太阳能喷射式制冷系统热力学分析.pdf

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第43卷第5期石油化工设备Vo1．43NO．52014年9月PETRO～CHEMICALEQUIPMENTSept．2014文章编号：1000—7466(2014)05—0023—06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，分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。结果表明，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，所以适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一定时，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；能量守恒；熵产；性能分析中图分类号：TQOSO．1文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—7466．2014．05．006ThermodynamicAnalysisofSolarEjectorRefrigerationSystemLIUNa，YANGQi。rong，WURong-hua(Dept．ofPowerEng．，QingdaoUniv．，Qingdao266071，China)Abstract：Thefirstlawofthermodynamicsandthesecondlawofthermodynamicsareusedforsolarejectorrefrigerationsystem．ThejetcoefficientandtheperformanceCoefficientofsolarjetejectorrefrigerationsystemchangingwiththeoperatingparameterssuchasevaporationtempera—ture，condensationtemperature，andgenerationtemperatureareresearched，parametersaffectiononthevariouspartsofthesystementropyproductionisanalyzed，andthenoperatingparametersaredeterminedinconditionofthebestsystemperformance．Theresultsshowthatthecoefficientofperformanceisincreasedwiththeincreaseofevaporationtemperature，thetotalentropypro—ductionisdecreasedwiththeincreaseoftheevaporationtemperature，theyhaveoppositechangewiththecondensingtemperaturecomparedtoevaporatingtemperature，SOthatanappropriatein—creaseevaporatingtemperatureandcondensingtemperatureisbenefittoimproveoverallsystemperformance；whenevaporatingtemperatureandthecondensingtemperatureiscertain，thereisanoptimumgenerationtemperaturetominimizethetotalentropyproduction．Keywords：ejectorrefrigeration；solar；energyconservation；entropyproduction；performanceanalysis随着能源和环境问题的日趋严重，太阳能的制冷性能系数(CoefficientofPerformance，简称利用受到了越来越多的关注。无污染、可再生的太COP)随着冷凝器温度的降低而增大，而冷凝器的温阳能在喷射式制冷中的应用得到重视。度是由冷却介质的温度和太阳能喷射制冷系统的操ClemensPollerberg等人通过实验研究了太阳作条件控制的。能蒸汽喷射式制冷系统的性能嘲，结果表明，系统的张博等人提出了用气一液喷射器代替机械泵，有收稿日期：2014—04—16作者简介：刘娜(1986一)，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。 石油化工设备2014年第43卷效回收低品位余热能源的新型双喷射式制冷系太阳能集热器中热水温度的影响，发生器中的发生统_4]，他们分析了双喷射式制冷系统的制冷性能系温度不会太高。数与发生器温度、冷凝器温度的关系，模拟了不同余笔者研究的太阳能喷射式制冷系统的制冷剂分热温度条件下双喷射式制冷系统的运行性能，结果别为R123、R134a、R236{a、R600a，设定的工况：发表明，制冷剂R123的制冷性能优于R134a，系统的生器中的发生温度为75～9O℃，蒸发器中的蒸发温制冷性能系数可达0．3。度为5～2O℃，冷凝器中的冷凝温度为25～40。C，季一新等人利用熵分析法对太阳能喷射式制冷发生器中的发生压力、蒸发器中的蒸发压力和冷凝循环进行分析，研究发生温度和蒸发温度等系统参器中的冷凝压力分别为各种制冷剂在对应温度下的数对循环的影响，并分析了工况的变化对循环性能饱和压力，集热器辐照强度取800w／m，集热器吸的影响。热面积为4m。。虽然很多研究者对太阳能喷射式制冷系统进行2太阳能喷射式制冷系统能量守恒分析了研究分析，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。此根据太阳能喷射式制冷系统中制冷剂在各个部外，太阳能喷射式制冷系统的性能系数偏低限制了件中的状态变化，绘制太阳能喷射式制冷系统的压它的进一步发展。焓图和焓熵图，分别见图2和图3。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时的工作参数，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焓h个是为制冷循环提供能量的水循环。制冷剂的过热图2喷射式制冷压焓图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、扩压形成中间瑾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。焓h图3喷射式制冷焓熵图根据图2、图3和文献[6，7]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按下式计算：=q(2一h)(1)冷凝器中空气带走的热量按下式计算：图1太阳能喷射式制冷系统原理示图一q(3一h6)(2)在太阳能喷射式制冷系统中，蒸发器和发生器发生器中热水带走的负荷按下式计算：采用的是水和制冷剂换热，冷凝器采用空冷。由于g—q(h4-h5)(3) 第5期刘娜，等：太阳能喷射式制冷系统热力学分析升压泵消耗的功率P按下式计算：P—q。(5一h6)(4)引射器的喷射系数／z按下式计算：q／q(5)式(1)～式(5)中，h、hz、h。、h、h、h分别为制冷剂在不同状态下的焓值，kJ／kg；q、q和q分别为蒸发器、冷凝器以及发生器中制冷剂的质量流量，发生温度，℃kg／s。图6不同制冷剂的喷射系数随发生温度的变化喷射器在最佳工况下的喷射系数_8]：=3．22[专(一)]。-㈤其中y=P／P艘℃一pfpc式中，P、P和P分别为蒸发压力、冷凝压力和发生压力，MPa。蒸发温度，℃系统的制冷性能系数按下式计算：图7不同制冷剂下系统性能系数随蒸发温度的变化CoP一／(+P)一(^2一h1)／(^4一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软件编写涩程序，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。冷凝温度，图8不同制冷剂下系统性能系数随冷凝温度的变化分析图4～图6可知，喷射系数随着蒸发温度O和发生温度的升高而增大，随着冷凝温度的升高而减小。辍O。慧。0发生温厦／℃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化图4不同制冷剂的喷射系数随蒸发温度的变化率较随着发生温度的变化所产生的变化率大。：(2)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，发生温度或冷凝蓍：温度改变时，制冷剂R134a的喷射系数比其它制冷O剂的大，而且制冷剂R134a的喷射系数和制冷剂R600a的很接近。冷凝温度，℃所以，在进行喷射式制冷的实验时，应该根据实图5不同制冷剂的喷射系数随冷凝温度的变化验条件选择不同的制冷剂，以改善系统的性能。 石油化工设备2014年第43卷此外，根据龙新平、程茜等人对喷射器结构的模发生器：拟结论”]，在一定的工况下，改善喷射器的结构也Asg3一qg(54——s5)—__q，h。tpIn12(13)利于提高喷射器的喷射系数，提高系统的整体性能。喷射器-．图7～图9分别为不同制冷剂下的系统性能系Asg4一qmc53-qg54——gs2(14)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节流阀：Asg5：q。(51一S7)(15)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循环泵：度变化的变化率比随着发生温度变化的变化率大，Asg6一qg(5～S6)(16)所以在实验时应该更关注蒸发温度和冷凝温度的变集热器：化对系统性能的影响。在相同的操作条件下，q,n,whotCp·n一+凳(17R134a的性能系数最大，R236fa的性能系数最小。其中一-q，h0t(To一Ti)(18)3太阳能喷射式制冷系统熵分析=GAc()式(11)～式(18)中，q．为冷水的质量流量，q⋯为由系统的能量守恒分析看不出能量品质的变空气质量流量，q．wh。为集热器中热水质量流量，化，所以不能单从制冷性能系数这个指标来确定系kg／s；T为进口水或者空气温度，Tz为出口水或统性能的好坏。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熵变化Ⅲ]，以便了解能量者空气温度，丁为集热器热水进口温度，丁0为集在质量上的变化。以期通过热力学第一定律和第二热器热水出口温度，为室外平均温度，T为集热定律相结合对系统进行分析，能更全面地反映系统器的平均温度，K；R为气体常数，kJ／(kg·K)；P的性能。为进口水或者空气压力，。为出口水或者空气压不可逆过程中开口系控制体积的熵方程：力，MPa；为集热器散失的热量，为集热器吸收的热量，kW；G为集热器接收的太阳辐照强度，dscv=+∑(棚)i一w／m；A为集热器采光面积，m。；c为水的比定压∑(s8q)+5(8)热容，kJ／(kg·K)；r为透光率，a为吸收率。△一f’+∑(sq)i一∑(q)。+△5系统总熵产按下式计算：(9)Asg8一∑As(19)式中，Q为系统和外界交换的热量，kJ；T为热源温通过调用NISTRREFPROPV8软件得到不度，K；S为制冷剂的质量熵或比熵，kJ／(kg·K)；同状态的制冷剂的物性，并运用MATLAB软件编q为制冷剂的质量流量，kg／s；S为系统的熵产，写程序，最后获得各个部件在不同工作条件下的熵kW／K；为微小元。下标：i表示第i个，J表示第j产并绘制曲线图，见图10～图17。鉴于工况条件较个，CV表示控制体积，in表示流人，out表示流出。多和文章篇幅所限，这里只把工况为发生温度t一根据式(9)，把系统中各个部件的流动看成稳定7O。C、蒸发温度t一10。C、冷凝温度t一3O℃下的流动，并且忽略各个部件向环境的散热，得到熵产计各个部件的熵产分布列于表1。算公式如下：表1太阳能喷射式制冷系统中各部件熵产分布Asg一∑q(5一Sin)(1O)熵部件名称称根据式(1O)求得各个部件的熵产。kW·K的比例／·K的比例／蒸发器：集热器1．8636655．725蒸发器0．085682．562△sg1一q(2一S1)十喷射器0．8313724．859冷凝器0．213996．398发生器0．176705．284循环泵0．093462．795qm,wC。In(Tz／T1)(11)节流阀0．079512．377总熵产3．34438100冷凝器：由表1可知，集热器的熵产占总熵产比例最大，△sg2一q(56一S3)+为55．7259／6，其次是喷射器，然后是发生器和冷凝‰(nT2一R)(12)器，它们的熵产之和占总量的92．266％，所以主要 第5期刘娜，等：太阳能喷射式制冷系统热力学分析对这几个部件的熵产进行分析。生温度的升高而减小，发生器的熵产随发生温度的经过计算发现，冷凝器的熵产比例随工况的变变化波动很小。化曲线和发生器的熵产比例随工况的变化曲线十分由图12和图13可以得出，太阳能集热器的熵接近，所以只比较集热器、喷射器和发生器的熵产变产随蒸发温度的升高而增大，喷射器的熵产随蒸发化曲线图。集热器、喷射器、发生器熵产随发生温度温度的升高而减小，二者随冷凝温度的变化则刚好的变化曲线见图10，集热器、喷射器、发生器熵产比相反。发生器的熵产随着冷凝温度和蒸发温度的变例随发生温度的变化曲线见图11，集热器、喷射器、化波动较小。发生器熵产随蒸发温度的变化曲线见图12，集热器、工作条件对总熵产亦有影响，不同冷冻水温差喷射器、发生器熵产随冷凝温度的变化曲线见图13。下系统总熵产随蒸发温度的变化见图14，不同发生温度下系统总熵产随蒸发温度的变化见图15，系统总熵产随冷凝温度的变化见图16，系统总熵产随发生温度的变化见图17。●壤硇图lO集热器、喷射器、发生器熵产随发生温度的变化图14不同冷冻水温差下总熵产随蒸发温度的变化嚣基●壤颦稚珀电缸图15不同发生温度下总熵产随蒸发温度的变化图11集热器、喷射器、发生器熵产比例随发生温度的变化●壤珀冷凝温度／℃图16系统总熵产随冷凝温度的变化●图12集热器、喷射器、发生器熵产随蒸发温度的变化皂{L壤锄图17系统总熵产随发生温度的变化由图14～图17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图l3集热器、喷射器、发生器熵产随冷凝温度的变化大，随发生温度的升高先减小后增大。根据热力学由图1O和图11可以看出，太阳能集热器中的第一定律分析的结论，系统的制冷性能系数随着发熵产随发生温度的升高而增大，喷射器的熵产随发生温度和蒸发温度的升高而增大，随着冷凝温度的 ·28·石油化工设备2014年第43卷升高而减小，所以在工程应用时蒸发温度和冷凝温sity，2008，48(2)：193—197．)度稍高一点时对提高系统性能有利。而发生温度高E5]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EJ]．制冷技术，2008，36(12)：52—55．时，虽然制冷性能系数增大了，但是系统的总熵产同(JIYbxin。TAOLe-ren。WANGJin-feng．Thermody—样增大，系统的做功能力损失亦增大，所以当其他工namicEntropyAnalysisofSolarEjectorRefrigeration作条件一定时，存在一个合适的发生温度使系统总Cycle~J]．RefrigerationTechnology，2008，36(12)：52～熵产最小而系统的性能系数又不会太低。55．)E6]刘桂玉，刘志刚，阴建民，等．工程热力学[M]．北京：高4结语等教育出版社，1998．(1)太阳能喷射制冷系统的制冷性能系数随着(LIUGui-yu，LIUZhi-gang，YINJian-min，eta1．Engi—蒸发温度的升高而增大，系统总熵产随着蒸发温度neeringThermodynamics[M]．Beijing：HigherEduca—tionPress，1998．)的升高而减小，所以适当提高蒸发温度对提高系统[7]严家碌，王永青．工程热力学[M]．北京：中国电力出版的整体性能有利。社，2004．(2)太阳能喷射制冷系统的制冷性能系数随着(YANJia—lu，WANGYong-qing．EngineeringThermo—冷凝温度的升高而减小，系统总熵产随着冷凝温度dynamics[M]．Beijing：ChinaElectricPowerPress，的升高而增大，所以适当降低冷凝温度对提高系统2004．)的整体性能有利。[81DorantesR，LallemandA．PredictionofPerformance(3)太阳能喷射制冷系统的制冷性能系数随着ofaJetCoolingSystemOperatingwithPureRefriger—antsorNon-azeotropicMixtures[J]．International发生温度的升高而增大，系统总熵产随着发生温度JournalofRefrigeration，1995，18(1)：21—30．的升高而先减小后增大。当其他工作条件一定时，[9]BoumarafL，LallemandA．PerformanceofaJetCool—存在一个合适的发生温度使系统总熵产最小而系统ingSystemUsingRefrigerantsMixtures[J~．Interna—的性能系数又不会太低。tionalJournalofRefrigeration，1999，22(7)：580—589．[1O]龙新平，程茜，韩宁，等．射流泵最佳喉嘴距的数值模拟参考文献：[J]．核动力工程，2008，29(1)：35—38．[13佟阿思根，侯俊芝．中国能源消费现状及能源需求预测(LONGXin-ping，CHENGQian，HANNing，eta1．口]．内蒙古民族大学学报，2008，14(3)：83—85．TheNumericalSimulationofOptimalThroatMouth(TONG-ESi—gen。H0UJun-zhi．ChineseEnergyCon—DistanceoftheJetPump[J]．NuclearPowerEngineer—sumptionStatusandEnergyDemandForecasting[J]．ing，2008，29(i)：35—38．)JournalofInnerMongoliaUniversityforNationalites，[11]严济慈．热力学第一定律和第二定律[M]．北京：人民2008，14(3)：83-85．)教育出版社，1978．E2q苗永利，李照霞．节约能耗的现代生活——太阳能在居(YANJi-ci．TheFirstLawandSecondLawofThor—民建筑中的利用和发展[J]．科技资讯，2006，21(1)；modynamics[M]．Beijing：PeopleSEducationPress，96．1978．)(MIAOYong-li。LIZhao-xia．EnergySavingModern(杜编)Life——SOlarEnergyUsinginResidentialBuildingsandDevelopment[J]．InformationTechnology，2005，21(1)l96．[3]ClemensPollerberga，AhmedI-lamzaHAlih．ChristianDOtscha．SolarDrivenSteamJetEjectorChillerAp-pliedEJ]．ThermalEngineering，2009(29)I1245-1252．)[4]张博，薛风娟，赵明海．低品位余热源新型双喷射式制冷系统研究[刀．大连理工大学学报，2008，48(2)。193-197．(ZHANGBo，XUEFeng-juan，ZHAOMing-hai．StudyofNewDoubleJetRefrigerationSystemUsingLow-gradeWasteHeatSource[J]．JournalofDalianUniver—