基于GAX循環的噴射—吸收式氨水制冷循環研究

繆寶龍,孫文哲,韓笑生,段 龍,遲翠華

(上海海事大學,上海201306)

引言

隨著世界經濟的快速發展,人類已面臨著日益嚴重的全球氣候變暖和化石能源枯竭的威脅,節約能源、保護環境已越來越受人們的重視!因此,太陽能、地熱和工業廢熱等低品位能源的利用已被人們所關注。而吸收式制冷,以其具有可直接利用低品位熱源驅動、不使用對臭氧層有破壞作用的CFCs為工質等獨特的優點,也越來越受到國際研究工作者的青睞。研究如何高效利用工業余熱、太陽能和地熱,采用吸收式制冷循環進行制冷,提高吸收式制冷循環的性能系數 (COP),減小制冷設備的體積,對加快CFC替代進程、節約能源具有重要的現實意義。目前最為常用的吸收式制冷系統為溴化鋰吸收式制冷系統和氨水吸收式制冷系統。前者制冷溫度由于受到制冷劑的限制,不能低于5℃,一般僅用于空調,后者的制冷溫度范圍非常大(10～-50℃),不僅可用于空調,而且更重要的是可用于0℃以下的普通制冷場合。因此,在冷凍冷藏業蓬勃發展的今天,對氨水吸收式制冷系統的研究無疑具有更加重大的意義。

1 傳統吸收式制冷與噴射器的介紹

氨水吸收式制冷系統主要由四個熱交換設備組成,即發生器、冷凝器、蒸發器和吸收器,組成兩個循環環路:制冷劑循環和吸收劑循環。它以氨水溶液的熱力學特性為基礎,即在常溫下氨水溶液能夠強烈地吸收氨蒸氣,而在高溫下又可以將氨蒸氣釋放出來,由熱能驅動以實現制冷的目的。制冷劑循環,從發生器產生的高溫高壓氨蒸氣流入冷凝器,在冷凝器中被冷卻介質冷卻成液態,然后經節流閥節流降壓后流入蒸發器,在低壓下蒸發吸熱,吸取被冷卻介質的熱量產生制冷效果。吸收劑循環,從發生器流出的稀氨水溶液不斷吸收蒸發器產生的低壓氨蒸氣,維持蒸發器內低壓狀態,稀溶液吸收氨蒸氣后變成濃溶液經溶液泵升壓后進入發生器,在發生器中被加熱,產生氨蒸氣,而剩下的稀氨水溶液返回吸收器再次吸收低壓氨蒸氣。

如圖1所示,發生器-精餾塔包括發生器1、精餾器 (提餾段a和精餾段b)、分凝器c三部分。精餾過程如下:從吸收器流出的濃溶液由提餾段a進入精餾塔,與精餾段b流下的溶液一起沿提餾段流至發生器1,在此過程中與發生器中溶液蒸發出來的蒸氣相接觸,進行熱、質交換,使得溶液濃度逐漸變稀,而上升蒸氣的濃度逐漸變濃。產生的氨蒸氣繼續上升至精餾段b,與來自分凝器c的回流液進行熱、質交換,濃度進一步提高,同時回流液濃度逐漸降低,最后,部分上升蒸氣在精餾塔頂部的分凝器c中被冷凝成回流液后,產生比較純的氨蒸氣從塔頂排出。而在發生器-精餾塔底部則排出濃度為ξ1的稀溶液,被送入吸收器內吸收氨蒸氣。

圖1 氨水吸收式制冷循環流程圖

從精餾塔頂排出的氨蒸氣進入冷凝器4中冷凝,冷凝熱 qk被冷卻水帶走。冷凝后的氨液在過冷器7中與來自蒸發器的氨蒸氣進行熱交換,成為過冷液體,再經節流閥節流,壓力由冷凝壓力 Pk降至蒸發壓力P0,形成濕蒸氣,然后進入蒸發器5吸收被冷卻物體的熱量 q0而蒸發,于是產生制冷效應。完成制冷后的氨蒸氣在過冷器受熱并進入吸收器3。同時從發生器-精餾塔底部出來的稀溶液,經過溶液熱交換器6冷卻和節流閥減壓后,進入吸收器。稀溶液吸收氨蒸氣后成為ξ2的濃溶液,經溶液泵升壓,并在溶液熱交換器中與來自發生器-精餾塔的稀溶液換熱,最后在送入發生器-精餾塔內發生、精餾,如此進行循環。

噴射器是將不同壓力的兩股流體相互混合,并發生能量交換,以形成一股居中壓力流體的裝置。進入裝置前壓力高的流體叫工作流體,壓力低的叫引射流體。提高引射流體的壓力而不消耗機械能,這是噴射器最主要的根本性質。由于具有這種性質,在很多技術部門中,采用噴射器比采用機械的增壓設備 (壓縮機,泵,鼓風機,引風機等),使有可能得到更為簡單可靠的技術解決辦法。除了本身結構簡單外,噴射器與各種設備連接的系統也很簡單,制造也不復雜。這些使有可能在工程上的廣泛技術領域中使用這些噴射器。

圖2 噴射器的結構示意圖及其中蒸汽壓力和速度的變化過程

傳統噴射式制冷由鍋爐供給的壓力較高的水蒸汽 (稱為工作蒸汽)進入主噴射器中,在拉瓦爾噴嘴中絕熱膨脹,利用這一高速汽流不斷從蒸發器中抽汽,在其中保持較高的真空,即較低的蒸發壓力。從制冷裝置來的冷水,經節流減壓后進入蒸發器,其中一部分蒸發并吸收其余水的熱量而使之溫度降低。降溫后的冷水由泵輸出,供給冷量之后反復使用。在噴射器中的工作蒸汽連同從蒸發器中抽吸的蒸汽,一起流經擴壓管使壓力升高到冷凝壓力(仍為真空),進入冷凝器中與冷卻水直接接觸并凝結于冷卻水中。冷凝器中的不凝性氣體用一兩級輔助噴射器抽除,以使冷凝器保持一定的真空度。

2 一種新的基于GAX循環的噴射—吸收式氨水循環

本文所研究的噴射—吸收式氨水制冷循環是基于噴射—吸收、GAX循環和能量分級利用的基本理論,提出的一種新型循環。循環中主要設備包括:高/低溫發生器、精餾塔、冷凝器、蒸發器、GAX換熱器、吸收器、噴射器以及溶液熱交換器。具體流程見圖3。

圖3 噴射—吸收式氨水制冷循環流程圖

與常規氨水吸收式制冷循環相比,該循環增加了噴射器、GAX換熱器和一個發生器。如圖所示,高溫煙氣依次通過高低溫發生器,實現了熱量的分級利用。由吸收器流出的濃氨水溶液經溶液泵加壓后,先經過GAX換熱器,吸收部分吸收熱,再經過溶液熱交換器,與來自高溫發生器的高溫稀溶液進行熱量交換,然后流入低溫發生器進行一次發生。高壓濃溶液在低溫發生器中經煙氣加熱后達到過熱,流入精餾塔閃發分離,高濃度的氨蒸氣上升進入精餾段與回流冷凝器冷凝下來的氨水溶液進行熱質交換,溫度逐漸降低,濃度逐漸升高直至達到99.8%以上。由塔頂流出的高濃度的氨蒸氣進入冷凝器,冷凝為氨液,經膨脹閥節流后進入蒸發器蒸發制冷。精餾塔底部中等濃度的氨水溶液流入高溫發生器,在高溫煙氣的加熱下進行二次發生。產生的高溫高壓的氨蒸氣流向噴射器,作為其工作蒸汽從噴嘴高速噴出,在噴嘴周圍形成低壓,引射蒸發器中的氨蒸氣。兩股蒸氣在噴射器混合室混合,經擴壓室增壓后分成兩路,一路進入GAX換熱器,被來自高溫發生器的稀溶液吸收;另一路進入吸收器,被來自GAX換熱器的氨水溶液進一步吸收,最終形成濃溶液,以此循環往復。循環的h-ξ圖如圖4所示。

圖4 噴射—吸收式氨水制冷循環的h-ξ圖

本文所研究的制冷循環與常規循環相比,增加了噴射器、GAX換熱器和一個發生器。其精餾、冷凝、節流過程、溶液泵輸送溶液的過程與常規循環一致,但發生過程、噴射—吸收過程、GAX換熱過程、稀/濃溶液熱交換過程與常規循環有所不同,需特別考慮。

1)發生過程

該循環采用兩級發生,提高了能量的利用率。兩級發生加上噴射器的引入,使得循環的放氣范圍大大增加,更有利于采用GAX循環。由于吸收器流出的濃溶液濃度較高,循環中6、7、8點溶液一般均為過熱狀態,其對應的飽和兩相態均在h-ξ圖上標出 (a-飽和蒸汽,b-飽和溶液)。由溶液熱交換器流出的過熱濃溶液 (7狀態ξr),經低溫發生器加熱后,進一步過熱,在精餾塔內閃發分離,精餾塔底部中等濃度的溶液 (9狀態 ξw′)進入高溫發生器二次發生,產生的濃度較低的蒸汽充當噴射器的工作蒸汽,這一點與常規噴射—吸收式制冷循環不同。常規循環一般采用一部分精餾塔出口高濃度的氨蒸氣作為噴射器工作蒸汽,這樣造成了精餾熱的浪費。

2)噴射—吸收過程

在常規循環中,出溶液換熱器12狀態的稀溶液經溶液節流閥節流后進入吸收器與來自噴射器的氨蒸汽進行混合吸收,吸收放出的熱量由冷卻水帶走,理想情況下,吸收終了狀態可達到吸收壓力Pa和進吸收器冷卻水溫度下的飽和溶液,其濃度為 ξr。

在本文所研究的循環中,吸收終了5狀態的濃溶液在GAX換熱器中獲取部分吸收熱,有助于提高循環的性能COP。由理論分析可知,12狀態稀溶液經節流閥,壓力降至Pa,狀態為12a(在hξ圖上12與12a狀態點重合),12a狀態稀溶液和4狀態氨蒸汽等壓絕熱混合所達到的狀態為過ξr等濃度線與12a-4連線的交點13a,13a狀態點的相應溫度t13a是在GAX換熱器內可能達到的最高溫度。該循環吸收過程的等壓放熱過程被分為兩個過程,先對GAX換熱器進行放熱,溫度降低后,再對冷卻水進行放熱,成為低溫低壓的飽和濃溶液。

3)GAX換熱過程

在該循環中,吸收終了的濃溶液 (5狀態)經溶液泵加壓后進入GAX換熱器,吸收一部分吸收熱,從而提高溶液熱交換器入口處的濃溶液焓值(從狀態點5提高到狀態點6),因此可提高進入發生器的濃溶液 (狀態點7)的焓值,減少發生器的發生熱Qg,進而提高循環的熱力系數。本循環的GAX換熱器采用逆流式換熱,所以GAX換熱器出口狀態點6的溫度 t6必然比吸收器內可能達到的最高溫度 t13a低,在此假設:GAX熱端換熱溫差tGAX=t13a-t6≥5℃。圖4中5a-6即為濃溶液在GAX換熱器中加熱過程。

4)稀/濃溶液熱交換過程

在溶液熱交換器中,發生終了溫度較高的11狀態稀溶液與GAX換熱器流出的6狀態溫度較低的濃溶液進行熱交換,使發生器、吸收器的熱負荷大大減少,從而提高熱力系數。與常規循環不同的是,由于GAX循環的引入,使得溶液熱交換器的負荷比常規循環大大減小。圖4中,11-12為稀溶液的冷卻過程,6-7為濃溶液的加熱過程。

3 前景展望

目前以及之前很長一段時間,氨水吸收制冷一般都用于大型的制冷系統,但傳統的氨水吸收式制冷系統,因其系統中的設備多,體積大,鋼材消耗量大,制冷循環的COP值較低,而在我國應用得不多。如何克服氨水吸收式制冷系統的缺點,提高氨水吸收式制冷系統的COP值,是在我國推廣應用氨水吸收式制冷系統進行低品位能源制冷的關鍵所在。在這個提倡節能減排、保護環境的時代,氨水吸收式制冷重新被提上日程,尤其是其在冷凍、冷藏、空調等領域的應用問題,對氨水吸收式制冷系統提出了更高的要求,采用GAX循環、引入噴射器形成復合循環,已是眾多學者共同研究的主題,氨水吸收式制冷系統廣泛應用于冷凍冷藏和空調領域,已勢在必行。

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