太阳能两级喷射式制冷系统的分析

太阳能两级喷射式制冷系统的分析

0太阳能系统优化方法太阳能冷系统结构简单，运营稳定，投资少。许多学者对太阳能喷射制冷做了大量研究,但大多数文献资料研究只停留在热力学第一定律上,研究主要集中在利用太阳能驱动时,系统整体性能如何变化、如何提高系统的性能系数以及对喷射器性能的分析和模拟。本文在以往单级喷射器的基础上提出了一种新型的喷射制冷循环系统——太阳能两级喷射式制冷系统,为了了解系统各部件的内部不可逆损失,优化系统性能,推导出制冷系统中各部件损失的计算式,分析影响系统损失的主要部件和原因,探讨发生温度、蒸发温度对制冷子系统损失的影响。1太阳能平板集热器集热器集热器集热器集热器集热器集热器集热器集热点低,单位面积该系统最大的特点是采用两级串联喷射的形式代替单级喷射器,以避免后者所带来喷射系数较小的不利影响,其优点不仅能大幅度提高系统的性能系数,提供较高的临界被压,还可以使用集热温度较低的太阳能平板集热器。由于平板集热器价格低廉,因而整个系统经济性较好。其次,该系统真正意义上实现了两级串联,即高压喷射器的引射流体恰好是低压喷射器的混合流体,而并没有从级与级之间抽走一部分制冷工质。1.1蒸气喷射式制冷系统的工作原理太阳能两级喷射式制冷系统如图1所示,它由太阳能集热—蓄热子系统、两级喷射制冷子系统构成。系统工作过程如下,太阳能由太阳能集热—蓄热子系统收集并储存在蓄热器中,利用蓄热器中的能量加热从冷凝器出来的制冷工质,产生高温高压的制冷剂蒸气,高温高压的制冷剂蒸气一部分进入低压喷射器、另一部分进入高压喷射器,进入低压喷射器的高压蒸气(工作流体)抽吸从蒸发器出来的低压蒸气(引射流体)并升压。从低压喷射器出来的制冷剂蒸气(混合流体)作为高压喷射器的引射流体与另一部分流经高压喷射器的工作流体混合升压后进入冷凝器。在冷凝器中降温成饱和液体,而后,制冷剂液体分成两支,一支经节流降压后进入蒸发器蒸发吸热制冷,另一支经制冷剂泵加压后进入蓄热器吸热形成高压蒸气,最后进入喷射器完成循环。该系统有以下特点:结构简单,初期投入小;系统稳定性好,无运动部件,维护方便;可以有效利用低品位的太阳能,运行费用低。蒸气喷射式制冷系统的工作过程也可以表示在温熵图上,如图2所示。6→7和6→11是工作蒸气在喷嘴中的膨胀过程,7→8、1→8、11→10和9→11是低压喷射器和高压喷射器两部分蒸气的混合过程,8→9和10→3是在扩压管中的升压过程,3→12→4是在冷凝器中的冷却冷凝过程。此后制冷剂液体分成两部分,一部分经节流阀降温降压进入蒸发器中制冷,在图上用4→2→1表示,另一部分经制冷剂泵加压后进蓄热器吸热形成工作蒸气,用4→5→13→6表示。1.2模型的建立—太阳能两级喷射制冷分析的数学模型对于流动的工质而言,是指从某一状态出发,经过一系列可逆过程达到与环境状态平衡时,工质所能做出的最大可用功称为该工质的。如果取环境温度T0为基准温度,则单位质量的工质可以表示为:ex=(h-h0)-T0(s-s0)(1)式中:ex为单位质量的工质,kJ/kg;h为单位质量的工质焓,kJ/kg;s为单位质量的工质熵,kJ/(kg·K);T0为环境温度,K;s0为环境的熵值,kJ/(kg·K)。热量则是指热量的最大可用能,即可逆过程的情况下热量能转化成有用功的部分称为热量。可表示为:ex,Q=q(1−T0Tc)ex,Q=q(1-Τ0Τc)(2)式中:ex,Q为单位质量的热量,kJ/kg;q为单位质量的热量,kJ;Tc为热源温度,K。对任意系统建立控制体平衡方程,则可以得到该系统的损失的计算式:Ex,d=∑minein−∑mouteout−W+∑Q(1−T0Tc)Ex,d=∑minein-∑mouteout-W+∑Q(1-Τ0Τc)(3)式中:Ex,d为损失,kJ;min为流入系统的质量,kg;ein为流入系统的质量值,kJ/kg;mout为流出系统的质量,kg;eout为流出系统的质量值,kJ/kg;W为控制体所做出的功,kJ。1.2.1集热器入口工质设计集热子系统主要由太阳能集热器、蓄热器和循环泵组成。集热器的输入包括太阳能辐射和太阳能集热器的入口工质;输出包括集热器出口工质。根据公式(3)和图1的标号可得集热器的损失为:Ex,sc=msce8−msce7+Qsr(1−T0Tc)Ex,sc=msce8-msce7+Qsr(1-Τ0Τc)(4)式中:Ex,sc为集热器的损失,kJ;msc为集热器的流量,kg;e8为流入集热器的质量值,kJ/kg;e7为流出集热器的质量值,kJ/kg;Qsr为太阳能辐射的热量,kJ。进口温度、压力一定时,集热器的入口工质可由公式(1)计算。根据集热器的热平衡,可以得到集热器工质的出口焓的计算式:h7=h3+Qumsch7=h3+Qumsc(5)Qu=AscFR[G(τα)-UL(T3-Ta)](6)式中:Qu为集热器输出的有用能,kJ;Asc为集热器的表面积,m2;FR为因子;G为太阳能辐照度,W/m2;τ为集热器盖板透过率;a为集热器吸收太阳辐射的吸收率;UL为集热器的热损失系数。蓄热器的输入包括集热子系统侧蓄热工质的入口工质、喷射制冷子系统侧制冷剂的入口;输出包括集热子系统侧蓄热工质的出口和喷射制冷子系统侧制冷剂的出口。根据公式(3)和图1的标号可得集热器的损失为:Ex,g=msce7-msce9+mge5-mge6(7)再根据公式(1)及忽略蓄热器的热损失时,将公式(7)变化得:Ex,g=-T0[m1s6+mes1-(m1+me)s10](8)依照此方式,循环泵的损失为:Ex,p=msc[(h9-h8)-T0(s9-s8)]+Wp(9)式中:Wp为循环泵消耗的功,kJ。1.2.2级喷射器的损失喷射制冷子系统主要由一级喷射器、二级喷射器、冷凝器、蒸发器、制冷剂泵、节流阀组成。各装置的损失计算公式推导过程相同,其结果表示如下。一级喷射器的损失为:Ex,g=-T0[m1s6+mes1-(m1+me)s10](10)式中:m1为流经一级喷射器的质量流量,kg/s;me为引射流体的质量流量,kg/s。二级喷射器的损失为:Ex,g=-T0[m2s6+(m1+me)s10-mcs3](11)式中:m2为流经二级喷射器的质量流量,kg/s;mc为引射流体的质量流量,kg/s。冷凝器的损失为:Ex,con=T0[−mc(s3−s4)+QconT0]Ex,con=Τ0[-mc(s3-s4)+QconΤ0](12)式中:Qcon为冷凝器的换热量,kJ。蒸发器的损失为:Ex,eva=T0[−me(s2−s1)+QevaTroom]Ex,eva=Τ0[-me(s2-s1)+QevaΤroom](13)制冷剂泵的损失为:Ex,pr=mg[(h4-h5)-T0(s4-s5)]+Wpr(14)式中:mg为工作流体的质量流量,kg/s。节流阀的损失为:Ex,exp=-meT0(s4-s2)(15)2计算与分析2.1喷射式制冷系统损失集热子系统以水为工质,喷射制冷子系统以R134a为工质,忽略管道散热的损失和流体的流动阻力。设定蓄热器、冷凝器、蒸发器的温度分别为80、30、5℃,环境温度为25℃,系统制冷量为3kW,假定太阳辐射值为800W/m2。则在此工况下对太阳能两级喷射式制冷系统损失进行计算,计算结果见表1。从表1中可以看出,集热器损失最大,占系统总损失的47.67%;其次为冷凝器,占系统总损失的21.15%;再次为喷射器,而喷射器分为高压喷射器和低压喷射器,分别占系统损失7.35%和4.94%,两者的总和占系统占系统损失的12.29%;其余依次为蓄热器、蒸发器、节流阀、循环泵、制冷剂泵。集热器、冷凝器和喷射器三者总共占系统损失的81.11%,其余装置的损失相对较小。集热器的损失最大,主要是太阳辐射能转化为热能的不可逆性和吸热板与流体之间较大的传热温差所致。冷凝器的损失较大是因为向环境排放了大量的仍具有一定的热量,而这些热量却没有被利用。喷射器的损失则是由于流体混合时存在碰撞损失。其他装置的损失在可接受的范围内,因此,要提高整个系统的效率,应该将重点放在集热器、冷凝器和喷射器的优化设计上。2.2发生温度对喷射器损失的影响在太阳能两级喷射式制冷系统中,发生温度的选择十分重要,这是因为蓄热器是提供两级喷射制冷子循环能量的唯一装置,将直接影响到制冷子循环的效率。从图3可以看到,发生温度从70℃变化到90℃的过程中,低压喷射器的损失先减小后增大,高压喷射器的损失一直在减小,这是由于在低于80℃时,发生温度的降低会造成发生压力的降低,从而使工作流体流量增大,造成喷射器中损失上升,而高于80℃时,低压喷射器喷射系数急剧降低,造成工作流体流量相对增大,于是引起较大的,这种情况对低压喷射器的影响远远大于对高压喷射器的影响,所以低压喷射器的损失会再一次上升,而且上升的速度远大于高压喷射器损失的下降速度,则就出现了喷射器总损失的先降后升的情况。所以选择好发生温度必然可使两个喷射器的损失达到最小。从图4和图5可以看到,随着发生温度的提高,冷凝器和蓄热器的损失都在降低,这是因为发生温度的提高使得制冷循环的性能系数提高,从而使冷凝器负荷降低;蓄热器的损失随发生温度的升高而降低的原因是制冷子循环需要的加热量减小,并且效率也上升。因此,在蒸发温度、冷凝温度一定时,肯定存在一个最佳的发生温度可使得系统的损失达到最小。2.3蒸发温度的影响从图6—图8可以看出,随着蒸发温度的升高,制冷子系统各个部件的损失几乎呈线性下降趋势,这是由于随着蒸发温度的升高,制冷子循环的性能提高,进入低压喷射器和高压喷射器的工作流体流量相对减少,随之冷凝负荷、发生器所提供的能量也相应减小,这就使得各部件的损失都在减小。3