風冷太陽能雙級氨噴射制冷系統冷藏工況性能分析

陳洪杰 盧 葦 覃文奇 鄭立星 聶 濤

(1 廣西大學化學化工學院 南寧 530004；2 廣西大學機械工程學院 南寧 530004)

由于冷鏈能力不足，世界果蔬平均產后損失率達30%[1]，我國也因冷鏈發展滯后使得果蔬產后損失率達20%以上[2]。加快冷鏈建設對促進農業的健康可持續發展具有重要意義。然而，當今主流的蒸氣壓縮式制冷設備能耗巨大，其耗電量占全世界發電量的15%左右[3]，在中國則占全社會電力總負荷的20%以上[4]。壓縮式制冷設備大量使用的HCFCs和HFCs類制冷劑是強溫室氣體，且HCFCs是消耗臭氧層物質，國際公約《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》已明確規定了這兩類物質的淘汰進程。要解決使用制冷設備引起的能源與環境問題，最佳的方案無疑是應用可再生能源驅動的自然工質(水、氨、CO2等)制冷系統。在眾多可再生能源中，太陽能潛力最大。以太陽能熱驅動的制冷技術主要有吸附式、吸收式和噴射式；與前兩種已商業化的技術相比，噴射式除能效較低外，在制冷系統結構、維護及適用性等方面均更具優勢。故這里結合亞熱帶典型城市南寧的氣候特點，對冷藏庫用風冷太陽能雙級氨噴射制冷系統進行性能分析。

1 以氨為工質的風冷太陽能雙級噴射制冷系統

根據廣西南寧地區的氣候特點及空冷化的需要(節約水資源及簡化系統)，設定發生溫度Tp為90℃、冷凝溫度Tc為45℃、蒸發溫度Te為-2℃、太陽平均輻照度Iθ為650W/m2，設計了一套作為100m3小型冷藏庫冷源的風冷太陽能氨噴射制冷系統，其額定制冷量為9.4kW[5]。該系統的流程如圖1所示，主要部件的結構及參數見圖2及表1、表2。在蒸發溫度較低且冷凝溫度較高 壓縮比較大，故將系統設計為兩級增壓形式。引射器Ⅰ和引射器Ⅱ之間的壓力分配采用最大制冷系數原則，分配度定為1.4[6]。

系統的工作原理為：太陽能集熱器中產生的熱水加熱發生器中的氨，產生的氨蒸氣(狀態1)分兩路作為工作蒸氣分別進入引射器Ⅰ和引射器Ⅱ。氨蒸氣流經引射器中的縮放噴嘴 ，壓力降低，流速增加，在混合段中產生攜帶作用，進而抽吸引射蒸氣。引射器Ⅰ抽吸蒸發器中的氨蒸氣(狀態2)，維持蒸發器的壓力和溫度。引射器Ⅰ出來的蒸氣(狀態5)被引射器Ⅱ抽吸，與工作蒸氣充分混合后(狀態6)，在引射器Ⅱ的擴壓段中提高壓力并進入冷凝器中冷凝為液態氨(狀態7)。流出冷凝器的液氨分為兩路，一路經過膨脹閥回流到蒸發器蒸發制冷，另一路經由循環泵送回發生器，被重新加熱成工作蒸氣。

圖1 太陽能噴射制冷循環系統Fig.1 The system of solar-powered ejector refrigeration cycle

圖2 引射器結構簡圖Fig.2 Schematic diagram of the ejectors

表1 引射器的結構參數Tab.1 Con fi guration parameters of the ejectors

表2 蒸發器、冷凝器、發生器和集熱器的結構參數Tab.2 Con fi guration parameters of the evaporator,condenser, generator and collector

2 系統性能分析

2.1 系統數學模型

在建立系統數學模型 作如下假設：忽略集熱器、蒸發器、冷凝器及管路內的阻力損失；工作蒸氣及引射器Ⅰ中的引射蒸氣處于過熱狀態，引射器Ⅱ中的引射蒸氣則處于飽和狀態，冷凝器出來的冷凝液為過冷液體；引射器內流體流動為一維穩態流動，工作蒸氣的膨脹過程和混合蒸氣的壓縮過程均為絕熱過程；引射器內混合段混合過程為定壓過程，且遵守質量守恒、能量守恒和動量守恒定律。

圖3 太陽能噴射制冷循環T-S圖Fig.3 T-S chart of the solar-powered ejector refrigeration cycle

1)動力循環子系統

全玻璃真空管太陽能集熱器效率ηcd為[7]：

其中，ta為環境溫度，ti為水進入集熱 的溫度，Iθ為太陽輻照度。

太陽能集熱器提供的有效熱量為：

其中，ηL為管路及部件貯熱熱損失率，f為太陽能保證率，A為集熱器面積。

發生器輸送給制冷循環子系統的熱量為：

其中，mg,I為引射器Ⅰ中工作蒸氣流量，mg,Ⅱ為引射器Ⅱ中工作蒸氣流量，h1為氨出發生器 焓值，h4為氨入發生器 焓值。

2)制冷循環子系統

參考圖1和圖3，制冷量為：

其中，me,I為引射器Ⅰ中引射蒸氣流量；h2為氨出蒸發器 焓值，h3為氨入蒸發器 焓值，Ke為蒸發器的傳熱系數，Ae為蒸發器總換熱面積，Δtm,e為蒸發器的對數平均溫差，Ge,a為蒸發器的送風量，cp,a為空氣的定壓比熱，te,a,i為空氣入蒸發器 的溫度，te,a,o為空氣出蒸發器 的溫度。

冷凝器的散熱量為：

其中，h6為蒸氣入冷凝器 焓值，h7為氨出冷凝器 焓值，Kc為冷凝器的傳熱系數，Ac為冷凝器總面積，Δtm,c為冷凝器的對數平均溫差，Gc,a為冷凝器的冷卻風量，tc,a,o為空氣出冷凝器 的溫度，tc,a,i為空氣入冷凝器 的溫度。

定義引射器Ⅰ和Ⅱ的噴射系數分別為μI和μII，有：

其中，me,II為引射器Ⅱ中引射蒸氣流量，且me,II= me,I+ mg,I，h5為一級引射器出口蒸氣焓值。

則噴射制冷子系統的效率為：

3)整體性能

整個太陽能噴射制冷系統的性能系數為：

其中，We為系統所需風機和水泵的總功率，一般情況下可忽略。

式(1)～(9)中所涉及參數的選取及計算方法和步驟詳見文獻[5]。

2.2 系統變工況性能分析

2.2.1 冷藏溫度、環境溫度及太陽輻照度對系統制冷量的影響

制冷量隨冷藏溫度和環境溫度變化的情況見圖4，計算條件為Iθ=650W/m2，Tp=90℃。可知：系統制冷量隨冷藏溫度升高而增大，隨環境溫度升高而減小。原因是在其他參數都不變的情況下，冷藏溫度升高將提高蒸發溫度，使得制冷劑的單位制冷量增大，且引射器Ⅰ所引射的蒸氣流量增加，從而使制冷量增大；環境溫度上升將提高冷凝溫度，使得制冷劑的單位制冷量減小，此 引射器Ⅰ所引射的蒸氣流量也減小，故制冷量下降。進一步分析還發現，冷藏溫度每上升1℃，制冷量增加約3%；環境溫度每降低1℃，制冷量增加約3.8%，可見環境溫度對制冷量的影響比冷藏溫度明顯。

圖4 冷藏溫度及環境溫度對制冷量的影響Fig.4 In fl uence of cold storage/ambient temperatures on the refrigeration capacity of the system

圖5 太陽輻照度對制冷量的影響Fig.5 In fl uence of solar irradiance on the refrigeration capacity of the system

由圖5可知，在冷藏溫度和環境溫度恒定 ，系統的制冷量隨太陽輻照度的增大而線性增加；且當冷藏溫度越高、環境溫度越低 ，太陽輻照度的影響越明顯。究其原因，是因為在其他參數都確定的條件下，制冷量與太陽輻照度成一次線性函數關系。在系統的設計工況下，太陽輻照度每增加100W/m2制冷量可增加2.1kW。結合圖4～5可推斷，只要設置合理的冷藏溫度(如不低于4℃)，由于一般情況下太陽輻照度與環境溫度變化趨勢一致，系統提供的制冷量基本能滿足要求；計算表明，正常使用條件下(冷藏溫度不低于4℃，環境溫度不高于38℃，太陽輻照度不低于500 W/m2)，制冷量的變化范圍為6.3～26kW，最大可達額定制冷量的2.8倍。

2.2.2 冷藏溫度、環境溫度及太陽輻照度對系統COP的影響

由于所提出的風冷系統風機能耗較大，約為制冷量的20%左右，因此在計算COP 將其考慮在內。因太陽能集熱器的最佳效率對應于相應的發生溫度[7]，故計算 維持發生溫度為90℃(可通過控制發生器內的壓力來實現)。分析圖6發現，系統COP隨冷藏溫度升高而增大，隨環境溫度升高而減小。因為冷藏溫度升高使得蒸發溫度上升，使單位制冷量增大，且引射器Ⅰ和Ⅱ的噴射系數都增大，故系統COP增大；環境溫度升高使得冷凝溫度上升，導致單位制冷量減小，且引射器Ⅰ和Ⅱ的噴射系數都減小，從而使系統COP降低。進一步比較圖6中的曲線發現，冷藏溫度每上升1℃，系統COP約增加3%；環境溫度每降低1℃，系統COP約增加3.8%，可見環境溫度對系統COP的影響比冷藏溫度明顯。

圖6 冷藏溫度及環境溫度對COP的影響Fig.6 In fl uence of cold storage/ambient temperatures on the COP of the system

太陽輻照度對系統COP的影響見圖7。從中可看到，系統COP隨太陽輻照度的增強而升高，但太陽輻射增強到一定程度 (Iθ≥800W/m2)，COP值趨于穩定。究其原因，是因為整個系統由動力子系統和制冷子系統組成，在維持發生溫度穩定的前提下，太陽輻照度增強(減弱)將同 增加(減小)工作蒸氣和引射蒸氣的流量，即同 增大(減小)制冷量和制冷子系統的有效輸入熱量，結果是制冷子系統的能效比不變；此 系統COP主要受集熱器效率的影響，其變化趨勢與ηcd一致，隨著太陽輻照度Iθ的增大其斜率逐漸減小，最后趨于平緩。結合圖6和圖7還可推斷，在正常使用條件下(冷藏溫度不低于4℃，環境溫度不高于38℃，太陽輻照度不低于500W/m2)，整個系統的COP在0.042至0.087之間。

圖7 太陽輻照度對COP的影響Fig.7 In fl uence of solar irradiance on the COP of the system

2.2.3 系統適應性分析

從前面分析可知，該系統的COP較低；而不少研究得到的太陽能氨噴射制冷系統的COP相對較高，一般為0.3～0.6[8-9]。原因是在其他參數相近的前提下，取得較高COP 的冷凝溫度多在30℃左右或更低，這是典型的水冷條件，可見風冷條件下的COP比水冷條件下的低很多。為保證冷卻效果，風冷冷凝器也較龐大，但風冷結構省去了冷卻水系統，所以就整個太陽能噴射制冷系統而言，尚需通過詳細計算才能確定風冷和水冷兩種方式哪種更節材節地。不過由于水冷噴射制冷系統的冷卻水消耗量遠比相同制冷量壓縮式系統的多[10]，風冷系統無疑節約了水資源；再者，風冷系統同樣能滿足制冷量需求且具備較強的容量調節能力。

就處于亞熱帶的廣西南寧而言，其水果蔬菜盛產期一般集中在5月到10月，主要品種包括龍眼(冷藏溫度4～6℃)、柑橘(冷藏溫度8℃)、香蕉(冷藏溫度13～14℃)等[11-13]。雖然南寧全年屬于太陽能資源一般區，但在夏秋季節太陽輻射較強，由文獻[14]的數據計算可知，南寧在5月至10月間太陽平均輻照度較大，達到650W/m2，接近太陽能資源較富區(以北京為例)同期的平均值(680W/m2)，可以滿足太陽能噴射制冷系統運行的需要。太陽輻照度強弱變化的 間也與冷藏負荷的變化相匹配。綜上所述，在南寧使用該系統，對保鮮冷藏領域的節能環保具有積極意義。

3 結論

引射器和太陽能集熱器是影響太陽能噴射制冷系統性能的關鍵部件，直接決定著整個系統的制冷量和能效比。系統的制冷量隨冷藏溫度升高而增大，隨環境溫度升高而減小，隨太陽輻照度增強而增大。系統的COP隨著冷藏溫度升高而增大，隨環境溫度升高而減小，隨太陽輻照度增強而增大，但太陽輻照度增加到一定程度后，COP趨于穩定。在正常使用條件下(冷藏溫度不低于4℃，環境溫度不高于38℃，太陽輻照度不低于500W/m2)，系統的制冷量為6.3～26kW，COP為0.042～0.087，具有較強的變工況能力。就南寧地區的氣候條件而言，系統基本可在當地果蔬盛產季節長期正常運行，是實現當地保鮮冷藏領域節能減排的有效技術方案之一。

但也需注意，以氨為工質的風冷太陽能噴射制冷系統，因使用冷卻效率相對較低的風冷系統，導致冷凝器的體積較為龐大；同 ，系統能效比較低也使得集熱面積較大，占地較多且初期投資較大。這是今后進一步優化所要解決的問題。

本文受廣西自然科學基金(桂科青0991007)和廣西研究生教育創新計劃(105931003021)項目資助。(The project was supported by Guangxi Natural Science Foundation(No.0991007) and Guangxi Postgraduate Educational Innovation Project (No.105931003021).)

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