無分凝器的氨水吸收式制冷循環系統研究

王安光，孫文哲

（上海海事大學 商船學院，上海201306）

1 引言

自從1859年法國Ferdinand Carre發明了氨/水工質對吸收式制冷機[1]，人們對氨水吸收式制冷系統的研究和改進就從未停止過。R.M.Lazzarin對Arkla公司生產的一臺風冷式氨水制冷機組進行了性能研究；Adewusi和Zubair應用熱力學第二定律研究了當某些設計參數發生改變時，單級式和雙級式氨水吸收式制冷系統的性能。在我國，東南大學的楊思文從理論上研究了氨水吸收式制冷系統的性能，系統地闡述了氨水吸收式制冷機的基礎和設計。北京化工大學的武向紅對單級氨水吸收式制冷循環進行了模擬計算分析。在此基礎上，本文對一種無分凝器的氨水吸收式制冷循環進行模擬計算分析[2～8]，并與常規循環系統進行對比。

2 系統結構及循環流程簡介

圖1為常規循環系統，其工作原理及流程顯而易見。圖2為無分凝器循環系統，其工作原理及流程為：由吸收器流出的濃氨水溶液經溶液泵加壓，流經溶液熱交換器與來自發生器的稀氨水溶液換熱后，與精餾段流下的氨水溶液一起流入發生器，在此過程中與發生器中溶液蒸發出來的蒸汽接觸，進行熱質交換，使得溶液中氨濃度逐漸降低，而上升蒸汽中的氨濃度逐漸升高。經過與來自氣液分離器的低溫氨水溶液進行熱質交換，溫度繼續降低，由于壓力不變，精餾塔頂部氨蒸汽的濃度逐漸升高，這樣，既達到了精餾的目的，又回收了精餾熱，且避免了外界溫度變化對精餾塔內部溫度的影響，系統運行的穩定性大大提高。由精餾塔流出的氨蒸汽在冷凝器中冷凝為飽和液體，經過冷器實現過冷，增加了制冷量；后流經節流閥進入蒸發器。由蒸發器流出的氨水溶液的兩相混合物在氣液分離器中分離，溶液由溶液泵加壓輸送至精餾塔，蒸汽混合物流經過冷器，在吸收器中被來自精餾塔的稀氨水溶液吸收，以此完成循環。

圖1 常規單級氨水吸收式制冷循環

圖2 無分凝器的氨水吸收式制冷循環

3 條件假設

為對系統進行分析，設定及假設以下條件：設定制冷量為1 000kW；冷卻水溫度32℃；制冷溫度－23℃；熱源為th＝150℃的飽和蒸汽；發生過程中參與發生的溶液濃度不發生變化；從發生器中流出的稀溶液濃度不發生變化，并處于飽和狀態；冷凝器出口氨液處于飽和態；蒸發溫度滑移取2℃；溶液熱交換器效率取95%，不考慮溶液泵的能耗。

4 數學模型

根據能量守恒和質量守恒建立各部件的熱力學模型。無分凝器循環系統中：

精餾塔：

冷凝器：

過冷器：

節流閥：

蒸發器：

吸收器：

溶液熱交換器：

性能系數：

蒸發器排液比：

常規循環系統與上述方法相同。

5 模擬計算

用C＋＋軟件編程，通過調用氨水溶液物性參數計算程序“NH3H2O.h”，計算各狀態點物性參數，進而計算系統中各部件的負荷和COP。結果見表1，2。

表1 各狀態點參數模擬計算結果

表2 各部件負荷計算結果 kW

6 兩種循環系統的比較

（1）在發生溫度為150℃，冷卻水進口溫度32℃，蒸發溫度為－23℃工況下，常規循環系統COP為0.345，無分凝器循環系統COP為0.328比前者低約4.9%，冷凝器負荷明顯增加，發生器和吸收器熱負荷略有增加。

（2）從系統的經濟性方面考慮，無分凝器循環略遜一籌，但從系統運行的穩定性方面考慮，常規循環系統則比較遜色。與常規循環系統相比，無分凝器循環系統精餾所需的冷量完全由蒸發器排液提供，這樣，既簡化了冷卻水系統和控制系統，又回收了精餾熱，且避免了外界溫度變化對精餾塔內部溫度的影響，系統運行的穩定性大大提高。

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