太陽能噴射式制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析

1、太陽能噴射式制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析劉娜，楊啟容，吳榮華(青島大學(xué)熱能與動(dòng)力工程系，山東青島266071)摘要：利用熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律對太陽能噴射式制冷系統(tǒng)進(jìn)行分析。研究太陽能噴 射式制冷系統(tǒng)的噴射系數(shù)和性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、發(fā)生溫度等工作參數(shù)的變化趨勢，另 析工作參數(shù)的變化對系統(tǒng)中各個(gè)部分熵產(chǎn)的影響，進(jìn)而確定系統(tǒng)性能最優(yōu)時(shí)的工作參數(shù)。結(jié)果賽 明，系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大，總熵產(chǎn)隨著蒸發(fā)溫度的升高而減小，所以s 當(dāng)提高蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對提高系統(tǒng)的整體性能有利。在研究工況下，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度- 定時(shí)，存在一個(gè)使系統(tǒng)的總熵產(chǎn)最小的發(fā)生溫度。關(guān)鍵詞：噴射式制冷；太

2、陽能；能雖守恒；熵產(chǎn)；性能分析中圖分類號(hào)：tq050 -1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：add 10 -3969/j issn -10007466 2014 05 006thermodynamic analysis of solar ejector refrigeration systemliu na z yang qi-rong , wu rong-hua(dept - of power eng ，qingdao lniv ，qingdao 266071，china )abstract : the first law of thermodynamics and the second law of thermo

3、dynamics are used for solar ejector refrigeration system the jet coefficient and the performance coefficient of solar jet ejector refrigeration system changing with the operating parameters such as evaporation tempera- ure / condensation temperature / and generation temperature are researched，parame

4、ters affection on the various parts of the system entropy production is analyzed / and then operating parameters are determined in condition of the best system performance - the results show that the coefficient of performance is increased with the increase of evaporation temperature / the total ent

5、ropy pro- uction is decreased with the increase of the evaporation temperature / they have opposite change ' ith the condensing temperature compared to evaporating temperature / so that an appropriate in- c case evaporating temperature and condensing temperature is benefit to improve overall sys

6、tem p rformance / when evaporating temperature and the condensing temperature is certain / there is n optimum generation temperature to minimize the total entropy production key words : ejector refrigeration / solar / energy conservation ; entropy production / performance analysis收稿日期：2014-01-16作者簡介

7、：劉娜(1986_)，女，河南周口人，碩士從事太陽能噴射式制冷系統(tǒng)噴射器性能的研究。隨著能源和環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重111 ,太陽能的 利用受到了越來越多的關(guān)注。無污染、可再生的太 陽能在噴射式制冷中的應(yīng)用得到重視u。clemens pollerberg等人通過實(shí)驗(yàn)研究了太陽 能蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)的性能u，結(jié)果表明，系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)(coefficient of performance ,簡稱cop )隨著冷凝器溫度的降低而增大，而冷凝器的溫 度是由冷卻介質(zhì)的溫度和太陽能噴射制冷系統(tǒng)的操 作條件控制的。張博等人提出了用氣液噴射器代替機(jī)械泵，有效回收低品位余熱能源的新型雙噴射式制冷系 統(tǒng)111 ,

8、他們分析了雙噴射式制冷系統(tǒng)的制冷性能系 數(shù)與發(fā)生器溫度、冷凝器溫度的關(guān)系，模擬了不同余 熱溫度條件下雙噴射式制冷系統(tǒng)的運(yùn)行性能，結(jié)果 表明，制冷劑r123的制冷性能優(yōu)于r134a，系統(tǒng)的 制冷性能系數(shù)可達(dá)g .g。季一新等人利用熵分析法對太陽能噴射式制冷 循環(huán)進(jìn)行分析，研究發(fā)生溫度和蒸發(fā)溫度等系統(tǒng)參 數(shù)對循環(huán)的影響，并分析了工況的變化對循環(huán)性能 的影響雖然很多研究者對太陽能噴射式制冷系統(tǒng)進(jìn)行 了研究分析，但多數(shù)學(xué)者都是從熱力學(xué)第一定律的 角度對太陽能噴射式制冷系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。此 外，太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)偏低限制了 它的進(jìn)一步發(fā)展。為此，筆者同時(shí)結(jié)合熱力學(xué)第一定律和第二定 律對太陽能

9、噴射式制冷系統(tǒng)進(jìn)行分析，研究各個(gè)工 作參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，以確定系統(tǒng)性能最佳的 的工作參數(shù)，為太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供 理論參考。1太陽能噴射式制冷系統(tǒng)太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的示意圖見圖1。該系 統(tǒng)圖包括2個(gè)子循環(huán)，1個(gè)是制冷劑的制冷循環(huán)，1 個(gè)是為制冷循環(huán)提供能量的水循環(huán)。制冷劑的過熱 蒸汽在冷凝器中冷凝為過冷液體，一部分被引向節(jié) 流閥節(jié)流減壓，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷，而另一部分經(jīng) 循環(huán)泵進(jìn)入發(fā)生器，與經(jīng)太陽能集熱器加熱之后的 熱水進(jìn)行熱量交換，變成高溫、高壓的蒸汽進(jìn)入噴射 器，經(jīng)過噴嘴的加速降壓引射來自蒸發(fā)器的低溫、低 壓的制冷劑蒸汽，兩股流體經(jīng)過混合、擴(kuò)壓形成中間 壓力的蒸汽進(jìn)入冷凝器

10、。在發(fā)生器中，由于熱量交 換而變成低溫的熱水進(jìn)入太陽能集熱器，在能量子 系統(tǒng)中循環(huán)。圖1 太陽能噴射式制冷系統(tǒng)原理示圖 在太陽能噴射式制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器和發(fā)生器采用的是水和制冷劑換熱，冷凝器采用空冷。由于 太陽能集熱器中熱水溫度的影響，發(fā)生器中的發(fā)生 溫度不會(huì)太高。筆者研究的太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的制冷劑分 別為 r123、r134a、r236fa、r600a，設(shè)定的工況：發(fā) 生器中的發(fā)生溫度為7590 t，蒸發(fā)器中的蒸發(fā)溫 度為52ctc，冷凝器中的冷凝溫度為2540 °c , 發(fā)生器中的發(fā)生壓力、蒸發(fā)器中的蒸發(fā)壓力和冷凝器 中的冷凝壓力分別為各種制冷劑在對應(yīng)溫度下的飽和 壓力，集熱

11、器輻照強(qiáng)度取goo w/m2 ,集熱器吸熱面 積為4 m2。2 太陽能噴射式制冷系統(tǒng)能量守恒分析根據(jù)太陽能噴射式制冷系統(tǒng)中制冷劑在各個(gè)部 件中的狀態(tài)變化，繪制太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的壓 焓圖和焓熵圖，分別見圖2和圖;3。圖3噴射式制冷焓熵圖根據(jù)圖2、圖3和文獻(xiàn)b，7中對制冷系統(tǒng)的闡 述，可計(jì)算得到各個(gè)部件的負(fù)荷，其計(jì)算公式如下。蒸發(fā)器中冷凍水獲得的冷量中。按下式計(jì)算：中e =qme(12 hj )(1 )冷凝器中空氣帶走的熱量按下式計(jì)算：=qm< he )s )發(fā)生器中熱水帶走的負(fù)荷中。按下式計(jì)算：=qm 4 ho )6 )升壓泵消耗的功率p按下式計(jì)算：p =cjm> (5 6 )(

12、4 )引射器的噴射系數(shù)p按下式計(jì)算：p=qm( /qmg6)式(1 )式(5 )中rmhyhu、h5、h6分別為制冷 劑在不同狀態(tài)下的熔值，kj/kg 、qnx和分別 為蒸發(fā)器、冷凝器以及發(fā)生器中制冷劑的質(zhì)量流量，kg/so噴射器在最佳工況下的噴射系數(shù):p=3 22 亡(i-#)2126)其中ypc/ped«/pc式中，pe、p。和p,分別為蒸發(fā)壓力、冷凝壓力和發(fā) 生壓力，mpa。系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)按下式計(jì)算：cop =<t> / (t>.; + p )= p h! )/ h6 )(7 )通過調(diào)用nis refprop v8可以獲得制冷劑 在各個(gè)狀態(tài)下的物性，并運(yùn)用

13、matlab軟件編寫 程序，得出不同制冷劑在不同工況下的制冷性能系 數(shù)和噴射系數(shù)并繪制曲線圖，見圖4圖9。圖4圖6分別為不同制冷劑的噴射系數(shù)隨蒸 發(fā)溫度、冷凝溫度和發(fā)生溫度的變化曲線。89 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2() 21蒸發(fā):5j度a：8 7 6 5 4 o.o.o.o.o.分析圖圖6可知，噴射系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度 和發(fā)生溫度的升高而增大，隨著冷凝溫度的升高ffi 減小。->-u600a -»-k236fa -a-h 134n圖4不同制冷劑的噴射系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 冷凝

14、ffi度rc圖5不同制冷劑的噴射系數(shù)隨冷凝溫度的變化76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 發(fā)十溫度/tr600nr236fn-*-r134a-*-u|23r 1 v10 i14 15 16 17 18 19 2() 21圖6不同制冷劑的噴射系數(shù)隨發(fā)生溫度的變化0.70.60.50.40.3+lt600a令 id6f“+k 丨 34a -*-r1230.2蒸發(fā)溫度/t圖7不同制冷劑下系統(tǒng)性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變匕圖8不同制冷劑下系統(tǒng)性能系數(shù)隨冷凝溫度的變化35301:600"-*-k236f«i+l:"4u-h

15、-bi230.2'_1_"76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91發(fā)卞溫度/t圖9 不同制冷劑下系統(tǒng)性能系數(shù)隨發(fā)生溫度的變化 根據(jù)圖4圖6還可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：(1 )噴射系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度的變化發(fā)生的變仆率較隨著發(fā)生溫度的變化所產(chǎn)生的變化率大。泛)在其它2個(gè)工作溫度不變，蒸發(fā)溫度改變時(shí)，制冷劑r123的噴射系數(shù)比其它制冷劑的大。(3)在其它2個(gè)工作溫度不變，發(fā)生溫度或冷凝溫度改變時(shí)，制冷劑ri34a的噴射系數(shù)比其它制冷 劑的大，而且制冷劑ri34a的噴射系數(shù)和制冷齊i r600a的很接近。所以，在進(jìn)行噴射式制冷的實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該根

16、據(jù)實(shí) 驗(yàn)條件選擇不同的制冷劑，以改善系統(tǒng)的性能。此外，根據(jù)龍新平、程茜等人對噴射器結(jié)構(gòu)的模 擬結(jié)論，在一定的工況下，改善噴射器的結(jié)構(gòu)也利 于提高噴射器的噴射系數(shù)，提高系統(tǒng)的整體性能。圖7圖9分別為不同制冷劑下的系統(tǒng)性能系 數(shù)隨蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和發(fā)生溫度的變化曲線。 由圖7圖9可知，噴射式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)隨 著蒸發(fā)溫度和發(fā)生溫度的升高而增大，隨著冷凝溫度 的升高而減小。性能系數(shù)隨著蒸發(fā)溫度和冷凝溫度變 化的變化率比隨著發(fā)生溫度變化的變化率大，所以在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該更關(guān)注蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的變仆 對系統(tǒng)性能的影響。在相同的操作條件下，r1 34a的性能系數(shù)最大，r23gfa的性能系數(shù)最小。3太陽能噴

17、射式制冷系統(tǒng)熵分析由系統(tǒng)的能量守恒分析看不出能量品質(zhì)的變 化，所以不能單從制冷性能系數(shù)這個(gè)指標(biāo)來確定薺 統(tǒng)性能的好壞。所以筆者從熱力學(xué)第二定律的角度 來分析系統(tǒng)中各個(gè)部件的嫡變化hl1，以便了解能量 在質(zhì)量上的變化。以期通過熱力學(xué)第一定律和第二 定律相結(jié)合對系統(tǒng)進(jìn)行分析，能更全面地反映系結(jié) 的性能。不可逆過程中開口系控制體積的熵方程:dscv=f+ 21 fesqm i,s lts )h feiqrri )m 21 qmj )out0)式中為系統(tǒng)和外界交換的熱量，kj ;t為熱源溫 度，k ；s為制冷劑的質(zhì)量熵或比熵，kj/ (kg - k )；為制冷劑的質(zhì)量流量，kg/s;sg為系統(tǒng)的熵產(chǎn)，

18、 kw / k s為微小元。下標(biāo)i表示第i個(gè),j表示第j個(gè)v表示控制體積，in表示流入out表示流出。根據(jù)式),把系統(tǒng)中各個(gè)部件的流動(dòng)看成穩(wěn)定流動(dòng)，并且忽略各個(gè)部件向環(huán)境的散熱，得到熵產(chǎn)計(jì) 算公式如下：么=sqm feout -sm)(10)根據(jù)式(10 )求得各個(gè)部件的熵產(chǎn)。蒸發(fā)器：=qrrx s1 ) +qm.wcpln (t2/t1 )ql )冷凝器：52 qm： fee s3 )+ qm« plnyy-ruln1 )(12)發(fā)生器：.一 4 s5 h qm avhotcp 111噴射器：節(jié)流閥：=c|mcs3 qmi；s4 qmes9=c|me fel 一s7 )循環(huán)栗集熱器

19、：其中/=qm cp in必=j* cjm .vrtiotcp (t out 丁 m )=gac -fc()(13)(14)(15)(16)(17)(18)式(11)式(18沖為冷水的質(zhì)量流量qm，為 空氣質(zhì)量流量，qm.w為集熱器中熱水質(zhì)量流量， kg/s ；t!為進(jìn)口水或者空氣溫度，t2為出口水或 者空氣溫度，t，為集熱器熱水進(jìn)口溫度，丁為集 熱器熱水出口溫度，tq為室外平均溫度，t#為集熱 器的平均溫度,k ；r,為氣體常數(shù)zkj/ (kg-k)p! 為進(jìn)口水或者空氣壓力，p2為出口水或者空氣壓 力，mpam,為集熱器散失的熱量，吖為集熱器吸 收的熱量，kw ;g為集熱器接收的太陽輻照強(qiáng)

20、度，w/m2 ;ae為集熱器采光面積，m2 tp為水的比定壓 熱容，kj/ (kg-k)lr為透光率c(為吸收率。系統(tǒng)總熵產(chǎn)按下式計(jì)算：=(19 )1=1通過調(diào)用nist rrefprop v8軟件得到不 同狀態(tài)的制冷劑的物性，并運(yùn)用matlab軟件編 寫程序，最后獲得各個(gè)部件在不同工作條件下的熵 產(chǎn)并繪制曲線圖，見圖10圖17。鑒于工況條件較 多和文章篇幅所限，這里只把工況為發(fā)生溫度tr = to 、蒸發(fā)溫度te=10 °c、冷凝溫度te = 30 t下的 各個(gè)部件的熵產(chǎn)分布列于表1。表1 太陽能噴射式制冷系統(tǒng)中各部件熵產(chǎn)分布部件名稱熵產(chǎn)/kw-k-1占總熵產(chǎn)的比例/%部件名稱嫡產(chǎn)

21、/kw-k-1占總熵產(chǎn) 的比例/%集熱器1 863 6655 725蒸發(fā)器0 085 682 562噴射器0 831 3724 859冷凝器0 213 996 .398發(fā)生器0 -176 705 284循環(huán)粟0 093 462-795節(jié)流閥0 079 512-377總熵產(chǎn)3 344 38100由表1可知，集熱器的熵產(chǎn)占總熵產(chǎn)比例最大， 55 -725%，其次是噴射器，然后是發(fā)生器和冷凝 器，它們的熵產(chǎn)之和占總量的92-266%，所以主要對這幾個(gè)部件的熵產(chǎn)進(jìn)行分析。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，冷凝器的熵產(chǎn)比例隨工況的變化曲線和發(fā)生器的熵產(chǎn)比例隨工況的變化曲線十分 接近，所以只比較集熱器、噴射器和發(fā)生器的熵產(chǎn)變

22、 化曲線圖。集熱器、噴射器、發(fā)生器熵產(chǎn)隨發(fā)生溫度 的變化曲線見圖1g，集熱器、噴射器、發(fā)生器熵產(chǎn)比仞 隨發(fā)生溫度的變化曲線見圖丨1，集熱器、噴射器、發(fā) 生器熵產(chǎn)隨蒸發(fā)溫度的變化曲線見圖12,集熱器、噴 射器、發(fā)生器熵產(chǎn)隨冷凝溫度的變化曲線見圖13。0.7 & *70747882869094發(fā)生«改a:圖11集熱器、噴射器、發(fā)生器熵產(chǎn)比例隨發(fā)生溫度的變化2.5r案熱器 噸射器發(fā)生器蒸發(fā)溫度/t圖13 集熱器、噴射器、發(fā)生器熵產(chǎn)隨冷凝溫度的變化 由圖10和圖11可以看出，太陽能集熱器中的熵產(chǎn)隨發(fā)生溫度的升高而增大，噴射器的熵產(chǎn)隨發(fā)生溫度的升高而減小，發(fā)生器的熵產(chǎn)隨發(fā)生溫度的 變化

23、波動(dòng)很小。由圖和圖13可以得出，太陽能集熱器的熵 產(chǎn)隨蒸發(fā)溫度的升高而增大，噴射器的熵產(chǎn)隨蒸發(fā) 溫度的升高而減小，二者隨冷凝溫度的變化則剛 相反。發(fā)生器的熵產(chǎn)隨著冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的變 化波動(dòng)較小。+發(fā)個(gè)溢戊80 t +發(fā)個(gè)溫凌85 t +發(fā)生沿戊901：4 3 2 3 3. 3.u -,616工作條件對總熵產(chǎn)亦有影響，不同冷凍水溫差 下系統(tǒng)總熵產(chǎn)隨蒸發(fā)溫度的變化見圖不同發(fā)生 溫度下系統(tǒng)總熵產(chǎn)隨蒸發(fā)溫度的變化見圖15,系經(jīng) 總熵產(chǎn)隨冷凝溫度的變化見圖1g，系統(tǒng)總熵產(chǎn)隨發(fā) 生溫度的變化見圖1 了。圖14 不同冷凍水溫差下總熵產(chǎn)隨蒸發(fā)溫度的變化15 不同發(fā)生溫度下總熵產(chǎn)隨蒸發(fā)溫度的變化554535

24、f) 3234.36 3r 4042冷凝溫度/t圖1g系統(tǒng)總熵產(chǎn)隨冷凝溫度的變化3 3 3 370747882869094發(fā)十.溫度圖17系統(tǒng)總熵產(chǎn)隨發(fā)生溫度的變化 由圖1/t圖1了可知，在其它條件不變時(shí)，系統(tǒng)總熵產(chǎn)隨蒸發(fā)溫度升高而降低，冷凍水溫差越小，總 熵產(chǎn)越大。系統(tǒng)總熵產(chǎn)隨著冷凝溫度的升高而增 大，隨發(fā)生溫度的升高先減小后增大。根據(jù)熱力學(xué) 第一定律分析的結(jié)論，系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)隨著發(fā) 生溫度和蒸發(fā)溫度的升高而增大，隨著冷凝溫度的升高而減小，所以在工程應(yīng)用時(shí)蒸發(fā)溫度和冷凝溫 度稍高一點(diǎn)時(shí)對提高系統(tǒng)性能有利。而發(fā)生溫度g 時(shí)，雖然制冷性能系數(shù)增大了，但是系統(tǒng)的總熵產(chǎn)同 樣增大，系統(tǒng)的做功能力

25、損失亦增大，所以當(dāng)其他工 作條件一定時(shí)，存在一個(gè)合適的發(fā)生溫度使系統(tǒng)屈 熵產(chǎn)最小而系統(tǒng)的性能系數(shù)又不會(huì)太低。4結(jié)語(1 )太陽能噴射制冷系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)隨著 蒸發(fā)溫度的升高而增大，系統(tǒng)總熵產(chǎn)隨著蒸發(fā)溫度 的升高而減小，所以適當(dāng)提高蒸發(fā)溫度對提高系統(tǒng) 的整體性能有利。fe)太陽能噴射制冷系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)隨著 冷凝溫度的升高而減小，系統(tǒng)總熵產(chǎn)隨著冷凝溫度 的升高而增大，所以適當(dāng)降低冷凝溫度對提高系統(tǒng) 的整體性能有利。(3)太陽能噴射制冷系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)隨肩 發(fā)生溫度的升高而增大，系統(tǒng)總熵產(chǎn)隨著發(fā)生溫度 的升高而先減小后增大。當(dāng)其他工作條件一定時(shí)， 存在一個(gè)合適的發(fā)生溫度使系統(tǒng)總熵產(chǎn)最小而系統(tǒng)

26、 的性能系數(shù)又不會(huì)太低。參考文獻(xiàn)：d 佟阿思根，侯俊芝中國能源消費(fèi)現(xiàn)狀及能源需求預(yù)測lt 內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)2008 <14 <3 ) 83-85 -(tong-e si-gen rllou jun-zhi -chinese energy con- s umption status and energy demand forecasting d j ounial of inner mongolia university for nationalites， 200814 6)83-85-)g苗永利，李照霞節(jié)約能耗的現(xiàn)代生活太陽能在居民建筑中的利用和發(fā)展ld .科技資訊，2006 ,2

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