太阳能喷射式制冷系统热力学分析

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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266071)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，另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。结果赛明，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S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-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；能虽守恒；熵产；性能分析中图分类号：TQ050-1文献标志码：Add10-3969/jissn-10007466201405006ThermodynamicAnalysisofSolarEjectorRefrigerationSystemLIUNazYANGQi-rong,WURong-hua(Dept-ofPowerEng•，QingdaoL’niv•，Qingdao266071，China)Abstract:Thefirstlawofthermodynamicsandthesecondlawofthermodynamicsareusedforsolarejectorrefrigerationsystem•Thejetcoefficientandtheperformancecoefficientofsolarjetejectorrefrigerationsystemchangingwiththeoperatingparameterssuchasevaporationtempera-ure/condensationtemperature/andgenerationtemperatureareresearched，parametersaffectiononthevariouspartsofthesystementropyproductionisanalyzed/andthenoperatingparametersaredeterminedinconditionofthebestsystemperformance-Theresultsshowthatthecoefficientofperformanceisincreasedwiththeincreaseofevaporationtemperature/thetotalentropypro--uctionisdecreasedwiththeincreaseoftheevaporationtemperature/theyhaveoppositechange'iththecondensingtemperaturecomparedtoevaporatingtemperature/sothatanappropriatein-ccaseevaporatingtemperatureandcondensingtemperatureisbenefittoimproveoverallsystemprformance/whenevaporatingtemperatureandthecondensingtemperatureiscertain/thereisnoptimumgenerationtemperaturetominimizethetotalentropyproduction•Keywords:ejectorrefrigeration/solar/energyconservation;entropyproduction/performanceanalysis①收稿日期：2014-01-16作者简介：刘娜(1986_)，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。随着能源和环境问题的日趋严重111,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U。ClemensPollerberg等人通过实验研究了太阳能蒸汽喷射式制冷系统的性能u，结果表明，系统的制冷性能系数(CoefficientofPerformance,简称COP)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 效回收低品位余热能源的新型双喷射式制冷系统111,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R123的制冷性能优于R134a，系统的制冷性能系数可达G.G。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的的工作参数，为太阳能喷射式制冷系统的设计提供理论参考。1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1。该系统图包括2个子循环，1个是制冷剂的制冷循环，1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1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R123、R134a、R236fa、R600a，设定的工况：发生器中的发生温度为75〜90t，蒸发器中的蒸发温度为5〜2CTC，冷凝器中的冷凝温度为25〜40°C,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gooW/m2,集热器吸热面积为4m2。2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2和图;3。图3喷射式制冷焓熵图根据图2、图3和文献B，7］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中。按下式计算：中e=qme(12—hj)(1)冷凝器中空气带走的热量按下式计算：=qm<—he)S)发生器中热水带走的负荷中。按下式计算：=qm^^4—ho)6) 升压泵消耗的功率P按下式计算：P=CJm>;(^5—^6)(4)引射器的喷射系数p按下式计算：p=qm(/qmg6)式(1)〜式(5)中rMhyhu、h5、h6分别为制冷剂在不同状态下的熔值，kJ/kg、qnx和分别为蒸发器、冷凝器以及发生器中制冷剂的质量流量，kg/so喷射器在最佳工况下的喷射系数:p=322亡(I-#)]2126)其中Y—Pc/ped«/pc式中，pe、p。和P,分别为蒸发压力、冷凝压力和发生压力，MPa。系统的制冷性能系数按下式计算：Cop=/(t>.;+P)=p—h!)/—h6)(7)通过调用NISREFPROPV8可以获得制冷剂在各个状态下的物性，并运用MATLAB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4〜图9。图4〜图6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。89101112131415161718192()21蒸发:5J度A：87654o.o.o.o.o.分析图图6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ffi减小。->-U600a-»-K236fa-a-H134n图4不同制冷剂的喷射系数随蒸发温度的变化282930313233343536373839冷凝ffi度rc图5不同制冷剂的喷射系数随冷凝温度的变化76777879808182838485868788899091发十温度/T♦R600n♦R236fn-*-R134a-*-U|23r1v10I1415161718192()21图6不同制冷剂的喷射系数随发生温度的变化0.70.60.50.40.3+lt600a令Id6f“+K丨34a-*-R1230.2蒸发温度/T图7不同制冷剂下系统性能系数随蒸发温度的变｛匕图8不同制冷剂下系统性能系数随冷凝温度的变化3530♦1:600"-*-K236f«i+l:"4u-H-BI230.2'_1―――~_■—■"—•76777879808182838485868788899091发卞温度/T图9不同制冷剂下系统性能系数随发生温度的变化根据图4〜图6还可发现如下规律：(1)喷射系数随着蒸发温度的变化发生的变仆率较随着发生温度的变化所产生的变化率大。 泛)在其它2个工作温度不变，蒸发温度改变时，制冷剂R123的喷射系数比其它制冷剂的大。(3)在其它2个工作温度不变，发生温度或冷凝温度改变时，制冷剂Ri34a的喷射系数比其它制冷剂的大，而且制冷剂Ri34a的喷射系数和制冷齐IR600a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。 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7〜图9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7〜图9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仆对系统性能的影响。在相同的操作条件下，R134a的性能系数最大，R23Gfa的性能系数最小。3太阳能喷射式制冷系统熵分析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荠统性能的好坏。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嫡变化hl1，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，能更全面地反映系结的性能。不可逆过程中开口系控制体积的熵方程:dScv=f+21feSqmI,—SLtS)Hfeiqrri)m—21^qmj)out0)式中为系统和外界交换的热量，kJ;t为热源温度，K；s为制冷剂的质量熵或比熵，kJ/(kg-K)；为制冷剂的质量流量，kg/s;sg为系统的熵产，kW/KS为微小元。下标i表示第i个,j表示第j个＜v表示控制体积，in表示流入＜out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：么=Sqmfeout-Sm)(10)根据式(10)求得各个部件的熵产。蒸发器：=qrrx—S1)+qm.wCpln(T2/T1)Ql)冷凝器：^5^2—qm：fee—s3)+qm«^plnyy-Ruln^1)(12) 发生器：….一4—S5HqmAvhotCp111喷射器：节流阀：=C|mcS3—qmi；S4—qmeS9=C|mefel一S7)循环栗集热器：其中/^^=qmcpIn必=^J^*—CJm.vrtiotCp(Tout—丁m)=GAC-fc()(13)(14)(15)(16)(17)(18)式(11)〜式(18沖为冷水的质量流量qm，为空气质量流量，qm.w^为集热器中热水质量流量，kg/s；T!为进口水或者空气温度，T2为出口水或者空气温度，T，，，为集热器热水进口温度，丁⑽为集热器热水出口温度，Tq为室外平均温度，T#为集热器的平均温度,K；R,为气体常数zkJ/(kg-K)p!为进口水或者空气压力，P2为出口水或者空气压力，MPam,为集热器散失的热量，吖为集热器吸收的热量，kW;G为集热器接收的太阳辐照强度，W/m2;Ae为集热器采光面积，m2tp为水的比定压热容，kJ/(kg-K)lr为透光率c(为吸收率。系统总熵产按下式计算：=(19)1=1通过调用NISTRREFPROPV8软件得到不同状态的制冷剂的物性，并运用MATLAB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10~图17。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tR=TO、蒸发温度te=10°C、冷凝温度te=30t下的各个部件的熵产分布列于表1。表1太阳能喷射式制冷系统中各部件熵产分布部件名称熵产/kW-K-1占总熵产的比例/%部件名称嫡产/kW-K-1占总熵产的比例/%集热器18636655725蒸发器0085682562喷射器08313724859冷凝器0213996.398发生器0-176705284循环粟0093462-795节流阀0079512-377总熵产334438100由表1可知，集热器的熵产占总熵产比例最大，55-725%，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92-266%，所以主要 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1G，集热器、喷射器、发生器熵产比仞随发生温度的变化曲线见图丨1，集热器、喷射器、发生器熵产随蒸发温度的变化曲线见图12,集热器、喷射器、发生器熵产随冷凝温度的变化曲线见图13。0.7▲&*70747882869094发生«改a:图11集热器、喷射器、发生器熵产比例随发生温度的变化2.5r♦案热器■••吨射器发生器蒸发温度/T图13集热器、喷射器、发生器熵产随冷凝温度的变化由图10和图11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13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。+发个溢戊80T+发个温凌85T+发生沿戊901：432•••33.3.U-,616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15,系经总熵产随冷凝温度的变化见图1G，系统总熵产随发生温度的变化见图1了。图14不同冷冻水温差下总熵产随蒸发温度的变化15不同发生温度下总熵产随蒸发温度的变化554535f)3234.363R4042冷凝温度/T图1G系统总熵产随冷凝温度的变化 333370747882869094发十.温度图17系统总熵产随发生温度的变化由图1/T图1了可知，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g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屈熵产最小而系统的性能系数又不会太低。4结语(1)太阳能喷射制冷系统的制冷性能系数随着蒸发温度的升高而增大，系统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对提高系统的整体性能有利。fe)太阳能喷射制冷系统的制冷性能系数随着冷凝温度的升高而减小，系统总熵产随着冷凝温度的升高而增大，所以适当降低冷凝温度对提高系统的整体性能有利。(3)太阳能喷射制冷系统的制冷性能系数随肩发生温度的升高而增大，系统总熵产随着发生温度的升高而先减小后增大。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。参考文献：D]佟阿思根，侯俊芝•中国能源消费现状及能源需求预测LT]•内蒙古民族大学学报2008<14<3)83-85-(TONG-ESi-genrllOUJun-zhi-ChineseEnergyCon-sumptionStatusandEnergyDemandForecastingD]•JounialofInnerMongoliaUniversityforNationalites，2008^146)83-85-)g]苗永利，李照霞•节约能耗的现代生活——太阳能在居民建筑中的利用和发展Ld.科技资讯，2006,21(1):96•(MIAOYong-li,LIZhao-xia.EnergySavingModemifeSolarEnergyUsinginResidentialBuildingsadDevelopmentLJ]•InformationTeclmology，2006*21(1):96•E31ClemensPollerberga，AhinedHamzaHAlib:ChristianDtSsclia-SolarDrivenSteamJetEjectorChillerApplied[J1-ThermalEngineeringr2009(29):1245-1252•)[1]张博，薛凤娟，赵明海•低品位余热源新型双喷射式制冷系统研究[I]•大连理工大学学报,200848(2)-193-197•(ZHANGBo，XUEFeng-juan,ZHAOMing-hai-StudyofNewDoubleJetRefrigerationSystemUsingLow-radeWasteHeatSource(J]-JournalofDalianUniversity,200848)193-197•)B]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D]•制冷技术,200836(12)52-55-OlYi-xin/TAOLe-ren/WANGJin-feng•Thermody-iamicEntropyAnalysisofSolarEjectorRefrigerationCycleD]•RefrigerationTeclinology*2008<36(12)52-55•)BI刘桂玉，刘志刚，阴建民，等•工程热力学[M]■北京：高等教育出版社,1998-(LIUGui-yu,LIUZhi-gang,YINJian-min，etal-EngineeringThermodynamics[M]-Beijing:HigherEducationPress，1998•)[/]严家球，王永青•工程热力学[M]•北京：中国电力出版社2001.(YANJia-luAVANGYong-qirig•EngineeringTlieriiio-dynamics[M]-Beijing:ChinaElectricPowerPress/2004•)]DorantesRrI^allemandA•PredictionofPerformanceofaJetCoolingSystemOperatingwithPureRefriger-atsorNoil-azeotropicMixtures[J]•InternationalJ