新疆地区水果冷藏太阳能水蒸汽喷射CO2制冷系统

天津商业大学 宁静红 刘圣春 毛 力

0 引言

新疆地区土壤肥沃，日照时数多，太阳辐射强，热量丰富，昼夜温差大，为水果的生长提供了难得的自然条件，素有“瓜果之乡”的美称。其苹果、葡萄、甜瓜和香梨等水果清脆爽口、味美、香甜，消费市场在不断扩大。但是，由于鲜果存在生产和市场供给的季节性和周期性[1]，使其供给有淡旺季之分，难以满足消费者四季均衡消费的需要。因此急需开发节能环保的冷藏技术，满足各种新鲜水果的贮藏保鲜，提高国际市场的竞争力，实现一年四季均衡供给。

太阳能清洁、无污染、可再生，是人类可利用的最丰富的能源。太阳能蒸汽喷射循环系统不直接消耗机械能，结构简单，无转动部件，运行可靠，寿命长，运行费用低。C02具有优良的经济性，良好的安全性和化学稳定性，粘性小，阻力小，能耗低，国内、外有许多学者对太阳能辅助热源的热泵、蒸汽喷射以及CO2作制冷剂的循环系统进行研究[2-11]，得出系统在节约能源、保护环境方面具有良好的效果。本文提出利用太阳能辅助热源替代常规能源，自然工质水和CO2为循环工质的新疆地区水果冷藏制冷系统，并对其性能进行分析，以实现水果冷藏保鲜的产业化，解决一年四季均衡供给，节约能源、保护环境。

图1 新疆地区水果冷藏太阳能热源水蒸汽喷射CO2制冷系统流程图

图2 水蒸气喷射制冷循环和CO2制冷循环的T-S图

1 系统描述

图1中所示的是新疆地区水果冷藏太阳能热源水蒸汽喷射CO2制冷系统，由下面的各个循环组成：

1.1 太阳能集热循环

该循环由太阳能集热器、发生器和热水泵组成。水经热水泵的驱动，在太阳能集热器中吸收太阳能，温度升高的水回到发生器中。

1.2 水蒸汽喷射制冷循环

由喷射器、冷凝器、发生器、蒸发换热器、节流阀和水泵组成水蒸汽喷射制冷循环。发生器上部的高温高压水蒸汽通过喷射器中的喷嘴膨胀并以高速流动，在喷嘴出口处造成很低的压力，因流出速度高、压力低，吸引蒸发换热器内蒸发生成的低压水蒸汽，进入喷射器的混合室，混合室中的蒸汽混合后一起进入喷射器的扩压段，在扩压段中流速降低、压力升高后进入冷凝器，在冷凝器内与管外的空气进行热交换温度降低，凝结成液体水，一路经节流阀截流降压后，进入蒸发换热器，为CO2制冷循环中制冷压缩机排出的CO2气体的冷却降温、凝结放热提供冷源；另一路经水泵回到发生器形成水蒸汽喷射制冷循环。

1.3 CO2制冷循环

蒸发换热器、制冷压缩机、热力膨胀阀和蒸发器组成CO2制冷循环。从制冷压缩机出来的CO2气体，在蒸发换热器中与换热管外的冷水进行热交换，放出热量凝结成CO2液体，经热力膨胀阀

截流降压后，进入冷藏间内的蒸发器中，吸收冷藏间内的热量，蒸发产生的CO2气体回到制冷压缩机，为冷藏间提供冷源，完成CO2制冷循环。

2 性能分析

2.1 热力计算

根据图1和图2对新疆地区水果冷藏太阳能热源水蒸汽喷射CO2制冷循环进行热力计算。假设蒸发换热器内，CO2制冷循环的CO2高温高压气体凝结放热与水蒸汽喷射制冷循环的水吸收的热量相等。设定CO2的凝结温度与水蒸汽蒸发温度的差值为5℃，发生器内水的温度为90℃，水冷凝温度为45℃,冷藏间额定的制冷量为10kW。

CO2制冷循环的制冷量：

（1）CO2制冷循环的放热量：

发生器需要的热量：

喷射器的引射率：

发生器需要的附加电能：

式中h1L,h2L,h3L,h4L,——分别为CO2制冷循环各状态点的焓值，kJ/kg

h1,h9——分别为水蒸汽喷射制冷循环的各状态点的焓值，kJ/kg

mc——被引射水蒸汽的质量流量，kg/s

mg——发生器工作水蒸汽的质量流量，kg/s

m0——CO2制冷循环的质量流量，kg/s

QK——CO2制冷循环的放热量，kW

Q0——CO2制冷循环的制冷量，kW

式中A——太阳能集热器的面积，m2

η——太阳能辐射强度，W/m2

Qcol——从太阳能获得的热量，kW

tcol——集热器内的水温，取100℃

tw——外界空气温度，℃

ηcol——太阳能集热器的效率。

2.2 结果分析

由于太阳能集热器从太阳能获得的热量受太阳能辐射强度和外界空气温度的影响，为保证稳定的制冷效果，发生器设有辅助电加热器，如果发生器的温度达不到设定的温度，则温度传感器启动电加热器加热，当温度达到设定的温度，断开电加热器，停止加热。

通过计算得到图3～图6的结果，根据表1中所示的部分水果的冷藏保鲜温度要求，选取CO2制冷循环的蒸发温度,能够满足新疆地区生产水果的贮存冷藏保鲜的需求。

图3所示的是发生器附加电能随CO2制冷循环蒸发温度的变化，计算中太阳能辐射强度为600W/m2，喷射器的引射率为0.5，太阳能集热器的面积为50m2，可以看出，附加电能随CO2制冷循环蒸发温度的升高而明显减少，随外界空气温度的降低而有所增加，原因是蒸发温度升高，CO2单位制冷量增大，制冷压缩机的功率消耗降低，CO2冷却冷凝放出的热量减少，水蒸汽在蒸发换热器内吸收的热量减少，被引射流体质量流量减少，在喷射器的引射率不变的情况下，所需工作水蒸汽的质量流量较少，发生器需要的热量减少，附加电能减少，蒸发温度每升高1℃，附加电能减少约0.12kW。

表1 部分水果的冷藏条件[13]

图3 附加电能随CO2循环蒸发温度的变化

图4 附加电能随太阳能辐射强度的变化

图5 附加电能随外界空气温度的变化

图6 附加电能随喷射器引射率的变化

图4中所示的是附加电能随太阳能辐射强度的变化，计算中太阳能集热器的面积为53m2，喷射器的引射率为0.5，蒸发温度为-3℃，可以看出，附加电能随太阳能辐射强度的增大而明显减少，随外界空气温度的降低而有所增加。

图5的计算中太阳能辐射强度为600W/m2，喷射器的引射率为0.5，蒸发温度为-3℃，可以看出，附加电能随外界空气温度的升高明显减少，随太阳能集热器面积的减少而增加。

提升性能。光学透明粘合特性是触摸屏等电子设备对材料的要求。陶氏高性能膜用离型剂(SYL-OFFTM LTC 310 和SYL-OFFTM LTC 750A)固化温度低，可用于光学膜等高端应用。SYL-OFFTM 7795氟硅离型剂(用于有机硅压敏胶湿胶涂布)和SYL-OFFTM 7792氟硅离型剂(用于干胶复合)提供更轻的剥离力，与陶氏有机硅压敏胶具有兼容性，可完美解决超轻剥离力应用的痛点。

从图6可以看出，附加电能随喷射器引射率的增大而显著减少。在蒸发温度为-3℃，当太阳能辐射强度为600W/m2，喷射器的引射率为0.58，太阳能集热器的面积为48m2，外界空气温度为30℃时，从太阳能获得的热量能够满足发生器需要的热量，即附加电能为0kW，以此为基准，外界空气温度每增加1℃，太阳能集热器的面积减小0.5m2，太阳能辐射强度每增加10W/m2，太阳能集热器的面积减小1.2m2,喷射器的引射率每提高0.01，太阳能集热器的面积减小0.8m2。

由此得出，外界环境温度、喷射器的引射率和太阳辐射强度对太阳能热源水蒸气喷射CO2水果冷藏制冷系统的运行性能有很大的影响，在外界环境温度较高，太阳辐射强度较大的新疆地区，开发使用高引射率的喷射器，将大大减小太阳能集热器的面积，减少设备初投资，减少运行费用。

2.3 使用效果

新疆地域辽阔，盛产多种水果，水果收获旺季大都是在每年的5～10月，由国家气象局气象数据统计资料得知，新疆大部分地区5～10月的日最高气温大都在28～38℃，吐鲁番地区甚至达到48℃。新疆地区的日照时间长，太阳辐射量丰富，更适合利用太阳能资源，开发太阳能热源的水果冷藏制冷系统，以节约电力资源。

为分析新疆地区水果冷藏太阳能热源水蒸汽喷射CO2制冷系统（简称系统2）的使用效果，对表2中几个不同地区水果冷藏的运行性能进行计算，与不利用太阳能、发生器的热源全部来自电能的系统（简称系统1）的运行情况进行比较，假设电价为0.7元/kWh，设定太阳能集热器的面积为50m2，喷射器的引射率为0.55。

表2 部分地区水果冷藏的节约费用情况

通过表2的计算结果可以看出，与发生器的热源全部来自电能的系统运行情况相比，吐鲁番地区葡萄冷藏2个月节约电能和运行费用达96.2%，哈密地区哈密瓜冷藏15天节约电能和运行费用约94.4%，库尔勒地区香梨冷藏6个月节约电能和运行费用约41.1%，库车地区白杏冷藏21天节约电能和运行费用约74.2%。由于不同地区环境温度不同，水果冷藏太阳能热源水蒸汽喷射CO2制冷系统有一定的差别，但都不同程度地节约大量能源。

针对新疆不同地区的环境温度、太阳辐射强度和生产水果的特点，合理地选择冷藏温度，确定适宜的蒸发温度，优化选取太阳能集热器的面积，可以减少设备初投资，减少运行费用，节约能源保护环境。

3 结论

1)利用新疆地区丰富的太阳能资源，以自然工质水和CO2为循环工质的水果冷藏制冷系统，可为新疆不同地区生产的水果提供所需适宜的冷藏环境。

2)CO2制冷循环的蒸发温度提高，外界环境空气温度升高，太阳能辐射强度增加,喷射器的引射率提高，可使系统的耗能减小，太阳能集热器的面积减小，设备的投资减少。

3)针对新疆不同地区的环境温度、太阳辐射强度特点以及生产水果的品种所需的冷藏保鲜特点，确定适宜的CO2制冷循环的蒸发温度，优化选取太阳能集热器的面积，开发高引射率的喷射器，以减少设备初投资，节省运行费用。

[1]阿不都斯力木·阿不力克木.新疆水果出口贸易优势及评价分析[J].林业经济,2010,7:98～101.

[2]Li H,Yang H X.Study on performance of solar assisted air source heat pump systems for hot water production in Hong Kong [J].Applied Energy,2010,87(9)：2818～2825.

[3]Mohanraj M,Jayaraj S,Muraleedharan C.Performance prediction of a direct expansion solar assisted heat pump using artificial neural networks[J].Applied Energy,2009,86(9)：1442～1449.

[4]SepehrS,Behzad N.Verticalground coupled steam ejector heat pump; thermaleconomic modeling and optimization [J].InternationalJournalofrefrigeration,2011,34:1562～1576.

[5]Humberto V,Sergio C.Simulation and economic optimization of a solar assisted combined ejector-vapor compression cycle for cooling applications[J].Applied Thermal Engineering,2010,30:478～486.

[6]杨世昆，杜建强.太阳能草捆干燥设备设计与实验[J]. 农业机械学报,2011,42（4）:81～86.

[7]内敏，阿木提，毛志怀，等.整体式果品蔬菜太阳能干燥装置设计与试验 [J].农业机械学报,2011,42（1）:134～139.

[8]李海峰，李勇，代秀军，等.太阳能辅助热泵综合就仓干燥系统实验研究 [J].农业机械学报,2010,41（7）：109～113.

[9]陈洪杰，卢苇，覃文奇，等.风冷太阳能双级氨喷射制冷系统冷藏工况性能分析 [J].制冷学报，2011,32(4):34～38.

[10]Ronak D,Mohd H R,Mohamad Y S,et al.Review of solar assisted heat pump drying systemsforagriculturaland marine products[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2010,14(9)：2564～2579.

[11]宁静红,马一太等.R290/CO2自然工质低温复叠式制冷循环理论分析 [J].天津大学学报，2006,39(4):449～453.

[12]何曙，李勇，李海峰，等.太阳能喷射制冷系统性能模拟及其应用 [J].低温与超导，2008，36（6）：60～65.

[13]申江，宁静红，彭苗，等.冷藏冷冻设备与装置[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.