风冷式冷凝器辅助的复合制冷系统特性

0 引言

随着能源与环境问题日益加剧，可再生能源的利用成为全世界共同关注的焦点[1]。在可再生能源利用方面，太阳能吸收制冷是较理想的技术途径，但是，传统的太阳能吸收制冷用于建筑空调供冷时，其效率较低且具有间歇性，需要设置蓄能装置或增加辅助热源，因此其应用受到限制。为了延长机组的供冷时间，扩大太阳能使用温区范围，国内外研究者提出了吸收/压缩复叠制冷循环并对其性能进行了研究。文献[2-3]提出一种单效吸收/压缩复叠制冷循环，通过将压缩子系统的冷凝器与吸收子系统的蒸发器耦合，降低压缩子系统冷凝器的冷凝温度和压力，提高了压缩制冷子系统的性能。文献[4]提出一种由低品位热驱动的复合制冷系统，包含一个跨临界CO2压缩热泵子系统和一个两级H2O-LiBr吸收子系统，研究结果表明：当冷冻水温度为5～7 ℃、热源温度为50～60 ℃时，与传统吸收制冷系统相比，系统性能因数(coefficient of performance,COP)提高了25%～35%。文献[5]对闭式复叠制冷循环的不同工质进行了理论对比分析，吸收子循环采用H2O-LiBr和NH3-H2O作为工质对，压缩子循环采用R134a、R410A和NH3作为制冷剂，经过计算得出：当冷凝温度为40 ℃、蒸发温度为-10 ℃时，与传统的蒸汽压缩制冷系统相比，复叠系统的电能消耗减少了48%～51%。文献[6-7]提出了一种吸收/压缩复叠热泵，该系统在大多数情况下可制冷和供热，且在大多数供冷条件下，新型复合系统的COP较传统蒸汽压缩制冷系统的COP高10%；在所有供热工况下，系统COP则较其压缩子系统COP高20%以上。文献[8]提出了一种太阳能辅助的复合制冷系统，该系统将吸收式制冷系统与压缩制冷系统复叠，并增设制冷剂和溶液贮存箱以储存潜热，以便系统在无日照的时候使用，保证系统运行的连续性。此外，国内外学者在机组优化设计、制冷机种类对系统性能的影响以及复叠系统性能模拟等方面进行了研究[9-14]。

上述研究表明：既有的太阳能吸收/压缩复叠制冷系统，仍然需要设置储能装置或辅助热源等来解决太阳能间歇性问题，使得太阳能有效利用十分有限。基于上述问题，本文提出风冷式冷凝器辅助的复合制冷系统，研究组成新系统的吸收制冷循环的发生温度、冷凝温度、蒸发温度以及风冷电压缩制冷子系统的冷凝温度对新系统循环性能的影响。

1 循环流程

图1 风冷式冷凝器辅助的复合制冷系统原理图

风冷式冷凝器辅助的复合制冷系统原理图如图1所示，该系统包括吸收/压缩复叠制冷子系统和并联式的风冷电压缩制冷子系统[15]，这两个压缩制冷子系统共用蒸发器且独立运行，其中，吸收/压缩复叠制冷子系统由太阳能单效溴化锂吸收制冷循环和电压缩制冷循环复叠而成，以溴化锂/水为工质对、R134a为制冷剂。该新系统的优点在于扩大太阳能单效溴化锂吸收制冷循环的工作温区并延长工作时间，解决传统的吸收/压缩复叠制冷循环所存在的间歇性工作问题。为提高太阳能利用率并延长太阳能有效利用时间，达到有太阳能就用太阳能之目的，该系统的运行模式为：太阳能充足条件下，吸收/压缩复叠制冷子系统单独运行，承担建筑空调冷负荷；无太阳能条件下，风冷电压缩制冷子系统单独运行，承担建筑空调冷负荷；太阳能不充足条件下，吸收/压缩复叠制冷子系统和风冷电压缩制冷子系统耦合运行，共同承担建筑空调冷负荷。

2 热力学数学模型

基于能量守恒与质量守恒原理，分别建立构成风冷式冷凝器辅助的复合制冷系统的各部件热力学数学模型。

2.1 太阳能单效溴化锂吸收制冷循环

发生器：

Dh1 +Gsh8 =Qg +Gwh7 ；

(1)

Dx1 +Gsx8 =Gwx7 ，

(2)

其中：D为冷剂水流量，kg/s；h为比焓，kJ/kg；Gs为浓溶液流量，kg/s；Qg为发生器负荷，kW；Gw为稀溶液流量，kg/s；下标i为状态点。

吸收器：

Dh4 +Gsh10=Qa +Gwh5 ；

(3)

Dx4 +Gsx10 =Gwx5 ，

(4)

其中：Qa为吸收器负荷，kW；x为质量分数，%。

溶液热交换器：

Gwh7 -Gwh6 =Gsh8 -Gsh9 。

(5)

蒸发冷凝器：

QC-E =Dh3 -Dh4，

(6)

其中：QC-E为蒸发冷凝器负荷，kW。

冷凝器：

QC2 =Dh1-Dh2，

(7)

其中：QC2为冷凝器2的负荷，kW。

节流阀3：

Dh2=Dh3 。

(8)

2.2 与吸收制冷循环所复叠的电压缩制冷循环

蒸发器：

QE,ca=Mcah15 -Mcah13，

(9)

其中：QE,ca为与吸收制冷循环所复叠的压缩制冷循环中的蒸发器负荷，kW；Mca为与吸收制冷循环所复叠的压缩制冷循环中制冷剂的流量，kg/s。

蒸发冷凝器：

QC-E=Mcah11-Mcah12。

(10)

压缩机：

W com1=Mcah11-Mcah17，

(11)

其中：Wcom1为压缩机1的功率，kW。

节流阀：

Mcah12=Mcah13 。

(12)

2.3 风冷电压缩制冷子系统

蒸发器：

QE,wd=Mwdh15-Mwdh22，

(13)

其中：QE,wd为风冷电压缩制冷子系统的蒸发器负荷，kW；Mwd为风冷电压缩制冷子系统中制冷剂的流量，kg/s。

冷凝器：

QC,wd =Mwdh20-Mwdh21，

(14)

其中：QC,wd为风冷电压缩制冷子系统的冷凝器负荷，kW。

压缩机：

Wcom2=Mwdh20-Mwdh19，

(15)

其中：Wcom2为压缩机2的功率，kW。

节流阀：

Mwdh21=Mwdh22 。

(16)

系统制冷量：

Qnov =(Mca+Mwd)(h15-h14)，

(17)

其中：Qnov为系统制冷量，kW。

系统功耗：

Wnov= Wcom1+Wcom2+WP，

(18)

其中：Wnov为压缩机总功耗，kW；WP为吸收制冷循环溶液泵的功率，kW。

由于热能和电能的品位不同，为了合理评价吸收制冷循环和电压缩制冷循环制冷效率，将评价吸收制冷循环的制冷效率指标定义为热性能因数COPTH，评价电压缩制冷循环的制冷效率指标定义为机械性能因数COPME：

(19)

(20)

风冷电压缩制冷子系统的供冷率ηwd,c定义为风冷电压缩制冷子系统制冷量QE,wd占新型复合制冷系统总制冷量Qnov的比例：

(21)

新型复合制冷系统节能率μcom定义为新型复合制冷系统压缩机节省能耗与传统风冷压缩制冷系统压缩机能耗之比：

(22)

其中：WVCR为传统风冷制冷循环压缩机总功耗，kW。

3 系统性能的影响因素分析

3.1 发生温度对系统性能的影响

已知太阳能集热器集热量为100 kW,蒸发器蒸发温度T15=5 ℃、制冷量74 kW，风冷电压缩制冷子系统冷凝温度T21=50 ℃，吸收/压缩复叠制冷子系统吸收制冷循环的冷凝温度T2 =44 ℃、蒸发冷凝器蒸发温度T4 =20 ℃、吸收温度T5=43 ℃。传统吸收制冷循环的蒸发温度为5 ℃，分析吸收制冷循环发生温度对系统性能的影响。

图2 发生温度对新系统功耗的影响

图2为发生温度对新系统功耗的影响。如图2所示，随着发生温度的增加，新系统总功耗与风冷电压缩制冷子系统的功耗均不断减小。当发生温度较低时，组成吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环无法启动运行，建筑空调所需冷量全部由风冷电压缩制冷子系统承担，所以，新系统总功耗等于风冷电压缩制冷子系统功耗。随着发生温度不断增加，吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环启动工作，并制取较高温度冷量用于带走与之复叠的压缩制冷循环冷凝热，由于与吸收制冷循环复叠的压缩制冷循环的冷凝温度t12较风冷压缩子系统的冷凝温度t21低25 ℃，故前者的比功率小于后者。随着发生温度的增加，吸收制冷循环复叠的压缩制冷循环所承担的建筑空调冷负荷逐渐增加，风冷电压缩制冷子系统所需承担的建筑空调冷负荷逐渐减少，因此，风冷电压缩制冷子系统功耗逐渐下降，新系统总功耗逐渐减少。当发生温度超过91 ℃，吸收/压缩复叠制冷子系统完全提供建筑空调所需制冷量，而风冷电压缩制冷子系统不再工作，由于与吸收制冷循环所复叠的压缩制冷循环的机械性能因数COPME1不变，故新系统所需的功耗达到最小值7.377 kW。然而，发生温度增加必然引起集热器集热效率下降，从而引起集热器面积和初投资的增加。

图3 发生温度对COP的影响

图3为发生温度对COP的影响。如图3所示，随着发生温度的增加，吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环热性能因数COPTHN与传统吸收制冷循环热性能因数COPTHC先急剧增长后趋于平缓。这是因为随着发生温度的增加，吸收制冷循环制冷量增大，在给定集热器集热量时，吸收制冷循环热性能因数COP增大。并且，新系统的吸收制冷循环热性能因数COPTHN明显高于传统吸收制冷循环热性能因数COPTHC，吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环所需要发生温度也低于传统吸收制冷循环，这是由于吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环蒸发温度较传统吸收制冷循环高15 ℃。可见，增加吸收制冷循环蒸发温度是提高吸收制冷循环制冷效率、降低发生温度和扩大太阳能吸收制冷循环工作温区(时间)的有效手段。尤其重要的是，新系统机械性能因数COPME随发生温度的增加不断上升。这是因为随着发生温度的增加，吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环所制取制冷量增加，带走与吸收制冷循环复叠的电压缩制冷循环冷凝热，也就意味着与吸收制冷循环复叠的电压缩制冷循环可提供更多制冷量用于建筑空调供冷。相应的，在建筑空调所需总制冷量一定时，风冷电压缩制冷子系统所提供的制冷量减少，其功耗降低，因此，新系统总功耗逐渐下降，机械性能因数COPME逐渐增大。

图4 发生温度对风冷电压缩制冷子系统供冷率ηwd,c的影响

图4为发生温度对风冷电压缩制冷子系统供冷率ηwd,c的影响。如图4所示，随着发生温度的增加，风冷电压缩制冷子系统的供冷率ηwd,c从1.0逐渐减小到0。当发生温度低于70 ℃时，吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环不工作，由风冷电压缩制冷子系统完全提供建筑空调所需的制冷量，故ηwd,c=1.0。当发生温度低于91.0 ℃且高于70 ℃时，吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环开始工作，吸收/压缩复叠制冷子系统提供的制冷量逐渐增加，风冷电压缩制冷子系统提供的制冷量逐渐减少，ηwd,c逐渐降低。当发生温度高于91.0 ℃时，吸收/压缩复叠制冷子系统提供全部的建筑空调所需制冷量，此时，ηwd,c=0，表明风冷电压缩制冷子系统停止运行。

3.2 吸收制冷循环冷凝温度对系统性能的影响

已知太阳能集热器集热量为100 kW,蒸发器蒸发温度为T15=5 ℃、制冷量74 kW，风冷电压缩制冷子系统冷凝温度T21=50 ℃，吸收/压缩复叠制冷子系统吸收制冷循环的发生温度T1=90 ℃、蒸发冷凝器蒸发温度T4 =20 ℃、吸收温度T5=43 ℃。传统吸收制冷循环的蒸发温度为5 ℃，分析吸收制冷循环冷凝温度对系统性能的影响。

图5 吸收制冷循环冷凝温度对系统功耗的影响

图5为吸收制冷循环冷凝温度对系统功耗的影响。如图5所示，随着冷凝温度T2的升高，新系统总功耗与风冷电压缩制冷子系统的功耗均先缓慢增加而后显著增加，曲线由平坦逐渐变得陡直。当吸收制冷循环冷凝温度T2低于43.8 ℃时，吸收/压缩复叠制冷子系统能够完全承担建筑空调冷负荷，风冷电压缩制冷子系统的功耗为0 kW。当冷凝温度T2高于43.8 ℃且低于62.0 ℃时，随着吸收制冷循环冷凝温度的增加，新系统吸收制冷循环热性能因数下降，其制取的较高制冷温度的冷量减少，其所有带走与之复叠的压缩制冷循环的冷凝热减少，因此，所制取的制冷量也下降。虽然与吸收制冷循环所复叠压缩制冷循环的机械性能因数COPME1不变，但是其所制取的制冷量减少，必然导致与吸收制冷循环所复叠压缩制冷循环的功耗减少。相反，风冷压缩制冷子系统所需承担的冷负荷逐渐增加，由于与吸收制冷循环复叠的压缩制冷循环的冷凝温度t12低于风冷压缩子系统的冷凝温度t21，因此前者的比功率小于后者。新系统总功耗势必会因风冷压缩制冷子系统功耗的增加而增加，甚至会因吸收制冷循环冷凝温度增加到59.0 ℃时，吸收制冷循环热性能因数COPTHN急剧下降，引起风冷压缩制冷子系统所需承担的冷负荷急剧增加，从而带来新系统功耗显著增加。当冷凝温度T2高于62.0 ℃时，吸收/压缩复叠制冷子系统停止工作，风冷电压缩制冷系统完全提供建筑空调所需的制冷量，新系统功耗达到最大值。

图6为吸收制冷循环的冷凝温度对COP的影响。如图6所示，随吸收制冷循环冷凝温度T2的升高，吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环热性能因数COPTHN与传统吸收制冷循环热性能因数COPTHC呈现出相同变化趋势，即先缓慢降低而后急剧下降。这是因为随着吸收制冷循环冷凝温度的增加，吸收制冷循环制冷量减少，在给定集热器集热量时，吸收制冷循环热性能因数COP下降。并且，新系统的吸收制冷循环热性能因数COPTHN明显高于传统吸收制冷循环热性能因数COPTHC，吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环极限(最高)冷凝温度较传统吸收制冷循环极限冷凝温度高约16.0 ℃，可见，在一定冷凝温度范围内，吸收制冷循环较高的蒸发温度削弱了吸收制冷循环冷凝温度对新系统循环性能的影响。由图6还可知：随吸收制冷循环冷凝温度的增加，新系统机械性能因数COPME呈现先缓慢下降后急剧减少的趋势。这是因为随着冷凝温度的增加，吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环所制取的制冷量逐渐降低，带走的与吸收制冷循环复叠的电压缩制冷循环冷凝热随之减少，与吸收制冷循环所复叠的电压缩制冷循环提供用于建筑空调的制冷量不断下降。相应的，在建筑空调所需总制冷量一定时，风冷电压缩制冷子系统所提供的制冷量增加，虽然与吸收制冷循环所复叠压缩制冷循环的机械性能因数COPME不变，但是，吸收制冷循环所复叠压缩制冷循环的比功率小于风冷电压缩制冷子系统的比功率，因此，新系统总功耗逐渐增加，新系统的机械性能因数COPME逐渐减少，直至冷凝温度增加至62.0 ℃，仅风冷电压缩制冷子系统提供建筑空调所需全部制冷量，新系统的机械性能因数达到最小值。

图6 吸收制冷循环的冷凝温度对COP的影响

3.3 蒸发冷凝器的蒸发温度对系统性能的影响

已知太阳能集热器集热量为50 kW,总制冷量为74 kW，蒸发器蒸发温度为T15=5 ℃，吸收/压缩复叠制冷子系统吸收制冷循环的发生温度T1=90 ℃、冷凝温度T2=44 ℃、吸收温度T5=43 ℃，风冷电压缩制冷子系统冷凝温度T21=50 ℃,分析蒸发冷凝器蒸发温度对系统性能的影响。

图7为蒸发冷凝器蒸发温度T4对系统功耗的影响。如图7所示，随蒸发冷凝器蒸发温度T4的增加，风冷电压缩制冷子系统的功耗减小，而新系统总功耗增大。随蒸发冷凝器蒸发温度T4的增加，在给定太阳能集热量、发生温度和外界环境温度的条件下，吸收/压缩复叠制冷子系统的吸收制冷循环所制取的制冷量增加，可以带走更多的与吸收制冷循环所复叠的电压缩制冷循环冷凝热，与吸收制冷循环所复叠的电压缩制冷循环提供更多制冷量用于建筑空调。当建筑空调所需总制冷量一定时，风冷电压缩制冷子系统所提供的制冷量减少，风冷电压缩制冷子系统的功耗降低，虽然吸收/压缩复叠制冷子系统制取更多制冷量，但是，蒸发冷凝器蒸发温度的增加引起了与吸收制冷循环所复叠的电压缩制冷循环冷凝温度增加，其压缩比增加，引起单位质量的制冷剂制冷量的功耗增加，尽管风冷电压缩制冷子系统功耗减少，但其单位质量制冷剂的功耗不变，所以导致新系统的总功耗逐渐上升。

图8为蒸发冷凝器蒸发温度T4对COP的影响。如图8所示，随着蒸发冷凝器蒸发温度T4的增加，吸收/压缩复叠制冷子系统制冷量增大，其热性能因数COPTHN上升，与吸收制冷循环所复叠的电压缩制冷循环冷凝温度增加，虽然其制取用于建筑空调的制冷量增加，但其单位质量制冷剂的制冷量功耗增加，而风冷电压缩制冷子系统性能不受影响，单位质量制冷剂的制冷量的功耗不变，但该部分功耗减少。可见，与吸收制冷循环所复叠的电压缩制冷循环功耗增加量大于风冷电压缩制冷子系统功耗的减少量，新系统总功耗增加，新系统机械性能因数COPME呈现减小的趋势。

图7 蒸发冷凝器蒸发温度T4对系统功耗的影响图8 蒸发冷凝器蒸发温度T4对COP的影响

3.4 风冷电压缩制冷子系统冷凝温度对系统性能的影响

已知太阳能集热器集热量为50 kW,蒸发器蒸发温度为T15=5 ℃、总制冷量为74 kW，吸收/压缩复叠制冷子系统吸收制冷循环的发生温度T1=90 ℃、冷凝温度T2=44 ℃、蒸发冷凝器蒸发温度T4=20 ℃、吸收温度T5=43 ℃，分析风冷电压缩制冷子系统冷凝温度对系统性能的影响。

图9为风冷电压缩制冷子系统冷凝温度T21对功耗的影响。如图9所示，随着风冷电压缩制冷子系统冷凝温度T21的增大，新系统总功耗呈线性增加趋势。这是由于吸收/压缩复叠制冷子系统所提供的建筑冷空调制冷量不变化，其功耗保持不变，因此，在总制冷量一定时，风冷电压缩制冷子系统所提供的制冷量不变。但是，由于风冷电压缩制冷子系统的冷凝温度增加，必然引起风冷电压缩制冷子系统机械性能因数COPME2下降，因此，风冷电压缩制冷子系统功耗增加，新系统总功耗逐渐增加。

图10为风冷电压缩制冷子系统冷凝温度T21对COP的影响。如图10所示，随着电压缩制冷子系统冷凝温度T21的增大，吸收/压缩复叠制冷子系统吸收制冷循环热性能因数COPTHN保持不变，而新系统机械性能因数COPME呈线性下降趋势。原因在于：风冷电压缩制冷子系统冷凝温度T21的改变并不对吸收/压缩复叠制冷子系统性能产生影响，故吸收/压缩复叠制冷子系统的功耗保持不变，在风冷电压缩制冷子系统所提供的制冷量不变时，由于风冷电压缩制冷子系统的冷凝温度增加，引起压缩机压缩比增加，从而使得风冷电压缩制冷子系统功耗增加，新系统的总功耗上升，故新系统的机械性能因数COPME逐渐减小。

图9 风冷电压缩制冷子系统冷凝温度T21对功耗的影响

图10 风冷电压缩制冷子系统冷凝温度T21对COP的影响

4 结论

(1)增加吸收制冷循环的发生温度，可以降低新系统总功耗，但会引起太阳能集热器面积和初投资的增加。增加吸收制冷循环的蒸发温度，或降低吸收制冷循环的冷凝温度，或降低风冷电压缩制冷子系统的冷凝温度，均会引起新系统总功耗下降。

(2)增加吸收制冷循环蒸发温度是提高吸收制冷循环制冷效率、降低发生温度和扩大太阳能吸收制冷循环工作温区(时间)的有效手段。在一定冷凝温度范围内，吸收制冷循环较高的蒸发温度削弱了吸收制冷循环冷凝温度对新系统循环性能的影响。