰值点也逐渐升高,并且随着中间温度的升高其曲线逐渐趋于平缓.究其原因,由于随着中间温度的升高,喷射系统的效率提高而压缩蓄冷系统的效率会下降,所以存在最优的中间温度区域;通过计算分析发现,高冷凝温度时压缩机和工质泵的功耗变化幅度低于低冷凝温度时的变化幅度,所以其曲线比较平缓.

4 结 语

通过对太阳能喷射 —压缩制冷系统和单独喷射系统、单独电压缩系统的热力计算模型的建立和计算,分析比较了蒸发温度、中间冷却温度对3个系统能效比的影响,得出以下结论:

(1)在冷凝温度为35℃和40℃的工况下,太阳能喷射 —压缩复合蓄冷系统的EER值高于单独喷射系统和单独电压缩系统;

(2)在冷凝温度为30℃～40℃时,太阳能喷射 —压缩复合蓄冷系统的EER值随中间冷却器温度的升高而先升高后降低,并且存在最优的中间冷却温度工作区,在该工作区内系统的 EER值能够达到最高,而在工作区外则会下降;

(3)太阳能喷射 —压缩复合制冷系统最优中间温度会随着冷凝温度的升高而升高,并且高冷凝温度的性能曲线比低冷凝温度平缓.

[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.太阳能喷射与压缩一体化制冷系统的研究[D].天津:天津大学,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,制冷和空调设备名义工况一般规定[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

河南省科技攻关项目(082102280010);河南省杰出青年基金项目(084100510008);河南省教育厅自然科学研究计划项目(2010A 470007)

张利贺(1984-),男,河南新乡人,硕士生.