新疆地區(qū)水果冷藏太陽(yáng)能水蒸汽噴射CO2制冷系統(tǒng)

天津商業(yè)大學(xué) 寧?kù)o紅 劉圣春 毛 力

0 引言

新疆地區(qū)土壤肥沃，日照時(shí)數(shù)多，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，熱量豐富，晝夜溫差大，為水果的生長(zhǎng)提供了難得的自然條件，素有“瓜果之鄉(xiāng)”的美稱。其蘋(píng)果、葡萄、甜瓜和香梨等水果清脆爽口、味美、香甜，消費(fèi)市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大。但是，由于鮮果存在生產(chǎn)和市場(chǎng)供給的季節(jié)性和周期性[1]，使其供給有淡旺季之分，難以滿足消費(fèi)者四季均衡消費(fèi)的需要。因此急需開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保的冷藏技術(shù)，滿足各種新鮮水果的貯藏保鮮，提高國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)一年四季均衡供給。

太陽(yáng)能清潔、無(wú)污染、可再生，是人類(lèi)可利用的最豐富的能源。太陽(yáng)能蒸汽噴射循環(huán)系統(tǒng)不直接消耗機(jī)械能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，運(yùn)行可靠，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行費(fèi)用低。C02具有優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性，良好的安全性和化學(xué)穩(wěn)定性，粘性小，阻力小，能耗低，國(guó)內(nèi)、外有許多學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能輔助熱源的熱泵、蒸汽噴射以及CO2作制冷劑的循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行研究[2-11]，得出系統(tǒng)在節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境方面具有良好的效果。本文提出利用太陽(yáng)能輔助熱源替代常規(guī)能源，自然工質(zhì)水和CO2為循環(huán)工質(zhì)的新疆地區(qū)水果冷藏制冷系統(tǒng)，并對(duì)其性能進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)水果冷藏保鮮的產(chǎn)業(yè)化，解決一年四季均衡供給，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。

圖1 新疆地區(qū)水果冷藏太陽(yáng)能熱源水蒸汽噴射CO2制冷系統(tǒng)流程圖

圖2 水蒸氣噴射制冷循環(huán)和CO2制冷循環(huán)的T-S圖

1 系統(tǒng)描述

圖1中所示的是新疆地區(qū)水果冷藏太陽(yáng)能熱源水蒸汽噴射CO2制冷系統(tǒng)，由下面的各個(gè)循環(huán)組成：

1.1 太陽(yáng)能集熱循環(huán)

該循環(huán)由太陽(yáng)能集熱器、發(fā)生器和熱水泵組成。水經(jīng)熱水泵的驅(qū)動(dòng)，在太陽(yáng)能集熱器中吸收太陽(yáng)能，溫度升高的水回到發(fā)生器中。

1.2 水蒸汽噴射制冷循環(huán)

由噴射器、冷凝器、發(fā)生器、蒸發(fā)換熱器、節(jié)流閥和水泵組成水蒸汽噴射制冷循環(huán)。發(fā)生器上部的高溫高壓水蒸汽通過(guò)噴射器中的噴嘴膨脹并以高速流動(dòng)，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(fā)換熱器內(nèi)蒸發(fā)生成的低壓水蒸汽，進(jìn)入噴射器的混合室，混合室中的蒸汽混合后一起進(jìn)入噴射器的擴(kuò)壓段，在擴(kuò)壓段中流速降低、壓力升高后進(jìn)入冷凝器，在冷凝器內(nèi)與管外的空氣進(jìn)行熱交換溫度降低，凝結(jié)成液體水，一路經(jīng)節(jié)流閥截流降壓后，進(jìn)入蒸發(fā)換熱器，為CO2制冷循環(huán)中制冷壓縮機(jī)排出的CO2氣體的冷卻降溫、凝結(jié)放熱提供冷源；另一路經(jīng)水泵回到發(fā)生器形成水蒸汽噴射制冷循環(huán)。

1.3 CO2制冷循環(huán)

蒸發(fā)換熱器、制冷壓縮機(jī)、熱力膨脹閥和蒸發(fā)器組成CO2制冷循環(huán)。從制冷壓縮機(jī)出來(lái)的CO2氣體，在蒸發(fā)換熱器中與換熱管外的冷水進(jìn)行熱交換，放出熱量凝結(jié)成CO2液體，經(jīng)熱力膨脹閥

截流降壓后，進(jìn)入冷藏間內(nèi)的蒸發(fā)器中，吸收冷藏間內(nèi)的熱量，蒸發(fā)產(chǎn)生的CO2氣體回到制冷壓縮機(jī)，為冷藏間提供冷源，完成CO2制冷循環(huán)。

2 性能分析

2.1 熱力計(jì)算

根據(jù)圖1和圖2對(duì)新疆地區(qū)水果冷藏太陽(yáng)能熱源水蒸汽噴射CO2制冷循環(huán)進(jìn)行熱力計(jì)算。假設(shè)蒸發(fā)換熱器內(nèi)，CO2制冷循環(huán)的CO2高溫高壓氣體凝結(jié)放熱與水蒸汽噴射制冷循環(huán)的水吸收的熱量相等。設(shè)定CO2的凝結(jié)溫度與水蒸汽蒸發(fā)溫度的差值為5℃，發(fā)生器內(nèi)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(huán)的制冷量：

（1）CO2制冷循環(huán)的放熱量：

發(fā)生器需要的熱量：

噴射器的引射率：

發(fā)生器需要的附加電能：

式中h1L,h2L,h3L,h4L,——分別為CO2制冷循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的焓值，kJ/kg

h1,h9——分別為水蒸汽噴射制冷循環(huán)的各狀態(tài)點(diǎn)的焓值，kJ/kg

mc——被引射水蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s

mg——發(fā)生器工作水蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s

m0——CO2制冷循環(huán)的質(zhì)量流量，kg/s

QK——CO2制冷循環(huán)的放熱量，kW

Q0——CO2制冷循環(huán)的制冷量，kW

式中A——太陽(yáng)能集熱器的面積，m2

η——太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度，W/m2

Qcol——從太陽(yáng)能獲得的熱量，kW

tcol——集熱器內(nèi)的水溫，取100℃

tw——外界空氣溫度，℃

ηcol——太陽(yáng)能集熱器的效率。

2.2 結(jié)果分析

由于太陽(yáng)能集熱器從太陽(yáng)能獲得的熱量受太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度和外界空氣溫度的影響，為保證穩(wěn)定的制冷效果，發(fā)生器設(shè)有輔助電加熱器，如果發(fā)生器的溫度達(dá)不到設(shè)定的溫度，則溫度傳感器啟動(dòng)電加熱器加熱，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的溫度，斷開(kāi)電加熱器，停止加熱。

通過(guò)計(jì)算得到圖3～圖6的結(jié)果，根據(jù)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(huán)的蒸發(fā)溫度,能夠滿足新疆地區(qū)生產(chǎn)水果的貯存冷藏保鮮的需求。

圖3所示的是發(fā)生器附加電能隨CO2制冷循環(huán)蒸發(fā)溫度的變化，計(jì)算中太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度為600W/m2，噴射器的引射率為0.5，太陽(yáng)能集熱器的面積為50m2，可以看出，附加電能隨CO2制冷循環(huán)蒸發(fā)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(fā)溫度升高，CO2單位制冷量增大，制冷壓縮機(jī)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(fā)換熱器內(nèi)吸收的熱量減少，被引射流體質(zhì)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(zhì)量流量較少，發(fā)生器需要的熱量減少，附加電能減少，蒸發(fā)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(huán)蒸發(fā)溫度的變化

圖4 附加電能隨太陽(yáng)能輻射強(qiáng)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(yáng)能輻射強(qiáng)度的變化，計(jì)算中太陽(yáng)能集熱器的面積為53m2，噴射器的引射率為0.5，蒸發(fā)溫度為-3℃，可以看出，附加電能隨太陽(yáng)能輻射強(qiáng)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(jì)算中太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度為600W/m2，噴射器的引射率為0.5，蒸發(fā)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(yáng)能集熱器面積的減少而增加。

提升性能。光學(xué)透明粘合特性是觸摸屏等電子設(shè)備對(duì)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(xué)膜等高端應(yīng)用。SYL-OFFTM 7795氟硅離型劑(用于有機(jī)硅壓敏膠濕膠涂布)和SYL-OFFTM 7792氟硅離型劑(用于干膠復(fù)合)提供更輕的剝離力，與陶氏有機(jī)硅壓敏膠具有兼容性，可完美解決超輕剝離力應(yīng)用的痛點(diǎn)。

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(fā)溫度為-3℃，當(dāng)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度為600W/m2，噴射器的引射率為0.58，太陽(yáng)能集熱器的面積為48m2，外界空氣溫度為30℃時(shí)，從太陽(yáng)能獲得的熱量能夠滿足發(fā)生器需要的熱量，即附加電能為0kW，以此為基準(zhǔn)，外界空氣溫度每增加1℃，太陽(yáng)能集熱器的面積減小0.5m2，太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度每增加10W/m2，太陽(yáng)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(yáng)能集熱器的面積減小0.8m2。

由此得出，外界環(huán)境溫度、噴射器的引射率和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)太陽(yáng)能熱源水蒸氣噴射CO2水果冷藏制冷系統(tǒng)的運(yùn)行性能有很大的影響，在外界環(huán)境溫度較高，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大的新疆地區(qū)，開(kāi)發(fā)使用高引射率的噴射器，將大大減小太陽(yáng)能集熱器的面積，減少設(shè)備初投資，減少運(yùn)行費(fèi)用。

2.3 使用效果

新疆地域遼闊，盛產(chǎn)多種水果，水果收獲旺季大都是在每年的5～10月，由國(guó)家氣象局氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料得知，新疆大部分地區(qū)5～10月的日最高氣溫大都在28～38℃，吐魯番地區(qū)甚至達(dá)到48℃。新疆地區(qū)的日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射量豐富，更適合利用太陽(yáng)能資源，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能熱源的水果冷藏制冷系統(tǒng)，以節(jié)約電力資源。

為分析新疆地區(qū)水果冷藏太陽(yáng)能熱源水蒸汽噴射CO2制冷系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)2）的使用效果，對(duì)表2中幾個(gè)不同地區(qū)水果冷藏的運(yùn)行性能進(jìn)行計(jì)算，與不利用太陽(yáng)能、發(fā)生器的熱源全部來(lái)自電能的系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)1）的運(yùn)行情況進(jìn)行比較，假設(shè)電價(jià)為0.7元/kWh，設(shè)定太陽(yáng)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(qū)水果冷藏的節(jié)約費(fèi)用情況

通過(guò)表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，與發(fā)生器的熱源全部來(lái)自電能的系統(tǒng)運(yùn)行情況相比，吐魯番地區(qū)葡萄冷藏2個(gè)月節(jié)約電能和運(yùn)行費(fèi)用達(dá)96.2%，哈密地區(qū)哈密瓜冷藏15天節(jié)約電能和運(yùn)行費(fèi)用約94.4%，庫(kù)爾勒地區(qū)香梨冷藏6個(gè)月節(jié)約電能和運(yùn)行費(fèi)用約41.1%，庫(kù)車(chē)地區(qū)白杏冷藏21天節(jié)約電能和運(yùn)行費(fèi)用約74.2%。由于不同地區(qū)環(huán)境溫度不同，水果冷藏太陽(yáng)能熱源水蒸汽噴射CO2制冷系統(tǒng)有一定的差別，但都不同程度地節(jié)約大量能源。

針對(duì)新疆不同地區(qū)的環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和生產(chǎn)水果的特點(diǎn)，合理地選擇冷藏溫度，確定適宜的蒸發(fā)溫度，優(yōu)化選取太陽(yáng)能集熱器的面積，可以減少設(shè)備初投資，減少運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境。

3 結(jié)論

1)利用新疆地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源，以自然工質(zhì)水和CO2為循環(huán)工質(zhì)的水果冷藏制冷系統(tǒng)，可為新疆不同地區(qū)生產(chǎn)的水果提供所需適宜的冷藏環(huán)境。

2)CO2制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，外界環(huán)境空氣溫度升高，太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度增加,噴射器的引射率提高，可使系統(tǒng)的耗能減小，太陽(yáng)能集熱器的面積減小，設(shè)備的投資減少。

3)針對(duì)新疆不同地區(qū)的環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度特點(diǎn)以及生產(chǎn)水果的品種所需的冷藏保鮮特點(diǎn)，確定適宜的CO2制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度，優(yōu)化選取太陽(yáng)能集熱器的面積，開(kāi)發(fā)高引射率的噴射器，以減少設(shè)備初投資，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

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