1、太陽能噴射式制冷系統熱力學分析劉娜，楊啟容，吳榮華(青島大學熱能與動力工程系，山東青島266071)摘要：利用熱力學第一定律和熱力學第二定律對太陽能噴射式制冷系統進行分析。研究太陽能噴 射式制冷系統的噴射系數和性能系數隨蒸發溫度、冷凝溫度、發生溫度等工作參數的變化趨勢，另 析工作參數的變化對系統中各個部分熵產的影響，進而確定系統性能最優時的工作參數。結果賽 明，系統的制冷性能系數隨著蒸發溫度的升高而增大，總熵產隨著蒸發溫度的升高而減小，所以s 當提高蒸發溫度和冷凝溫度對提高系統的整體性能有利。在研究工況下，蒸發溫度和冷凝溫度- 定時，存在一個使系統的總熵產最小的發生溫度。關鍵詞：噴射式制冷；太

2、陽能；能雖守恒；熵產；性能分析中圖分類號：tq050 -1文獻標志碼：add 10 -3969/j issn -10007466 2014 05 006thermodynamic analysis of solar ejector refrigeration systemliu na z yang qi-rong , wu rong-hua(dept - of power eng ，qingdao lniv ，qingdao 266071，china )abstract : the first law of thermodynamics and the second law of thermo

3、dynamics are used for solar ejector refrigeration system the jet coefficient and the performance coefficient of solar jet ejector refrigeration system changing with the operating parameters such as evaporation tempera- ure / condensation temperature / and generation temperature are researched，parame

4、ters affection on the various parts of the system entropy production is analyzed / and then operating parameters are determined in condition of the best system performance - the results show that the coefficient of performance is increased with the increase of evaporation temperature / the total ent

5、ropy pro- uction is decreased with the increase of the evaporation temperature / they have opposite change ' ith the condensing temperature compared to evaporating temperature / so that an appropriate in- c case evaporating temperature and condensing temperature is benefit to improve overall sys

6、tem p rformance / when evaporating temperature and the condensing temperature is certain / there is n optimum generation temperature to minimize the total entropy production key words : ejector refrigeration / solar / energy conservation ; entropy production / performance analysis收稿日期：2014-01-16作者簡介

7、：劉娜(1986_)，女，河南周口人，碩士從事太陽能噴射式制冷系統噴射器性能的研究。隨著能源和環境問題的日趨嚴重111 ,太陽能的 利用受到了越來越多的關注。無污染、可再生的太 陽能在噴射式制冷中的應用得到重視u。clemens pollerberg等人通過實驗研究了太陽 能蒸汽噴射式制冷系統的性能u，結果表明，系統的制冷性能系數(coefficient of performance ,簡稱cop )隨著冷凝器溫度的降低而增大，而冷凝器的溫 度是由冷卻介質的溫度和太陽能噴射制冷系統的操 作條件控制的。張博等人提出了用氣液噴射器代替機械泵，有效回收低品位余熱能源的新型雙噴射式制冷系 統111 ,

8、他們分析了雙噴射式制冷系統的制冷性能系 數與發生器溫度、冷凝器溫度的關系，模擬了不同余 熱溫度條件下雙噴射式制冷系統的運行性能，結果 表明，制冷劑r123的制冷性能優于r134a，系統的 制冷性能系數可達g .g。季一新等人利用熵分析法對太陽能噴射式制冷 循環進行分析，研究發生溫度和蒸發溫度等系統參 數對循環的影響，并分析了工況的變化對循環性能 的影響雖然很多研究者對太陽能噴射式制冷系統進行 了研究分析，但多數學者都是從熱力學第一定律的 角度對太陽能噴射式制冷系統進行性能分析。此 外，太陽能噴射式制冷系統的性能系數偏低限制了 它的進一步發展。為此，筆者同時結合熱力學第一定律和第二定 律對太陽能

9、噴射式制冷系統進行分析，研究各個工 作參數對系統性能的影響，以確定系統性能最佳的 的工作參數，為太陽能噴射式制冷系統的設計提供 理論參考。1太陽能噴射式制冷系統太陽能噴射式制冷系統的示意圖見圖1。該系 統圖包括2個子循環，1個是制冷劑的制冷循環，1 個是為制冷循環提供能量的水循環。制冷劑的過熱 蒸汽在冷凝器中冷凝為過冷液體，一部分被引向節 流閥節流減壓，在蒸發器中蒸發制冷，而另一部分經 循環泵進入發生器，與經太陽能集熱器加熱之后的 熱水進行熱量交換，變成高溫、高壓的蒸汽進入噴射 器，經過噴嘴的加速降壓引射來自蒸發器的低溫、低 壓的制冷劑蒸汽，兩股流體經過混合、擴壓形成中間 壓力的蒸汽進入冷凝器

10、。在發生器中，由于熱量交 換而變成低溫的熱水進入太陽能集熱器，在能量子 系統中循環。圖1 太陽能噴射式制冷系統原理示圖 在太陽能噴射式制冷系統中，蒸發器和發生器采用的是水和制冷劑換熱，冷凝器采用空冷。由于 太陽能集熱器中熱水溫度的影響，發生器中的發生 溫度不會太高。筆者研究的太陽能噴射式制冷系統的制冷劑分 別為 r123、r134a、r236fa、r600a，設定的工況：發 生器中的發生溫度為7590 t，蒸發器中的蒸發溫 度為52ctc，冷凝器中的冷凝溫度為2540 °c , 發生器中的發生壓力、蒸發器中的蒸發壓力和冷凝器 中的冷凝壓力分別為各種制冷劑在對應溫度下的飽和 壓力，集熱

11、器輻照強度取goo w/m2 ,集熱器吸熱面 積為4 m2。2 太陽能噴射式制冷系統能量守恒分析根據太陽能噴射式制冷系統中制冷劑在各個部 件中的狀態變化，繪制太陽能噴射式制冷系統的壓 焓圖和焓熵圖，分別見圖2和圖;3。圖3噴射式制冷焓熵圖根據圖2、圖3和文獻b，7中對制冷系統的闡 述，可計算得到各個部件的負荷，其計算公式如下。蒸發器中冷凍水獲得的冷量中。按下式計算：中e =qme(12 hj )(1 )冷凝器中空氣帶走的熱量按下式計算：=qm< he )s )發生器中熱水帶走的負荷中。按下式計算：=qm 4 ho )6 )升壓泵消耗的功率p按下式計算：p =cjm> (5 6 )(

12、4 )引射器的噴射系數p按下式計算：p=qm( /qmg6)式(1 )式(5 )中rmhyhu、h5、h6分別為制冷 劑在不同狀態下的熔值，kj/kg 、qnx和分別 為蒸發器、冷凝器以及發生器中制冷劑的質量流量，kg/so噴射器在最佳工況下的噴射系數:p=3 22 亡(i-#)2126)其中ypc/ped«/pc式中，pe、p。和p,分別為蒸發壓力、冷凝壓力和發 生壓力，mpa。系統的制冷性能系數按下式計算：cop =<t> / (t>.; + p )= p h! )/ h6 )(7 )通過調用nis refprop v8可以獲得制冷劑 在各個狀態下的物性，并運用

13、matlab軟件編寫 程序，得出不同制冷劑在不同工況下的制冷性能系 數和噴射系數并繪制曲線圖，見圖4圖9。圖4圖6分別為不同制冷劑的噴射系數隨蒸 發溫度、冷凝溫度和發生溫度的變化曲線。89 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2() 21蒸發:5j度a：8 7 6 5 4 o.o.o.o.o.分析圖圖6可知，噴射系數隨著蒸發溫度 和發生溫度的升高而增大，隨著冷凝溫度的升高ffi 減小。->-u600a -»-k236fa -a-h 134n圖4不同制冷劑的噴射系數隨蒸發溫度的變化28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 冷凝

14、ffi度rc圖5不同制冷劑的噴射系數隨冷凝溫度的變化76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 發十溫度/tr600nr236fn-*-r134a-*-u|23r 1 v10 i14 15 16 17 18 19 2() 21圖6不同制冷劑的噴射系數隨發生溫度的變化0.70.60.50.40.3+lt600a令 id6f“+k 丨 34a -*-r1230.2蒸發溫度/t圖7不同制冷劑下系統性能系數隨蒸發溫度的變匕圖8不同制冷劑下系統性能系數隨冷凝溫度的變化35301:600"-*-k236f«i+l:"4u-h

15、-bi230.2'_1_"76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91發卞溫度/t圖9 不同制冷劑下系統性能系數隨發生溫度的變化 根據圖4圖6還可發現如下規律：(1 )噴射系數隨著蒸發溫度的變化發生的變仆率較隨著發生溫度的變化所產生的變化率大。泛)在其它2個工作溫度不變，蒸發溫度改變時，制冷劑r123的噴射系數比其它制冷劑的大。(3)在其它2個工作溫度不變，發生溫度或冷凝溫度改變時，制冷劑ri34a的噴射系數比其它制冷 劑的大，而且制冷劑ri34a的噴射系數和制冷齊i r600a的很接近。所以，在進行噴射式制冷的實驗時，應該根

16、據實 驗條件選擇不同的制冷劑，以改善系統的性能。此外，根據龍新平、程茜等人對噴射器結構的模 擬結論，在一定的工況下，改善噴射器的結構也利 于提高噴射器的噴射系數，提高系統的整體性能。圖7圖9分別為不同制冷劑下的系統性能系 數隨蒸發溫度、冷凝溫度和發生溫度的變化曲線。 由圖7圖9可知，噴射式制冷系統的性能系數隨 著蒸發溫度和發生溫度的升高而增大，隨著冷凝溫度 的升高而減小。性能系數隨著蒸發溫度和冷凝溫度變 化的變化率比隨著發生溫度變化的變化率大，所以在實驗時應該更關注蒸發溫度和冷凝溫度的變仆 對系統性能的影響。在相同的操作條件下，r1 34a的性能系數最大，r23gfa的性能系數最小。3太陽能噴

17、射式制冷系統熵分析由系統的能量守恒分析看不出能量品質的變 化，所以不能單從制冷性能系數這個指標來確定薺 統性能的好壞。所以筆者從熱力學第二定律的角度 來分析系統中各個部件的嫡變化hl1，以便了解能量 在質量上的變化。以期通過熱力學第一定律和第二 定律相結合對系統進行分析，能更全面地反映系結 的性能。不可逆過程中開口系控制體積的熵方程:dscv=f+ 21 fesqm i,s lts )h feiqrri )m 21 qmj )out0)式中為系統和外界交換的熱量，kj ;t為熱源溫 度，k ；s為制冷劑的質量熵或比熵，kj/ (kg - k )；為制冷劑的質量流量，kg/s;sg為系統的熵產，

18、 kw / k s為微小元。下標i表示第i個,j表示第j個v表示控制體積，in表示流入out表示流出。根據式),把系統中各個部件的流動看成穩定流動，并且忽略各個部件向環境的散熱，得到熵產計 算公式如下：么=sqm feout -sm)(10)根據式(10 )求得各個部件的熵產。蒸發器：=qrrx s1 ) +qm.wcpln (t2/t1 )ql )冷凝器：52 qm： fee s3 )+ qm« plnyy-ruln1 )(12)發生器：.一 4 s5 h qm avhotcp 111噴射器：節流閥：=c|mcs3 qmi；s4 qmes9=c|me fel 一s7 )循環栗集熱器

19、：其中/=qm cp in必=j* cjm .vrtiotcp (t out 丁 m )=gac -fc()(13)(14)(15)(16)(17)(18)式(11)式(18沖為冷水的質量流量qm，為 空氣質量流量，qm.w為集熱器中熱水質量流量， kg/s ；t!為進口水或者空氣溫度，t2為出口水或 者空氣溫度，t，為集熱器熱水進口溫度，丁為集 熱器熱水出口溫度，tq為室外平均溫度，t#為集熱 器的平均溫度,k ；r,為氣體常數zkj/ (kg-k)p! 為進口水或者空氣壓力，p2為出口水或者空氣壓 力，mpam,為集熱器散失的熱量，吖為集熱器吸 收的熱量，kw ;g為集熱器接收的太陽輻照強

20、度，w/m2 ;ae為集熱器采光面積，m2 tp為水的比定壓 熱容，kj/ (kg-k)lr為透光率c(為吸收率。系統總熵產按下式計算：=(19 )1=1通過調用nist rrefprop v8軟件得到不 同狀態的制冷劑的物性，并運用matlab軟件編 寫程序，最后獲得各個部件在不同工作條件下的熵 產并繪制曲線圖，見圖10圖17。鑒于工況條件較 多和文章篇幅所限，這里只把工況為發生溫度tr = to 、蒸發溫度te=10 °c、冷凝溫度te = 30 t下的 各個部件的熵產分布列于表1。表1 太陽能噴射式制冷系統中各部件熵產分布部件名稱熵產/kw-k-1占總熵產的比例/%部件名稱嫡產

21、/kw-k-1占總熵產 的比例/%集熱器1 863 6655 725蒸發器0 085 682 562噴射器0 831 3724 859冷凝器0 213 996 .398發生器0 -176 705 284循環粟0 093 462-795節流閥0 079 512-377總熵產3 344 38100由表1可知，集熱器的熵產占總熵產比例最大， 55 -725%，其次是噴射器，然后是發生器和冷凝 器，它們的熵產之和占總量的92-266%，所以主要對這幾個部件的熵產進行分析。經過計算發現，冷凝器的熵產比例隨工況的變化曲線和發生器的熵產比例隨工況的變化曲線十分 接近，所以只比較集熱器、噴射器和發生器的熵產變

22、 化曲線圖。集熱器、噴射器、發生器熵產隨發生溫度 的變化曲線見圖1g，集熱器、噴射器、發生器熵產比仞 隨發生溫度的變化曲線見圖丨1，集熱器、噴射器、發 生器熵產隨蒸發溫度的變化曲線見圖12,集熱器、噴 射器、發生器熵產隨冷凝溫度的變化曲線見圖13。0.7 & *70747882869094發生«改a:圖11集熱器、噴射器、發生器熵產比例隨發生溫度的變化2.5r案熱器 噸射器發生器蒸發溫度/t圖13 集熱器、噴射器、發生器熵產隨冷凝溫度的變化 由圖10和圖11可以看出，太陽能集熱器中的熵產隨發生溫度的升高而增大，噴射器的熵產隨發生溫度的升高而減小，發生器的熵產隨發生溫度的 變化

23、波動很小。由圖和圖13可以得出，太陽能集熱器的熵 產隨蒸發溫度的升高而增大，噴射器的熵產隨蒸發 溫度的升高而減小，二者隨冷凝溫度的變化則剛 相反。發生器的熵產隨著冷凝溫度和蒸發溫度的變 化波動較小。+發個溢戊80 t +發個溫凌85 t +發生沿戊901：4 3 2 3 3. 3.u -,616工作條件對總熵產亦有影響，不同冷凍水溫差 下系統總熵產隨蒸發溫度的變化見圖不同發生 溫度下系統總熵產隨蒸發溫度的變化見圖15,系經 總熵產隨冷凝溫度的變化見圖1g，系統總熵產隨發 生溫度的變化見圖1 了。圖14 不同冷凍水溫差下總熵產隨蒸發溫度的變化15 不同發生溫度下總熵產隨蒸發溫度的變化554535

24、f) 3234.36 3r 4042冷凝溫度/t圖1g系統總熵產隨冷凝溫度的變化3 3 3 370747882869094發十.溫度圖17系統總熵產隨發生溫度的變化 由圖1/t圖1了可知，在其它條件不變時，系統總熵產隨蒸發溫度升高而降低，冷凍水溫差越小，總 熵產越大。系統總熵產隨著冷凝溫度的升高而增 大，隨發生溫度的升高先減小后增大。根據熱力學 第一定律分析的結論，系統的制冷性能系數隨著發 生溫度和蒸發溫度的升高而增大，隨著冷凝溫度的升高而減小，所以在工程應用時蒸發溫度和冷凝溫 度稍高一點時對提高系統性能有利。而發生溫度g 時，雖然制冷性能系數增大了，但是系統的總熵產同 樣增大，系統的做功能力

25、損失亦增大，所以當其他工 作條件一定時，存在一個合適的發生溫度使系統屈 熵產最小而系統的性能系數又不會太低。4結語(1 )太陽能噴射制冷系統的制冷性能系數隨著 蒸發溫度的升高而增大，系統總熵產隨著蒸發溫度 的升高而減小，所以適當提高蒸發溫度對提高系統 的整體性能有利。fe)太陽能噴射制冷系統的制冷性能系數隨著 冷凝溫度的升高而減小，系統總熵產隨著冷凝溫度 的升高而增大，所以適當降低冷凝溫度對提高系統 的整體性能有利。(3)太陽能噴射制冷系統的制冷性能系數隨肩 發生溫度的升高而增大，系統總熵產隨著發生溫度 的升高而先減小后增大。當其他工作條件一定時， 存在一個合適的發生溫度使系統總熵產最小而系統

26、 的性能系數又不會太低。參考文獻：d 佟阿思根，侯俊芝中國能源消費現狀及能源需求預測lt 內蒙古民族大學學報2008 <14 <3 ) 83-85 -(tong-e si-gen rllou jun-zhi -chinese energy con- s umption status and energy demand forecasting d j ounial of inner mongolia university for nationalites， 200814 6)83-85-)g苗永利，李照霞節約能耗的現代生活太陽能在居民建筑中的利用和發展ld .科技資訊，2006 ,2

27、1 (1): 96 (miao yong-li ,li zhao-xia .energy saving modemifesolar energy using in residential buildings ad development lj information teclmology，2006 *21 (1 ):96 e3 1 clemens pollerberga，ahined hamza h a lib : christiandtssclia - solar driven steam jet ejector chiller applied j 1 - thermal engineeri

28、ng r 2009 (29 ): 1245- 1252 )1張博，薛鳳娟，趙明海低品位余熱源新型雙噴射式制 冷系統研究i大連理工大學學報,2008 48(2 ) -193- 197 (zhang bo，xue feng-juan ,zhao ming-hai -study of new double jet refrigeration system using low- rade waste heat source (j -journal of dalian university ,2008 48) 193-197 )b季一新，陶樂仁，王金鋒太陽能噴射式制冷循環的熱 力學熵分析d 制冷技術,2

29、008 36 (12 ) 52-55 -ol yi-xin /tao le-ren / wang jin-feng thermody- i amic entropy analysis of solar ejector refrigeration c ycle d refrigeration teclinology *2008 <36(12)52- 55 )bi劉桂玉，劉志剛，陰建民，等工程熱力學m 北京：高 等教育出版社,1998-(liu gui-yu ,liu zhi-gang ,yin jian-min，et al -engineering thermodynamics m -beijing : higher education press，1998 )/嚴家球，王永青工程熱力學m 北京：中國電