太阳能喷射式制冷系统热力学分析.docx

太阳能喷射式制冷系统热力学分析刘娜 ，杨 启 容 ，吴 荣 华（青岛大学 热能与动力工程系 ，山 东 青 岛 ）摘 要 ： 利 用 热 力 学 第 一 定 律 和 热 力 学 第 二 定 律 对 太 阳 能 喷 射 式 制 冷 系 统 进 行 分 析 。 研 究 太 阳 能 喷射 式 制 冷 系 统 的 喷 射 系 数 和 性 能 系 数 随 蒸 发 温 度 、冷 凝 温 度 、发 生 温 度 等 工 作 参 数 的 变 化 趋 势 ，分 析 工 作 参 数 的 变 化 对 系 统 中 各 个 部 分 熵 产 的 影 响 ，进 而 确 定 系 统 性 能 最 优 时 的 工 作 参 数 。 结 果 表 明 ，系 统 的 制 冷 性 能 系 数 随 着 蒸 发 温 度 的 升 高 而 增 大 ，总 熵 产 随 着 蒸 发 温 度 的 升 高 而 减 小 ，所 以 适 当 提 高 蒸 发 温 度 和 冷 凝 温 度 对 提 高 系 统 的 整 体 性 能 有 利 。 在 研 究 工 况 下 ，蒸 发 温 度 和 冷 凝 温 度 一 定 时 ，存 在 一 个 使 系 统 的 总 熵 产 最 小 的 发 生 温 度 。关 键 词 ：喷 射 式 制 冷 ；太 阳 能 ；能 量 守 恒 ；熵 产 ；性 能 分 析中 图 分 类 号 ：文 献 标 志 码 ： ， ， （，）： ， ， ， ， ， ；， ：；随着 能源和环境问题的 日趋严 重，太 阳 能 的利 用 受 到 了 越 来 越 多 的 关 注 。 无 污 染 、可 再 生 的 太 阳 能 在 喷 射 式 制 冷 中 的 应 用 得 到 重 视。等 人 通 过 实 验 研 究 了 太 阳 能蒸 汽 喷 射 式 制 冷 系 统 的 性 能，结 果 表 明 ，系 统 的制 冷 性 能 系 数 （，简 称）随着冷凝器温度 的 降 低而 增大 ，而 冷 凝 器 的 温 度 是由冷却介质的温度和太阳 能 喷 射制 冷系 统的操 作 条 件 控 制 的 。张博等人提出了用气 液 喷 射 器 代 替 机 械 泵 ，有 收 稿 日 期 ：作 者 简 介 ：刘 娜（），女 ，河 南 周 口 人 ，硕 士 ，从事太阳能喷射式制冷系统喷射器性能的研究 。 石 油 化工 设 备年 第 卷效 回 收 低 品 位 余 热 能 源 的 新 型 双喷射式制冷系 统，他 们 分 析 了 双 喷 射 式 制 冷 系 统 的 制 冷 性 能 系 数 与 发 生 器 温 度 、冷 凝 器 温 度 的 关 系 ，模 拟 了 不 同 余 热 温 度 条 件 下 双 喷射式制冷 系统的运行性能 ，结 果表 明 ，制 冷 剂 的 制 冷 性 能 优 于 ，系 统 的 制 冷 性 能 系 数 可 达 。季一新等人 利 用熵分析 法 对太阳能喷射式制冷 循 环 进 行 分 析 ，研 究发生温度和蒸 发温度等系统参 数 对 循 环 的 影 响 ，并分析了工况的 变化对循环性能 的 影 响。虽然很多研 究 者对太阳 能 喷射式制冷系统进行 了 研 究 分 析 ，但 多 数学者都是从热 力学第一定律的 角 度 对 太 阳 能 喷 射 式 制 冷 系 统 进 行 性 能 分 析 。 此 外 ，太 阳 能 喷 射 式 制冷系统的性能 系数偏低限制了 它 的 进 一 步 发 展 。为 此 ，笔 者 同 时 结 合 热 力 学 第 一 定 律 和 第 二 定 律 对 太 阳 能 喷 射 式 制 冷 系 统 进 行 分 析 ，研 究 各 个 工 作 参 数 对 系 统 性 能 的 影 响 ，以确定 系统性能最佳时 的 工 作 参 数 ，为 太 阳能喷射式制冷 系统的设计提供 理 论 参 考 。太 阳 能 集 热 器 中 热水温度的影响 ，发生器中的发生 温 度 不 会 太 高 。笔者研究的太阳能喷射式 制 冷 系统 的制 冷剂分 别为 、，设 定 的 工 况 ：发 生 器 中 的 发 生 温 度 为，蒸 发 器 中 的 蒸 发 温 度为 ，冷 凝 器 中 的 冷 凝 温 度 为 ， 发 生 器 中 的 发 生 压 力 、蒸 发器中的蒸发压力和冷凝 器 中的冷凝压力分别为各种制 冷 剂 在对 应温 度下的 饱 和 压 力 ，集 热 器 辐 照 强 度 取 ，集 热 器 吸 热 面 积 为 。太阳能喷射式制冷系统能量守恒分析 根据太阳能喷射式制冷 系 统 中 制冷 剂在 各个部 件 中 的 状 态 变 化 ，绘制太阳能喷射式制冷系统的压 焓 图 和 焓 熵 图 ，分 别 见 图 和 图 。太阳能喷射式制冷系统 太 阳 能 喷 射 式 制 冷 系 统 的 示 意 图 见 图 。 该 系统 图 包 括 个 子 循 环 ， 个是制冷剂的制冷循环 ，个 是 为 制 冷 循 环 提 供 能 量 的 水 循 环 。制 冷 剂 的 过 热 蒸 汽 在 冷 凝 器 中 冷 凝 为 过 冷 液 体 ，一部分被引向节 流 阀 节 流 减 压 ，在 蒸 发 器 中 蒸 发 制 冷 ，而 另 一 部 分 经 循 环 泵 进 入 发 生 器 ，与经太阳能集 热器加热之后的 热 水 进 行 热 量 交 换 ，变 成 高 温 、高压的蒸汽进入喷射 器 ，经过喷 嘴的加速降压 引射来自蒸发器的低温 、低 压 的 制 冷 剂 蒸 汽 ，两 股 流 体 经 过 混 合 、扩 压 形 成 中 间 压 力 的 蒸 汽 进 入 冷 凝 器 。 在 发 生 器 中 ，由 于 热 量 交 换 而 变 成 低 温 的 热 水 进 入 太 阳 能 集 热 器 ，在 能 量 子 系 统 中 循 环 。图 喷射式制冷压焓图 图 喷射式制冷焓熵图 根 据 图 、图 和 文 献 ，中 对 制 冷 系 统 的 阐述 ，可计算得到各个部件 的 负荷 ，其 计 算 公 式 如 下 。蒸发器中冷冻水获得的 冷 量 按 下 式 计 算 ：（）冷凝器中空气带走的热量 按 下 式 计 算 ：（）（）图 太阳能喷射式制冷系统原理示图 （）在 太 阳 能 喷 射 式 制 冷 系 统 中 ，蒸发器和发生器 采 用 的 是 水 和 制 冷 剂 换 热 ，冷凝器采用空冷 。 由 于发生器中热水带走的负荷 按 下 式 计 算 ：（）（）第 期刘 娜 ，等 ：太阳能喷射式制冷系统热力学分析 升 压 泵 消 耗 的 功 率 按 下 式 计 算 ：（）引 射 器 的 喷 射 系 数 按 下 式 计 算 ：（）（）式（） 式 （）中 ，、 分 别 为 制 冷剂 在 不 同 状 态 下 的 焓 值 ，；、和 分 别为 蒸 发 器 、冷凝器以及发 生器中制冷剂的质量流量 ，。喷 射 器 在 最 佳 工 况 下 的 喷 射 系 数，：图 不同制冷剂的喷射系数随发生温度的变化 （ ）（）其 中式 中 ，、 和 分 别 为 蒸 发 压 力 、冷 凝 压 力 和 发生 压 力 ，。系 统 的 制 冷 性 能 系 数 按 下 式 计 算 ：（）图 不同制冷剂下系统性能系数随蒸发温度的变化 （）（）（）通过 调 用 可 以 获 得 制 冷 剂在 各 个 状 态 下 的 物 性 ，并 运 用 软 件 编 写 程 序 ，得 出 不 同 制 冷剂在不同工况 下的制冷性能系 数 和 喷 射 系 数 并 绘 制 曲 线 图 ，见 图 图 。图 图 分 别 为 不 同 制 冷 剂 的 喷 射 系 数 随 蒸 发 温 度 、冷 凝温度和发生 温度的变化曲线 。分 析 图 图 可 知 ，喷射 系 数随着蒸发温度 和 发 生 温 度 的 升 高 而 增 大 ，随着冷 凝温度的升高而 减 小 。图 不同制冷剂下系统性能系数随冷凝温度的变化 图 不同制冷剂下系统性能系数随发生温度的变化 根 据 图 图 还 可发现如下规律 ：（）喷 射 系 数 随着蒸发温度的变化发生的变化 率 较随着发生温度的变化所产 生 的 变化 率大 。（）在 其 它 个 工 作 温 度 不 变 ，蒸 发 温 度 改 变 时 ，制 冷 剂 的喷 射 系数 比其它制冷剂的大 。（）在 其 它 个 工 作 温 度 不 变 ，发 生 温 度 或 冷 凝 温 度 改 变 时 ，制 冷 剂 的 喷 射 系 数 比 其 它 制 冷 剂 的 大 ，而 且 制 冷 剂 的 喷 射 系 数 和 制 冷 剂 的 很 接 近 。所 以 ，在 进 行 喷 射 式 制 冷 的 实 验 时 ，应 该 根 据 实验 条件选择不同的制冷剂 ，以 改 善 系 统 的 性 能 。图 不同制冷剂的喷射系数随蒸发温度的变化 图 不同制冷剂的喷射系数随冷凝温度的变化 石 油 化工设 备年 第 卷此 外 ，根 据 龙 新 平 、程茜 等 人对喷射器结构的模 拟 结 论，在 一 定 的 工 况 下 ，改 善喷射器的结构也 利 于 提 高 喷 射 器 的 喷 射 系 数 ，提高系统的整体性能 。图 图 分 别 为 不 同 制 冷 剂 下 的 系 统 性 能 系 数 随 蒸 发 温 度 、冷凝 温度和 发生温度的变化曲 线 。 由 图 图 可 知 ，喷射式制 冷系统的性能系数 随 着 蒸 发 温 度 和 发 生 温 度 的 升 高 而 增 大 ，随 着 冷 凝 温 度 的 升 高 而 减 小 。性能系数 随 着蒸发温度和冷凝温 度 变 化 的 变 化 率 比随着 发生温度 变化的变化率大 ，所以 在实验时应 该 更关注蒸 发 温度和冷凝温度的变 化 对 系 统 性 能 的 影 响 。 在 相 同 的 操 作 条 件 下 ， 的 性 能 系 数 最 大 ，的性能系数最小 。发 生 器 ： （），（）喷 射 器 ：节 流 阀 ：（）循 环 泵 ：（）集 热 器 ：（）（）（） （）（） ， 其 中，（）（）太阳能喷射式制冷系统熵分析 式（） 式 （）中 ， 为 冷 水 的 质 量 流 量 ，为空 气 质 量 流 量 ， 为集热器中热水质量 流 量 ，； 为 进 口 水 或 者 空 气 温 度 ， 为 出 口 水 或者 空 气 温 度 ，为集热器热水进口温度 ，为 集热 器热水出口温度 ， 为室外平均温度 ，为 集 热器 的 平 均 温 度 ，； 为 气 体 常 数 ，（）；为 进 口 水 或 者 空 气 压 力 ， 为 出 口 水 或 者 空 气 压力 ，； 为 集 热 器 散 失 的 热 量 ，为 集 热 器 吸收 的 热 量 ，； 为 集 热 器 接 收 的 太 阳 辐 照 强 度 ，由 系 统 的 能 量 守 恒 分 析 看 不 出 能 量 品 质 的 变化 ，所 以 不 能 单 从 制冷性能系数这 个指标来确定系 统 性 能 的 好 坏 。所 以笔者从 热 力学第二定律的角度 来 分 析 系 统 中 各 个 部 件 的 熵 变 化，以 便 了 解 能 量 在 质 量 上 的 变 化 。以期通过 热 力学第一定律和第二 定 律 相 结 合 对 系 统 进 行 分 析 ，能更 全面地反映系统 的 性 能 。不 可 逆 过 程 中 开 口 系 控 制 体 积 的 熵 方 程： （）；为集热器采光面积 ，； 为 水 的 比 定 压（ ）（）热 容 ，（）； 为 透 光 率 ， 为 吸 收 率 。系统总熵产按下式计算 ： （）（ ）（）（）式中 ， 为 系 统 和 外 界 交 换 的 热 量 ，； 为 热 源 温 度 ，； 为制冷剂的质量熵或 比 熵 ，（）； 为 制 冷 剂 的 质 量 流 量 ，； 为 系 统 的 熵 产 ， ； 为 微 小 元 。下 标 ：表 示 第 个 ， 表 示 第 个 ，表 示 控 制 体 积 ， 表 示 流 入 ，表 示 流 出 。根 据 式（），把 系统中各 个 部件的流动看成稳定 流 动 ，并 且 忽 略 各 个 部 件 向 环 境 的 散 热 ，得 到 熵 产 计算 公 式 如 下 ：通 过 调 用 软 件 得 到 不同 状 态 的 制 冷 剂 的 物 性 ，并 运 用 软 件 编 写 程 序 ，最 后 获 得 各个部件在不同工作条件下的熵 产 并 绘 制 曲 线 图 ，见 图 图 。鉴 于 工 况 条 件 较 多 和 文 章 篇 幅 所 限 ，这 里 只 把 工 况 为 发 生 温 度 、蒸 发 温 度 、冷 凝 温 度 下 的 各 个部件的熵产分布列于表 。表 太阳能喷射式制冷系统中各部件熵产分布 （）根 据 式（）求 得 各 个 部 件 的 熵 产 。蒸 发 器 ：（），（）冷 凝 器 ：（）（）部 件 名 称（）由 表 可 知 ，集热器 的 熵产 占总熵产比例最 大 ，为 ，其 次 是 喷 射 器 ，然后是发生器和 冷 凝 器 ，它 们 的 熵产之和占总量的 ，所 以 主 要（ ）（ ）， 熵 产 占 总 熵 产 部 件 名 称 的 比 例熵 产 占 总 熵 产 的 比 例集 热 器 喷 射 器 发 生 器 节 流 阀 蒸 发 器 冷 凝 器 循 环 泵 总 熵 产 第 期刘 娜 ，等 ：太阳能喷射式制冷系统热力学分析 对 这 几 个 部 件 的 熵 产 进 行 分 析 。经 过 计 算 发 现 ，冷 凝 器 的 熵 产 比 例 随 工 况 的 变 化曲 线和发生器 的 熵产比例 随 工况的变化曲线十分 接 近 ，所 以 只 比 较 集 热 器 、喷 射 器和发生器的熵产变 化 曲 线 图 。 集 热 器 、喷 射 器 、发 生器熵产随发生温度 的 变 化 曲 线 见 图 ，集 热 器 、喷 射 器 、发 生 器 熵 产 比 例 随 发 生 温 度 的 变 化 曲 线 见 图 ，集 热 器 、喷 射 器、 发生器熵产随蒸发 温 度 的 变 化 曲 线 见 图 ，集 热 器、 喷射器、发生器熵产随冷凝温度的变化曲线见图。生 温 度 的 升 高 而 减 小 ，发 生器的熵产随发生温度的 变 化 波 动 很 小 。由 图 和 图 可 以 得 出 ，太 阳 能 集 热 器 的 熵 产 随 蒸 发 温 度 的 升 高 而 增 大 ，喷射器的熵产随蒸发 温 度 的 升 高 而 减 小 ，二者随冷凝温度的变化则刚好 相 反 。 发生器的熵产随着冷凝 温 度 和蒸 发温 度的变 化 波 动 较 小 。工 作 条 件 对 总 熵 产 亦 有 影 响 ，不同冷冻水温差 下 系统总熵产随蒸发温度 的 变 化 见 图 ，不 同 发 生 温 度 下 系 统 总 熵 产 随 蒸 发 温 度 的 变 化 见 图，系 统 总 熵产随冷凝温度的变化 见 图 ，系统总熵产随发 生 温度的变化见图 。图 集 热 器 、喷 射 器 、发生器熵产随发生温度的变化 图 不同冷冻水温差下总熵产随蒸发温度的变化 图 不同发生温度下总熵产随蒸发温度的变化 图 集 热 器 、喷 射 器 、发生器熵产比例随发生温度的变化 图 系统总熵产随冷凝温度的变化 图 集 热 器 、喷 射 器 、发生器熵产随蒸发温度的变化 图 系统总熵产随发生温度的变化 由 图 图 可 知 ，在 其 它 条 件 不 变 时 ，系 统总 熵产随蒸发温度升高而降低 ，冷 冻 水 温 差 越 小 ，总熵 产 越 大 。 系 统 总 熵 产 随 着 冷 凝 温 度 的 升 高 而 增 大 ，随 发 生 温 度 的 升 高 先 减 小 后 增 大 。 根 据 热 力 学第 一 定 律 分 析 的 结 论 ，系 统的制冷性能系数随着发 生 温 度 和 蒸 发 温 度的升高而增大 ，随着冷凝温度的 图 集 热 器 、喷 射 器 、发生器熵产随冷凝温度的变化 由 图 和 图 可 以 看 出 ，太 阳 能 集 热 器 中 的熵 产 随 发 生 温 度 的 升 高 而 增 大 ，喷 射器的熵产随发 石 油 化工 设 备年 第 卷升 高 而 减 小 ，所 以 在工程应用时蒸 发温度和冷凝温 度 稍 高 一 点 时 对 提 高 系 统 性 能 有 利 。而 发 生 温 度 高 时 ，虽 然 制 冷 性 能 系 数 增 大 了 ，但是系统的总熵产同 样 增 大 ，系 统 的 做 功 能 力 损 失 亦 增 大 ，所 以 当 其 他 工作 条 件 一 定 时 ，存 在一个合适的发 生温度使系统总 熵 产 最 小 而 系 统 的 性 能 系 数 又 不 会 太 低 。 ，（）：）季 一 新 ，陶 乐 仁 ，王 金 锋 太 阳 能 喷 射 式制冷循环的热 力 学 熵 分 析制 冷 技 术 ，（）：（， ， ，（）：）刘 桂 玉 ，刘 志 刚 ，阴 建 民 ，等 工 程 热 力 学 北 京 ：高 等 教 育 出 版 社 ，（ ，：，）严 家 琭 ，王 永 青 工 程 热 力 学北 京 ：中 国 电 力 出 版 社 ，（