太阳能喷射式制冷系统性能分析.pdf

文章编号：!#$!%&（!）!$!$#!#太阳能喷射式制冷系统性能分析!张博，沈胜强，阿布里提 阿不都拉#（$大连理工大学动力系，大连%&#；#$日本弘前大学理工学部）摘要：叙述了太阳能增压喷射式制冷的原理和系统工作过程。探讨了太阳能喷射式制冷系统研究的进展状况。通过计算研究了多种制冷剂对喷射器工作性能和系统制冷系数的影响。应用数学模拟的方法，分析了太阳能增压喷射式制冷系统在实际日照条件下的工作性能。结果表明，这种系统能够利用太阳能提供实际需要的制冷量。关键词：喷射式制冷；喷射器；太阳能中图分类号：()*+,文献标识码：-!引言太阳能是清洁而且用之不尽的能源，是#世纪人们解决能源可持续发展的重要出路之一。因此，进一步开发利用太阳能，有着广阔的前景，利用太阳能来进行制冷，可以有效降低由于使用常规制冷设备而带来的巨额能源消耗，并减轻由于燃烧化石能源发电所带来的环境污染。在各种太阳能制冷方式中，针对吸收式制冷系统的研究较多，但是，其设计和运行维护相当复杂。并且，经过一段时间的运行后，其工质的化学稳定性下降、系统难以保持高真空等问题将导致其系统的效率下降。同时，吸收式制冷的初期投资较大，也是它进一步发展的障碍。因此，研究其它形式的太阳能制冷方式非常必要。太阳能喷射式制冷是一种有希望的制冷方式。由于它的结构简单、运行稳定等优点，因而随着太阳能的利用开发、制冷技术的发展，喷射式制冷日益受到了人们的重视。喷射式制冷循环工作原理图 为增压喷射式制冷系统示意图。在换热器#中，制冷剂吸热气化、增压，产生饱和蒸汽。蒸汽进入喷射器，经喷嘴高速喷出膨胀，在喷嘴附近产生真空，从而将蒸发器.中的低压闪蒸蒸汽经过回热器/、增压器&吸入喷射器（使用回热器/和增压器&可以提高喷射器以及系统工作效率，选择部件）。这两股气体在喷射器中混合、升压。喷射器 出来的混合气体进入冷凝器*，进行放热、凝结。然后，冷凝液分为两股，一股经过回热器/、通过节流阀 0 降压后进入蒸发器.，在那里吸热、气化，完成制冷负荷；另一股则通过循环泵%升压后，再进入换热器#中。图 太阳能制冷系统示意图1234(56 78569:;28=;56 7:?668;?6=?236?:;2A 7B7;69因此，喷射循环可以认为由两个子回路构成。一个是能量子回路，是流经换热器#、在换热器#和冷凝器*间循环的部分，为正向卡诺循环，为压缩提供动力。另一个是制冷子回路，是制冷剂流经蒸发器.、工作在蒸发器.和冷凝器*间的部分，为逆向卡诺循环，完成制冷负荷。在喷射式制冷系统中，循环泵是唯一的运动部件，从而系统有很高的可靠性。!收稿日期：#&C&*C 0基金项目：教育部科学技术重点项目（.&#）；高等学校骨干教师资助计划资助课题第#卷第 期#&年&月太阳能学报-D(-EFEGHI-E JKL-GIJ JIFID-M$#，F$K8;$，!#&!太阳能喷射式制冷研究进展由于喷射式制冷循环需要的热源温度较低，随着人们能源和环保意识的增强，对于利用余热或者太阳能的热效应进行制冷的研究近年来也呈现蓬勃发展之势!。表!列举了喷射式制冷研究主要成果。在最初的喷射式制冷研究中，人们多使用氟里昂（氟氯烷，#$%&）制冷剂，如(%$%和)&*+%,使用了-!.，)/012 等使用了-!。虽然取得了较好的效果，但是随着大气臭氧层保护问题的日益紧迫，更多的人将目光投向了对环境友好的制冷剂。-!3.4、-!3!4、)5#56!.7 等成为了关注的焦点。制冷剂研究的成果为整个喷射式制冷系统研究提供了基础。表 主要喷射式制冷研究简表8/4*%!9:+/$;&0 2=&%?%=&$%E 7G!E G50%-!7!%E H!E FG!E H)/+%$-!，!%E.I!7!E.J!E J7(%$%和)&*+%,-!.，!，#!%E 6 J I!H!E!I 3!E F3 I K.#/2=0E 7.!E KH8;/2 和 C:$=;-!，-!7!%E G I F!E 7G I 7F!E HG I JG):/等-!7，!%E F I!F!E 7.I 3K!E F I KG900%=22/等-!3.，#!%E K I!F!E 3G!E H7 I KG50%和),:-!%E 6!I.!E 7.I F3!E K.I!G39&L&*&M，)%$,0/2-!3，!%E J!E 37!E JK9&L&*&M，)%$,0/2-!3!，#!%E 3!E 7G I 3G!E JG I!GFN/012 等-!%E F I!F!E.G I 3G!E JG I!GO:等-!%E 6 I!.!E!K I 7H!E K.I!3KN%0/1-H!H，-!.，-!-!7，-!3!，!%E F I!K!E 3G I 3!E HF I!GGP&$/=%,等-!.34!%E 6!G!E 7G!E!GF):/等-!3!4!%E K!E 7.!E JFQ/+%,等水!，!%E F I!G!E!.G I!3G!理论研究；实验研究；#太阳能制冷研究；!$蒸发器温度；!%冷凝器温度；!&换热器温度喷射式制冷循环具有结构简单、紧凑、运行稳定等优点，然而，同其它制冷方式相比，其性能系数偏低。因此，尽管对喷射式制冷循环的研究很多，但是真正在经济性上有竞争力的方案并不多见。近年来，9&L&*&M 的研究成果!，.令人瞩目。针对喷射式制冷系统()偏低的问题，9&L&*&M 设计了增压喷射循环和压缩喷射混合循环两种解决方案。在增压喷射循环中，从蒸发器出来的制冷剂蒸汽需要经过两级压缩：常规机械式压缩和喷射器压缩。因为喷射器效率对引射流压力变化非常敏感，所以，利用常规压缩机来提高引射流压力可以大大提高喷射器乃至整个系统的()；压缩喷射混合循环包括常规机械压缩循环和喷射式循环，两个循环并行运行，通过中间冷却器连接起来。这样可以同时起到提高引射压力和改善系统运行效果的效果。通过对以上两种系统的比较，混合循环在易于控制和保证工质参数方面更有优势。然而，不论哪一种方案，都是以消耗少量电能为代价，换取了系统性能系数的大幅提升。例如，在热源温度 KB，冷凝温度 7GB，蒸发温度KB的条件下，虽然可逆喷射循环的理想()可达!RGK，但是实际循环()却只有 GR.F.。如果用机械压缩机将引射压力提高JG+4/$（压缩比.RGJ），那么，系统的 5ST 值可提高 7 倍，热源热量耗费降低777U，同时还减少了冷凝负荷，而所需付出的代价是!JV（制冷量!GGGV）的机械功。9&L&*&M 的研究促进了太阳能喷射式制冷系统的研究。将喷射器与其它系统结合使用，可以有效地改进工艺过程、节能降耗，或者在不增加系统复杂性的基础上产生出新的更高效的制冷系统。据此思想，人们提出了喷射压缩和喷射吸收等混合系3F.太阳能学报.卷统。顾兆林等!基于单效吸收制冷循环，在换热器与凝结器之间串联了一个气体喷射器，通过改变溶液浓度提高换热器的压力，从而打破了原来换热器与冷凝器之间的平衡关系。这样的三压吸收喷射复合循环的性能系数在#$%#$&之间，其性能接近双效机，而流程则简单得多。!太阳能喷射制冷系统研究!#制冷剂的研究喷射式制冷系统能够应用机械压缩式制冷系统的大部分制冷剂，并且制冷剂的临界温度和标准沸点不能太高。我们选择了(、()、(!)*、(+!和(,&（水）作为比较研究的制冷剂。根据其物性参数，计算得出了制冷性能系数和喷射器的喷射系数。计算结果示于图+和图!（冷凝器温度和蒸发器温度都是!-.和(+.）。图+多种制冷剂的!#/012+!#34 5367 87480178*9:5图!多种制冷剂可达到的喷射系数/012!;79:8*09679:8*:03 34 5367 87480178*9:5在选择的几种制冷剂中，除了(!)*外，都可以得到比较好的喷射系数和制冷性能系数。受临界温度较低的影响，在一定温度下，()和(!)*性能反而有所下降。虽然在喷射系数方面比较接近，水在系统!#方面还是比(、(+!和()稍微好一点，这主要是与比焓比较大有关。(!)*由于临界温度比较低，只能在一个比较小的范围内（&.%$.）应用；相对于其它制冷剂，其性能系数比较低。在选择喷射式制冷剂时，选择极限温度和标准温度比较高，而且比焓比较大的制冷剂，有利于提高系统的性能系数，水和新型制冷剂(+!比较合适。!$增压喷射系统使用增压器可以有效地提高喷射器的喷射系数，从而提高系统!#。应用机械压缩机需要消耗机械能或者电能，因此在增压程度，以及增压所消耗电能的经济性方面需要进行评价。设定热电转换效率为!?，以(+!为制冷剂，在热源温度、冷凝温度和蒸发器温度恒定，分别为&.、!-.和(+.时，应用增压器将引射压力提高到对应(+.%!).的饱和蒸发压力之间，计算得出相应的喷射系数$6、系统!#示于图)，由机械能%6折合为热能&6在总热能消耗（&6&1）中所占比例示于图-。图)(+!增压喷射的喷射系数和系统!#/012);79:8*09679:8*:03*9A!#34:7 B335:78C79*9D7A 7E7D:38 87480178*:039 5F5:76 G5091(+!*587480178*9:图-增压器消耗机械能折算为热能占总能耗比例/012-;7 8*:03 34 D366G:7A 79781F D395G67A BF:7D36H875538:3:7:3:*=:786*=79781F G:0=0I7A BF:7 5F5:7太阳能喷射式制冷系统主要是应用太阳能作为驱动能源，系统消耗的机械能应控制在比较小的比)期张博等：太阳能喷射式制冷系统性能分析)-!例，在此设定机械能消耗占总能量消耗的!以内。在增压器出口压力为#$%!在%&对应的饱和压力下，系 统!#增 长 了$(%（从)*%+,增 加 到)*-,-），机械能占总热能消耗的%*+.，喷射系数从)*%+,增加到)*,$!。!太阳能喷射式制冷系统模拟及分析!*!*$系统描述图$所示为一个带有蓄热器%、回热器+和增压器$)的太阳能喷射式制冷系统示意图。蓄热器作为连接能量回路和制冷回路的中间部件，可以起到两个主要作用：缓解太阳辐射波动给制冷回路带来的影响；能量回路和制冷回路可以采用不同的工质。对于蓄热器应用能量守恒方程$%/0&01(23(43)（$）式中$蓄热介质的质量，56；%/蓄热介质比热容，578（56）；(2 太阳能集热器收集到的热能，59；(4 集热器损失的能量，59；)集热器的热负荷，59；&温度，。(41（*+）（&%3&:）（%）式中*热 损 系 数：+集 热 器 面 积，;%；&%集热器温度，；&:环境温度，。集热器采用双层真空玻璃的平板型集热器，效率为!1,#（#）,#*3&!-（!）式中&=进入太阳能集热器的工质的温度，；-日照辐射强度，598;%；集热器太阳光透射比；#集热器吸收表面的太阳吸收比；,#集热器采光面积，;%；*GA 4;（$&）式中 2 制冷剂焓值，57856，其下标为对应图$中的热力状态；4/2;/循环泵消耗的功率，59；$F 冷凝器中制冷剂的质量流率，568C。4;增压器消耗的理论功率：4;1#C5C$（$-）式中#C 压力升，大气压；5C 入口处的气体流量，;!8;G；$与绝热系数有关的系数。对于#$%!，6 1$*)(（%)，$)!*%-5H:），取$!$*%。!*!*%模拟运行结果分析采用北京某年,月中旬一天的太阳辐射数值，太阳集热器面积为%);%，蓄热器介质为 I:4JKDLM&!，其物性参数如下：沸点：!$&-&太阳能学报%卷凝固点：!#!$%&()*（+#）,$-&./*（.0#）!$1%./*+(，（%#下）#2$%&3)*（+(#）$4$-+(制冷剂选用 5-(。蒸发温度-#，冷凝温度(3#。蓄热器蓄热介质传递给制冷剂的温差设为%#。系统从上午%6%开始工作到下午 76%。图 7系统模拟结果时刻分布890:7;?A9BC D=4?A4 BE F9?G 94ABDG模拟中分别给出了采用增压器和不采用增压器进行太阳能喷射式制冷得到的制冷量和消耗机械能量，以及蓄热器所需的热负荷，如图 7 所示。全天集热器接受热量-H7&I/，蓄热器提供有效热负荷(1I/。不采用增压器，全天总制冷量为(3&1I/，系统%&为%&-3；增压制冷量为%H&(I/，系统%&为%&HHH，全天消耗机械能&-.)。由此可见，采用增压制冷，在少量消耗机械能的基础上，可以很大程度的提高制冷量，从而达到或者接近实际空调的需要。!结语在利用太阳能热效应进行制冷*空调的系统中，喷射式制冷系统由于系统简单、维护方便而受到重视。虽然与吸收系统相比较其系统效率比较低，但是增压喷射系统却可以有效的改善喷射系统性能。在考虑了系统初投资、运行维护费用、系统稳定性等多方面因素，以及太阳能中温集热技术、蓄热技术和喷射技术的发展，那么喷射式太阳能制冷系统在众多太阳能制冷系统中是比较有竞争力的。参考文献 JB.B?BK I，L=D4990?M:NCCO=F=P=OABD D=ED90=DA9BC OGQO?=4,BR=D=F SG?BR 0DF=A（,DA，-）/:TCA/5=ED90，%，(（）：(3(7(&-JB.B?BK I，L=D4990?M:NCCO=F=P=OABD D=ED90=DA9BC OGQO?=4,BR=D=F SG?BR 0DF=A（,DA(）/:TCA/5=ED90，U（）：-U(&(顾兆林等:新型 VL(WLX9YDZCV?-吸收喷射制冷系统变工况分析/&太阳能学报，1，（(）：-3U-3&U 林贵平，袁修干:喷射式制冷系统工质研究/&太阳能学报，1，（-）：H11-&3 方承超等:利用低焓能的压缩喷射制冷系统的研究/&工程热物理学报，3，7（）：31&7 沈胜强，李素芬，夏远景:喷射式热泵设计计算与性能分析/&大连理工大学学报，1，(1（3）：33137&#$%&(#)*+,-*.*/#-*0-12*-,#1(&#*3ZC0 YB，J=C J?9A9 2SF?-（()*+,(-.-/*0 123(，)45642#267(-.8*92-5 7%-U，%9624；-(:4;5,8*92-5-3，?60-4!6#267*06,，A4+42）,4567896：;94,=D 9CK=4A90A=F A=A=BDG CF A=4G4A=+,DBO=44=4 BE 4B?D SBB4A=F D=ED90=DA9BC 4G4A=+:;=EE=OA BEF9EE=D=CA D=ED90=DCA4 BC AF9=F:Y4=F BC A=R=A=D OBCF9QA9BC4 BE 4B+=O9A9=4 9C BDA V9C，AA=D49+?A9BC:TA 94 4BRC AOA9?9=4B?D A0 OBB?9C0 O,O9AG AB+=A A=,DOA9O?BF F=+CF:;7?5：=P=OABD D=ED90=DA9BC；=P=OABD；4B?D=C=D0GU 期张博等：太阳能喷射式制冷系统性能分析U33