新疆地區水果冷藏太陽能水蒸汽噴射CO2制冷系統

天津商業大學 寧靜紅 劉圣春 毛 力

0 引言

新疆地區土壤肥沃，日照時數多，太陽輻射強，熱量豐富，晝夜溫差大，為水果的生長提供了難得的自然條件，素有“瓜果之鄉”的美稱。其蘋果、葡萄、甜瓜和香梨等水果清脆爽口、味美、香甜，消費市場在不斷擴大。但是，由于鮮果存在生產和市場供給的季節性和周期性[1]，使其供給有淡旺季之分，難以滿足消費者四季均衡消費的需要。因此急需開發節能環保的冷藏技術，滿足各種新鮮水果的貯藏保鮮，提高國際市場的競爭力，實現一年四季均衡供給。

太陽能清潔、無污染、可再生，是人類可利用的最豐富的能源。太陽能蒸汽噴射循環系統不直接消耗機械能，結構簡單，無轉動部件，運行可靠，壽命長，運行費用低。C02具有優良的經濟性，良好的安全性和化學穩定性，粘性小，阻力小，能耗低，國內、外有許多學者對太陽能輔助熱源的熱泵、蒸汽噴射以及CO2作制冷劑的循環系統進行研究[2-11]，得出系統在節約能源、保護環境方面具有良好的效果。本文提出利用太陽能輔助熱源替代常規能源，自然工質水和CO2為循環工質的新疆地區水果冷藏制冷系統，并對其性能進行分析，以實現水果冷藏保鮮的產業化，解決一年四季均衡供給，節約能源、保護環境。

圖1 新疆地區水果冷藏太陽能熱源水蒸汽噴射CO2制冷系統流程圖

圖2 水蒸氣噴射制冷循環和CO2制冷循環的T-S圖

1 系統描述

圖1中所示的是新疆地區水果冷藏太陽能熱源水蒸汽噴射CO2制冷系統，由下面的各個循環組成：

1.1 太陽能集熱循環

該循環由太陽能集熱器、發生器和熱水泵組成。水經熱水泵的驅動，在太陽能集熱器中吸收太陽能，溫度升高的水回到發生器中。

1.2 水蒸汽噴射制冷循環

由噴射器、冷凝器、發生器、蒸發換熱器、節流閥和水泵組成水蒸汽噴射制冷循環。發生器上部的高溫高壓水蒸汽通過噴射器中的噴嘴膨脹并以高速流動，在噴嘴出口處造成很低的壓力，因流出速度高、壓力低，吸引蒸發換熱器內蒸發生成的低壓水蒸汽，進入噴射器的混合室，混合室中的蒸汽混合后一起進入噴射器的擴壓段，在擴壓段中流速降低、壓力升高后進入冷凝器，在冷凝器內與管外的空氣進行熱交換溫度降低，凝結成液體水，一路經節流閥截流降壓后，進入蒸發換熱器，為CO2制冷循環中制冷壓縮機排出的CO2氣體的冷卻降溫、凝結放熱提供冷源；另一路經水泵回到發生器形成水蒸汽噴射制冷循環。

1.3 CO2制冷循環

蒸發換熱器、制冷壓縮機、熱力膨脹閥和蒸發器組成CO2制冷循環。從制冷壓縮機出來的CO2氣體，在蒸發換熱器中與換熱管外的冷水進行熱交換，放出熱量凝結成CO2液體，經熱力膨脹閥

截流降壓后，進入冷藏間內的蒸發器中，吸收冷藏間內的熱量，蒸發產生的CO2氣體回到制冷壓縮機，為冷藏間提供冷源，完成CO2制冷循環。

2 性能分析

2.1 熱力計算

根據圖1和圖2對新疆地區水果冷藏太陽能熱源水蒸汽噴射CO2制冷循環進行熱力計算。假設蒸發換熱器內，CO2制冷循環的CO2高溫高壓氣體凝結放熱與水蒸汽噴射制冷循環的水吸收的熱量相等。設定CO2的凝結溫度與水蒸汽蒸發溫度的差值為5℃，發生器內水的溫度為90℃，水冷凝溫度為45℃,冷藏間額定的制冷量為10kW。

CO2制冷循環的制冷量：

（1）CO2制冷循環的放熱量：

發生器需要的熱量：

噴射器的引射率：

發生器需要的附加電能：

式中h1L,h2L,h3L,h4L,——分別為CO2制冷循環各狀態點的焓值，kJ/kg

h1,h9——分別為水蒸汽噴射制冷循環的各狀態點的焓值，kJ/kg

mc——被引射水蒸汽的質量流量，kg/s

mg——發生器工作水蒸汽的質量流量，kg/s

m0——CO2制冷循環的質量流量，kg/s

QK——CO2制冷循環的放熱量，kW

Q0——CO2制冷循環的制冷量，kW

式中A——太陽能集熱器的面積，m2

η——太陽能輻射強度，W/m2

Qcol——從太陽能獲得的熱量，kW

tcol——集熱器內的水溫，取100℃

tw——外界空氣溫度，℃

ηcol——太陽能集熱器的效率。

2.2 結果分析

由于太陽能集熱器從太陽能獲得的熱量受太陽能輻射強度和外界空氣溫度的影響，為保證穩定的制冷效果，發生器設有輔助電加熱器，如果發生器的溫度達不到設定的溫度，則溫度傳感器啟動電加熱器加熱，當溫度達到設定的溫度，斷開電加熱器，停止加熱。

通過計算得到圖3～圖6的結果，根據表1中所示的部分水果的冷藏保鮮溫度要求，選取CO2制冷循環的蒸發溫度,能夠滿足新疆地區生產水果的貯存冷藏保鮮的需求。

圖3所示的是發生器附加電能隨CO2制冷循環蒸發溫度的變化，計算中太陽能輻射強度為600W/m2，噴射器的引射率為0.5，太陽能集熱器的面積為50m2，可以看出，附加電能隨CO2制冷循環蒸發溫度的升高而明顯減少，隨外界空氣溫度的降低而有所增加，原因是蒸發溫度升高，CO2單位制冷量增大，制冷壓縮機的功率消耗降低，CO2冷卻冷凝放出的熱量減少，水蒸汽在蒸發換熱器內吸收的熱量減少，被引射流體質量流量減少，在噴射器的引射率不變的情況下，所需工作水蒸汽的質量流量較少，發生器需要的熱量減少，附加電能減少，蒸發溫度每升高1℃，附加電能減少約0.12kW。

表1 部分水果的冷藏條件[13]

圖3 附加電能隨CO2循環蒸發溫度的變化

圖4 附加電能隨太陽能輻射強度的變化

圖5 附加電能隨外界空氣溫度的變化

圖6 附加電能隨噴射器引射率的變化

圖4中所示的是附加電能隨太陽能輻射強度的變化，計算中太陽能集熱器的面積為53m2，噴射器的引射率為0.5，蒸發溫度為-3℃，可以看出，附加電能隨太陽能輻射強度的增大而明顯減少，隨外界空氣溫度的降低而有所增加。

圖5的計算中太陽能輻射強度為600W/m2，噴射器的引射率為0.5，蒸發溫度為-3℃，可以看出，附加電能隨外界空氣溫度的升高明顯減少，隨太陽能集熱器面積的減少而增加。

提升性能。光學透明粘合特性是觸摸屏等電子設備對材料的要求。陶氏高性能膜用離型劑(SYL-OFFTM LTC 310 和SYL-OFFTM LTC 750A)固化溫度低，可用于光學膜等高端應用。SYL-OFFTM 7795氟硅離型劑(用于有機硅壓敏膠濕膠涂布)和SYL-OFFTM 7792氟硅離型劑(用于干膠復合)提供更輕的剝離力，與陶氏有機硅壓敏膠具有兼容性，可完美解決超輕剝離力應用的痛點。

從圖6可以看出，附加電能隨噴射器引射率的增大而顯著減少。在蒸發溫度為-3℃，當太陽能輻射強度為600W/m2，噴射器的引射率為0.58，太陽能集熱器的面積為48m2，外界空氣溫度為30℃時，從太陽能獲得的熱量能夠滿足發生器需要的熱量，即附加電能為0kW，以此為基準，外界空氣溫度每增加1℃，太陽能集熱器的面積減小0.5m2，太陽能輻射強度每增加10W/m2，太陽能集熱器的面積減小1.2m2,噴射器的引射率每提高0.01，太陽能集熱器的面積減小0.8m2。

由此得出，外界環境溫度、噴射器的引射率和太陽輻射強度對太陽能熱源水蒸氣噴射CO2水果冷藏制冷系統的運行性能有很大的影響，在外界環境溫度較高，太陽輻射強度較大的新疆地區，開發使用高引射率的噴射器，將大大減小太陽能集熱器的面積，減少設備初投資，減少運行費用。

2.3 使用效果

新疆地域遼闊，盛產多種水果，水果收獲旺季大都是在每年的5～10月，由國家氣象局氣象數據統計資料得知，新疆大部分地區5～10月的日最高氣溫大都在28～38℃，吐魯番地區甚至達到48℃。新疆地區的日照時間長，太陽輻射量豐富，更適合利用太陽能資源，開發太陽能熱源的水果冷藏制冷系統，以節約電力資源。

為分析新疆地區水果冷藏太陽能熱源水蒸汽噴射CO2制冷系統（簡稱系統2）的使用效果，對表2中幾個不同地區水果冷藏的運行性能進行計算，與不利用太陽能、發生器的熱源全部來自電能的系統（簡稱系統1）的運行情況進行比較，假設電價為0.7元/kWh，設定太陽能集熱器的面積為50m2，噴射器的引射率為0.55。

表2 部分地區水果冷藏的節約費用情況

通過表2的計算結果可以看出，與發生器的熱源全部來自電能的系統運行情況相比，吐魯番地區葡萄冷藏2個月節約電能和運行費用達96.2%，哈密地區哈密瓜冷藏15天節約電能和運行費用約94.4%，庫爾勒地區香梨冷藏6個月節約電能和運行費用約41.1%，庫車地區白杏冷藏21天節約電能和運行費用約74.2%。由于不同地區環境溫度不同，水果冷藏太陽能熱源水蒸汽噴射CO2制冷系統有一定的差別，但都不同程度地節約大量能源。

針對新疆不同地區的環境溫度、太陽輻射強度和生產水果的特點，合理地選擇冷藏溫度，確定適宜的蒸發溫度，優化選取太陽能集熱器的面積，可以減少設備初投資，減少運行費用，節約能源保護環境。

3 結論

1)利用新疆地區豐富的太陽能資源，以自然工質水和CO2為循環工質的水果冷藏制冷系統，可為新疆不同地區生產的水果提供所需適宜的冷藏環境。

2)CO2制冷循環的蒸發溫度提高，外界環境空氣溫度升高，太陽能輻射強度增加,噴射器的引射率提高，可使系統的耗能減小，太陽能集熱器的面積減小，設備的投資減少。

3)針對新疆不同地區的環境溫度、太陽輻射強度特點以及生產水果的品種所需的冷藏保鮮特點，確定適宜的CO2制冷循環的蒸發溫度，優化選取太陽能集熱器的面積，開發高引射率的噴射器，以減少設備初投資，節省運行費用。

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