145 蓄冷型太阳能喷射-压缩复合制冷系统性能分析

蓄冷型太阳能喷射-压缩复合制冷系统性能分析 中原工学院 范晓伟，张利贺，郑慧凡 摘要:建立了蓄冷型太阳能喷射-压缩复合制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-5 -15,冷凝温度分别为 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 随中间冷却器的温度先升高 后降低，并且在一定的温度范围内系统的 EER 可以达到的最高 值为 5.2。 关键词:蓄冷 喷射制冷 EER Thermodynamic analysis of a combined solar ejection-compression refrigeration system Fan Xiao-wei, Zhang Li-he, Zheng Hui-fan （Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou, 450007, China) Abstract: The thermodynamics model is established to analysis the solar ejection -compression refrigeration system which used HFC134a as working fluid. It was found that the EER of solar ejection- compressor refrigeration system is superior to the pure ejector refrigeration system or compressor refrigeration system. when evaporation temperature is at -5-15 and condensation temperature is at 35 and 40 respectively, the EER of the solar ejector-compressor refrigeration system increases first and then decreases with intermediate cooling temperature, the EER of the system could get to the maximum value 5.2. Keywords: accumulation of cold; ejector refrigeration; EER 0 引言 太阳能、风能和生物质能等清洁能源越来越 受到大家的重视，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。Jorge 与 Hernandez1 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， T.Sankarlal、A.Mani 23 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，田琦 4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。 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任何问 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，以弥补天气条件不好或夜间供冷 要求。 1 系统组成及工作原理 图 1 为蓄冷型太阳能喷射-压缩制冷系统原 理图，如图所示蓄冷型太阳能喷射-压缩复合制 冷系统主要由太阳能集热系统、喷射系统和电压 缩系统构成，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两个支路，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 ah 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。 c a b d f e h g i j k 图 1 蓄冷型喷射-压缩制冷系统原理图 a：集热器 b：发生器 c：水泵 d：喷射器 e：冷凝器 f：工质泵 g：中间冷却器 h：喷射制冷节流阀 i：电压缩节流阀 j：压缩机 k：蓄冷槽 gTinte10243576p89hk 图 2 喷射-压缩制冷系统压焓图 2 热力学分析及计算模型建立 为了对太阳能喷射-压缩制冷系统进行热力 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 ， ， ， 分别表示发生温度、冷凝温gTkinteT 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： 蓄冷槽单位制冷剂的出冷量为： (1),97ceqh 其中： 为单位制冷剂的出冷量（kJ/kg）, 为蓄冷槽出口处焓值（kJ/kg）9 为中间冷却器冷凝侧出口处焓值（kJ/kg）7h 压缩机单位制冷剂做功： (2)109cqh 其中： 为压缩机单位制冷剂做功（kJ/kg） 为压缩机出口处的焓值（kJ/kg）10 电压缩侧制冷剂流量为： (3),/ccemQq 其中： 为系统的制冷量（kW） 中间冷却器冷凝侧的放热量： (4),int107()cch 为中间冷却器冷凝侧的放热量（kW）,itQ 由热力平衡可知： (5),int,itceQ 为中间冷却器蒸发侧的吸热量（kW）,inte 则引射质量流量为： (6),int,it,int,it/yecemq 其中： 为引射流体质量流量（kg/s） 由传热温差 结合焓差计算得到。,inteqintT 由喷射系数的定义可知工作流体的质量流量为： (7)/gym 其中： 为工作流体质量流量（kg/s） 为喷射系数 由文献5知，最优工况下的喷射系数计算公式 可表示如下： (8) 1.2, ,int.3.21ekekgpp 工质泵做功为： (9),()/()ebegkgwPm 其中： 为工质泵的功率（kW ）, 为发生压力(kPa),eg 为冷凝压力(kPa),kP 为工质泵的效率，选取 0.7 为制冷剂密度(kg/m 3) 工况的传热温差 、过冷度 及过热度intTk 均为 5。eT 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： (10),fccebQERqmw 为压缩机的电效率，选取 0.5c 同样，单独电压缩系统的能效比为： (11)ccQERqm 单独喷射系统的能效比为： (12),ebQERw 其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 ，再,ebw 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 、中间冷却eT 温度 和冷凝温度 ，输出参数为系统的能效intTk 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，得到的数据绘制图表如下。 2 3 4 5 -15 -12 -9 -6Te EER 复合1 复合2 电压缩 单独喷射 图 3 EER 随蒸发温度变化（ =35）kT 1 2 3 4 5 -15 -12 -9 -6 Te EER 复合1 复合2 电压缩 单独喷射 图 4 EER 随蒸发温度变化（ =40）kT 图 3、图 4 是三种系统在冷凝温度为 35和 40，蒸发温度在-15-5时 EER 随蒸发温 度变化趋势图，其中复合 1、复合 2 分别表示中 间温度为 5、10的工况。可以看出，在中间 温度为 5和 10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， 冷凝温度为 40时则比电压缩系统低。从图上还 可以看出复合系统的性能曲线较单独喷射系统的 曲线平缓。 2.5 4 5.5 1 6 11 16 Tint EER 蒸 发 温 度 ： -5 蒸 发 温 度 ： -10 蒸 发 温 度 ： -15 图 5 EER 随中间温度变化（ =35）k 2.5 3.5 4.5 1 6 11 16 Tint EER 蒸 发 温 度 ： -5 蒸 发 温 度 ： -10 蒸 发 温 度 ： -15 图 6 EER 随中间温度变化（ =40）k 由图 5、图 6 是复合系统在冷凝温度为 35 和 40，蒸发温度分别为-15 、-10 和-5， 中间温度为 120时 EER 的变化趋势图。可 以看出：复合系统的 EER 随中间冷却温度的升 高呈先上升后下降的趋势，但最高点的出现区域 略有不同，其范围基本在 5到 10之间。并且 在冷凝温度为 40工况下 EER 的曲线比 35工 况下要平缓。 4 结论 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 三个系统能效比的影响，可以得出以下结论： 在冷凝温度为 35和 40的工况下，蓄冷 型太阳能喷射-压缩复合制冷系统的 EER 高于单 独喷射系统和单独电压缩系统。 太阳能喷射-压缩复合制冷系统的 EER 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，当冷凝温度为 35 和 40时，最优中间冷却温度工作区在 510范围，在该工作区内系统的 EER 能够 达到最高，而在工作区外则均会下降。 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。 参考文献： 1 Jorge I., Hernandez, Ruben J., Dorantes. The behaviour of a hybrid compressor and ejector refrigeration system with refrigerants 134a and 142bJ. Applied Thermal Engineering, 2004. 24: 17651783. 2 A. Selvaraju, A. Mani. Experimental investigation on R134a vapourejector refrigeration systemJ. International Journal of Refrigeration, 2006. 29: 1160-1166. 3 T. Sankarlal, A.Mani. Experimental investigations on ejector refrigeration system with ammoniaJ. Renewable Energy, 2007. 32:14031413. 4 田琦