冷藏库用风冷太阳能双级水喷射制冷系统性能分析

图 2 引射器结构简图 Fig.2 Schematic diagram of the ejectors
表 1 蒸发器、冷凝器和集热器的结构参数 Table 1 Configuration parameters of evaporator, condenser and
collector
名称
型式
总换热 面积/m2
材料
换热管
管排数
管径及 壁厚/mm
铝翅片
Байду номын сангаас
厚度/ mm
节距/ mm
蒸发器 翅片管式 123.9 紫铜管 6 Ф10×0.5 0.2(平板) 2
冷凝器 翅片管式 346.4 紫铜管 4 Ф10×0.5 0.2(波纹板) 2
集热器 真空管式
150
全玻璃 真空管
Ф47
表 2 引射器的结构参数 Table 2 Configuration parameters of ejectors
的影响
制冷量随冷藏温度和环境温度变化的情况见图 4，计
算条件为 Iθ=650 W/m2，Tp=100℃。由图 4 可知，系统制 冷量随冷藏温度升高而增大，随环境温度升高而减小。
原因是在其他参数都不变的情况下，冷藏温度升高将提
高蒸发温度，使得制冷剂的单位制冷量增大，且引射器
Ⅰ所引射的蒸汽流量增加，从而使制冷量增大；环境温
收稿日期：2010-09-18 修订日期：2011-02-22 基金项目：广西自然科学基金资助（桂科青 0991007）；广西研究生教育创 新计划资助项目（105931003021） 作者简介：陈洪杰（1987－），男，广西岑溪人，主要从事制冷空调节能环 保技术的研究。广西南宁市大学路 100 号 广西大学化学化工学院，530004。 Email: capricorn1987@126.com ※通信作者：卢 苇（1974－），男，广西柳州人，教授，博士，主要从事 制冷空调节能环保技术和能源政策的研究。广西南宁市大学路 100 号 广西 大学化学化工学院，530004。Email: catamount@gxu.edu.cn
冷藏温度升高而增大，随环境温度升高而减小，随太阳辐照度增强而增大；性能系数（COP）的变化规律与制冷量类似，
其差别是随太阳辐照度增强先迅速增大，但当太阳辐照度增大到一定程度后，COP 基本保持稳定。在正常使用条件下（冷
藏温度不低于 6℃，环境温度不高于 38℃，太阳辐照度不低于 500 W/m2），系统的制冷量为 5.6～20 kW，COP 为 0.075～
参考图 1 和图 3，制冷量为
Qe = me,I (h2 − h3 )
= Ke Ae∆tm,e
（3）
= Ge,acp,a (te,a,i − te,a,o )
式中，me,I 为引射器Ⅰ中引射流体流量，kg/s；h2 为水出 蒸发器时焓值，kJ/kg；h3 为水入蒸发器时焓值，kJ/kg； Ke 为蒸发器的传热系数，W/(m2·℃)；Ae 为蒸发器总换热 面积，m2；∆tm,e 为蒸发器的对数平均温差，℃；Ge,a 为蒸 发器的送风量，kg/s；cp,a 为空气的定压比热，kJ/(kg·℃)； te,a,i 为空气入蒸发器时的温度，℃；te,a,o 为空气出蒸发器 时的温度，℃。
参数/mm
d1 d2 d3 d4 d5 L1 L2 L3 L4 L5 L6 引射器Ⅰ 8 39 94 59 101 4 113 50 292 261 306 引射器Ⅱ 15 38 98 57 120 4 83 56 256 227 452
考查图 3，整个系统的能量交换过程为：1）太阳能 通过集热器转变为工质的热能（过程 4→1），热能驱动喷 射制冷循环；2）一部分热能用于驱动引射器Ⅰ工作，使 一部分工质在蒸发器中吸收冷藏空间的热量（过程 3→2）；3）另一部分热能驱动引射器Ⅱ工作，达到增压 目的（过程 5→6）；4）最终，集热器吸收的所有热能和
Chen Hongjie, Lu Wei, Zheng Lixing, et al. Performance analysis on a solar-powered air-cooled two-staged ejector refrigeration system with water as refrigerant for cold store[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(2): 302－306. (in Chinese with English abstract)
后损失率也有 20%以上[6]，加快冷链建设对促进农业生产 具有重要意义。鉴于此，本文结合亚热带典型城市南宁 的气候特点，对冷藏库用风冷太阳能双级水喷射制冷系 统进行性能分析。
1 以水为工质的风冷太阳能双级喷射制冷系统
根据广西南宁地区的气候特点及空冷化的需要（节 约水资源及简化系统），设定发生温度 Tp 为 100℃、冷凝 温度 Tc 为 45℃、蒸发温度 Te 为 3℃、太阳平均辐照度 Iθ 为 650 W/m2，设计了一套作为 100 m3 小型冷藏库冷源的 风冷太阳能水喷射制冷系统，其额定制冷量为 8.3 kW[7]。 该系统的流程如图 1 所示，主要部件的结构及参数见图 2 及表 1、表 2。系统设计时仅考虑以太阳能来满足白天的 制冷要求，且真空管集热器有一定的蓄水能力，故不采 用蓄热装置，而让水在集热器内直接受热蒸发。在蒸发 温度较低而冷凝温度较高时压缩比较大，故将系统设计 为两级增压形式。引射器Ⅰ和引射器Ⅱ之间的压力分配 采用最大制冷系数原则，分配度定为 1.4[8]。考虑成本问 题，集热器采用国内厂商生产的效率较低的普通真空管， 另外从运行的稳定性及可靠性出发，太阳能保证率取值 较为保守（根据当地气候条件取较低值：0.5），故系统的 集热面积较大。
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农业工程学报
2011 年
温差，℃；Gc,a 为冷凝器的冷却风量，kg/s；tc,a,o 为空气 出冷凝器时的温度，℃；tc,a,i 为空气入冷凝器时的温 度，℃。
定义引射器Ⅰ和Ⅱ的喷射系数分别为 µⅠ和 µⅡ，有
µI
=
me,I mg , I
=
h1 − h5 h5 − h2
（5）
µII
=
me,II mg ,II
当前国内外学者研究的喷射制冷系统多为水冷式， 除了采用氟利昂类制冷剂[3-4]，环保的自然工质水也越来 越受青睐，尽管水冷系统能获得相对较高的效率[11-18]，但 需消耗大量的水资源[19]。此外，相关研究大多基于空调 方面的应用，而在诸如农产品冷藏保鲜等其他制冷应用 领域则尚未见到公开报道。有资料显示，由于冷链能力 不足致使世界果蔬平均产后损失率达 30%[5]，中国果蔬产
− ta Iθ
（1）
式中，ta 为环境温度，℃；ti 为工质入集热器时的温度，℃；
Iθ 为太阳辐照度，W/m2。
太阳能集热器提供的有效热量为
QP = AIθηcd (1−ηL ) f = (mg,I + mg,II )(h1 − h4 ) （2）
式中，ηL 为管路及部件贮热热损失率；f 为太阳能保证率； A 为集热器面积，m2；mg,I 为引射器Ⅰ中工作流体流量， kg/s；mg,II 为引射器Ⅱ中工作流体流量，kg/s；h1 为蒸汽 出集热器时焓值，kJ/kg；h4 为水入集热器时焓值，kJ/kg。 2.1.2 制冷循环子系统
0.112。该系统能较好地与亚热带典型城市南宁的果蔬盛产季节气候条件相匹配。
关键词：太阳能，喷射制冷，冷藏
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.02.052
中图分类号：TB6， S214.4
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2011)-02-0302-05
陈洪杰，卢 苇，郑立星，等. 冷藏库用风冷太阳能双级水喷射制冷系统性能分析[J]. 农业工程学报，2011，27(2)： 302－306.
第 27 卷 第 2 期 302 2011 年 2 月
农业工程学报 Transactions of the CSAE
Vol.27 No.2 Feb. 2011
冷藏库用风冷太阳能双级水喷射制冷系统性能分析
陈洪杰，卢 苇※，郑立星，潘树林，冯冰凌
（广西大学化学化工学院，南宁 530004）
摘 要：对额定制冷量为 8.3 kW 的冷藏库用风冷太阳能双级水喷射制冷系统进行了变工况性能分析。该系统的制冷量随
=
h1 − h6 h6 − h5
（6）
式中，me,II 为引射器Ⅱ中引射流体流量，kg/s，且 me,II= me,I+ mg,I；h5 为引射器Ⅰ出口处混合蒸汽的焓值 kJ/kg。
则喷射制冷子系统的性能系数为
2.1.3
COPe
=
Qe Qp
=
µI ⋅ µII ⋅ h2 − h3 µI + µII +1 h1 − h4
0引言
当今制冷行业中占主流的压缩式制冷设备耗能巨 大，其耗电量占全世界发电量的 15%左右[1]，在中国则占 全社会电力总负荷的 20%以上[2]。并且压缩式制冷设备大 量使用的 HCFCs 和 HFCs 类制冷剂是强温室气体，HCFCs 还是消耗臭氧层物质，国际公约《蒙特利尔议定书》和 《京都议定书》已明确规定了这两类物质的淘汰进程。 要解决使用制冷设备引起的能源与环境问题，最佳的方 案无疑是应用可再生能源驱动的自然工质（水、氨、CO2 等）制冷系统。在众多可再生能源中，太阳能潜力最大。 以太阳能热驱动的制冷技术主要有吸附式、吸收式和喷 射式；与前两种已商业化的技术相比，喷射式除性能系 数较低外，在制冷系统结构、维护及适用性等方面均更 具优势。
冷凝器的散热量为
Qc = (me,I + mg,I + mg,II )(h6 − h7 ) = Kc Ac∆tm,c = Gc,acp,a (tc,a,o − tc,a,i )
（4）
式中，h6 为蒸汽入冷凝器时焓值，kJ/kg；h7 为水出冷凝 器时焓值，kJ/kg；Kc 为冷凝器的传热系数，W/(m2·℃)； Ac 为冷凝器总换热面积，m2；∆tm,c 为冷凝器的对数平均
图 3 太阳能喷射制冷循环温-熵图 Fig.3 Temperature-entropy of the solar-powered ejector
refrigeration cycle
2 系统性能分析
2.1 系统数学模型
2.1.1 动力循环子系统
全玻璃真空管太阳能集热器效率 ηcd 为[9]
ηcd
= 0.56 −1.7 ti
度上升将提高冷凝温度，使得制冷剂的单位制冷量减小，
此时引射器Ⅰ所引射的蒸汽流量也减小，故制冷量下降。
进一步分析图 4 还发现，冷藏温度每上升 1℃，制冷量增
加约 2%；环境温度每降低 1℃，制冷量增加约 3%，可见
环境温度对制冷量的影响比冷藏温度明显。
图 4 冷藏温度及环境温度对制冷量的影响 Fig.4 Influence of cold storage/ambient temperatures on
第2期
陈洪杰等：冷藏库用风冷太阳能双级水喷射制冷系统性能分析
303
冷凝为液态水（状态 7）。流出冷凝器的液体分为两路， 一路经过膨胀阀回流到蒸发器蒸发制冷，另一路经由循 环泵送回集热器，被重新加热成工作蒸汽。
蒸发器吸收的热量全部进入冷凝器，以热能形式排至环 境中去（过程 6→7）。
图 1 太阳能喷射制冷循环系统图 Fig.1 Diagram of the solar-powered ejector refrigeration cycle
整体性能
整个太阳能喷射制冷系统的性能系数为
（7）
COP = Qe AIθ + We
（8）
式中，We 为系统所需风机和水泵的总功率，kW；一般情
况下可忽略。
式（1）～（8）中所涉及参数的选取及计算方法和
步骤详见文献[7]。
2.2 系统变工况性能分析
2.2.1 冷藏温度、环境温度及太阳辐照度对系统制冷量
系统的工作原理为（参考图 1）：集热器中的水被加 热成水蒸气（状态 1），分两路作为工作蒸汽分别进入引 射器Ⅰ和引射器Ⅱ。工作蒸汽流经引射器中的缩放喷嘴 时，压力降低，流速增加，在混合段中产生携带作用， 进而抽吸引射蒸汽。引射器Ⅰ抽吸蒸发器中的蒸汽（状 态 2），维持蒸发器的真空度及低温。引射器Ⅰ出来到蒸 汽（状态 5）被引射器Ⅱ抽吸，与工作蒸汽充分混合后（状 态 6），在引射器Ⅱ的扩压段中提高压力并进入冷凝器中