新型低品位熱驅動CO2-［em im］［Tf2N］吸收制冷循環性能

何麗娟，袁致林，龐赟佶，王 征，高 嵩

（1.內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古包頭 014010；2.倫敦大學學院機械工程學系，倫敦WC1E 7JE）

新型低品位熱驅動CO2-［em im］［Tf2N］吸收制冷循環性能

何麗娟1，袁致林1，龐赟佶1，王 征2，高 嵩1

（1.內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古包頭 014010；2.倫敦大學學院機械工程學系，倫敦WC1E 7JE）

針對傳統低品位驅動的吸收制冷系統不能連續工作且制冷效率低的缺陷，本文依據熱力學第二定律和能量梯級利用原理，提出了一種新型雙低品位熱驅動CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷系統。在闡述雙低品位熱驅動CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷系統工作原理的基礎上，建立了制冷系統各部件的數學模型，計算并分析系統高低溫發生制冷劑配比、高壓箱體壓力以及冷卻水入口溫度等操作參數，對新系統熱力學性能的影響規律。模擬結果表明：雙低品位熱驅動新型吸收制冷系統不僅可以連續工作，而且具有較高的制冷效率。與傳統CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷系統相比，新系統的制冷因數提高了48.5%。

雙低品位熱源；CO2-［emim］［Tf2N］；吸收制冷；傳熱傳質；循環性能

0 引言

隨著全球經濟的快速發展，全球氣候變暖和化石能源枯竭問題成為人類關注的焦點。因此，太陽能等低品位熱源的熱利用受到國內外學者廣泛關注。吸收式制冷技術可直接利用低品位能源，并且具有較高的能量轉換效率。常用的吸收制冷工質分為水系、氨系、氟利昂系、醇系和自然工質系，其中氯氟烴（CFCs）和氫氯氟烴（HCFCs）等人工制冷工質會引起溫室效應，故自然工質制冷劑成為解決環境問題的關鍵［1－2］。文獻［3］提出CO2（R744）是一種具有零臭氧消耗潛能值（ODP）和較低全球變暖潛能值（GWP）特性的自然工質，其黏度小、傳熱損失小、化學性質穩定，CO2大多用于壓縮制冷系統，在吸收制冷系統中鮮有報導。隨著對CO2吸收劑的深入研究，離子液體的出現解決了吸收制冷工質對的問題。離子液體具有良好的化學穩定性、熱穩定性、低揮發性、無毒性和環境友好性［4－5］。

文獻［6－7］對以CO2-［bmim］［PF6］作為制冷工質對的吸收制冷系統進行了數值模擬，模擬結果表明：當制冷溫度為278 K、冷凝溫度為313 K時，吸收制冷系統的制冷因數為0.11。文獻［8－9］計算分析了一種CO2-［bmim］PF6吸收制冷系統的熱力性能，模擬結果表明：當蒸發壓力為4 MPa、制冷溫度為278 K時，吸收制冷系統的性能因數COP為0.49。上述吸收制冷系統的制冷因數相對較低，原因在于CO2在離子液體［bmim］［PF6］中溶解度較小，溶解過程中反應熱過高，這些因素限制CO2－離子液體吸收制冷系統熱力因數的提高。文獻［10－11］對離子液體［em im］［Tf2N］（1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲基磺酰亞胺）和CO2氣液平衡（VLE）數據進行了測量，測量結果表明：與離子液體［em im］［PF6］和［bm im］［PF6］相比，［em im］［Tf2N］對CO2氣體具有極好的吸收能力。當CO2摩爾分數為12.3%～59.3%、溫度為310～450 K、壓力≤15 MPa的條件下，CO2溶解度最高可達到約60%（摩爾分數），因此，咪唑型離子液體［emim］［Tf2N］對CO2的溶解度較大。

針對CO2-離子液體吸收制冷系統性能因數COP低的問題，依據熱力學第二定律和能量梯級利用原理，本文提出一種新型雙低品位熱驅動的CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷循環，有效利用新型雙低品位熱驅動吸收制冷系統實現高低品位冷量的轉換，當高溫低品位熱源供應不足時，新型吸收制冷系統仍可高效制冷。

1 新型低品位熱驅動CO2-［em im］［Tf2N］吸收式制冷循環的工作原理與特點

圖1為新型雙低品位熱驅動CO2-［em im］［Tf2N］吸收制冷循環流程原理圖。發生器1中制冷劑富液被溫度在100～120℃的低品位高溫熱源汽化為高壓過熱狀態制冷劑蒸汽，作為工作氣體在氣體冷卻器中被冷凝成制冷劑液體后分成兩路。一路經節流閥2節流后，低溫低壓的制冷劑經噴淋器均勻噴淋于蒸發器上產生低溫低壓制冷劑蒸汽，在吸收蒸發器2被來自發生器2的制冷劑貧液吸收成為制冷劑富液，被溶液泵泵入發生器2，被溫度為50～90℃的低品位低溫熱源加熱，汽化成較高壓較高溫度制冷劑蒸汽，作為補充氣體分兩支。一支當低品位高溫熱源溫度太低，發生器1發生量不足時，制冷劑蒸汽經閥門3作為循環的補充汽源，保證系統穩定工作；另一支經閥門4與來自吸收蒸發器2的低壓制冷劑蒸汽混合進入吸收器1中，在高壓條件下被吸收，以降低循環倍率，提高系統的性能因數COP。另一路經氣體冷卻器冷凝后的制冷劑液體經閥門1進入換熱器，換熱后成為過冷液體，在吸收蒸發器2中吸熱蒸發為低壓制冷劑蒸汽，與來自發生器2的另一支氣態制冷劑混合進入吸收器1，被來自發生器1的制冷劑貧液在高壓條件下吸收放熱，熱量被冷卻水帶走，制冷劑富液被溶液泵泵入發生器1，重復上述循環。

圖1 新型雙低品位熱驅動CO2-［em im］［Tf2N］吸收制冷循環流程原理圖

該雙低品位熱驅動新型CO2-［emim］［Tf2N］吸收式制冷系統具有以下特點：

（Ⅰ）應用能量梯級利用原理，利用吸收蒸發器將能量耦合起來，減少了兩者在放熱和吸熱過程中的能量損失，減少系統的外部能源輸入，提高制冷循環的性能因數COP。

（Ⅱ）利用品位不同的能源作為聯合驅動熱源加熱，產生相應品位的能量，可保證CO2吸收制冷系統在單熱源供熱減少時的持續工作能力，擴展了CO2跨臨界吸收制冷循環的應用范圍。

（Ⅲ）利用熱交換器過冷來自氣體冷卻器的部分制冷工質，進一步增強吸收器的吸收效果。

2 新型循環部件數學建模

新型循環部件數學模型由控制方程組成，控制方程基于質量守恒定律、能量守恒定律建立，并將吸收制冷循環中工質的溫度、壓力、焓、質量流量等作為傳遞函數。為簡化理論模型，作如下假設：

（Ⅰ）循環中氣體和液體的解吸或吸收的終了狀態處于相平衡狀態。

（Ⅱ）吸收器出口稀溶液與發生器出口濃溶液均為飽和態。

（Ⅲ）忽略沿程阻力。

（Ⅳ）忽略管壁和容器壁的熱容量、散熱損失。

（Ⅴ）忽略工質在節流過程中的節流損失。

（Ⅵ）忽略發生器中熱源的傳熱溫差，即認為發生器中流體的溫度為熱源溫度。

（Ⅶ）不考慮溶液泵的功耗。

循環各部件溶液總質量守恒方程和溶質質量守恒方程分別為［12］：

除溶液泵外，新型吸收制冷循環各部件能量守恒方程可寫成：

循環一些部件的數學模型如下：

式中：Q為熱負荷或制冷量，kW；m為質量流量，kg／s；COP為性能因數；h為焓，k J／kg；x為溶液質量分數，%；下標c表示氣體冷卻器；e表示蒸發器；ha表示高溫側發生器；hg表示高溫發生器 1；hhe表示高溫側溶液換熱器；i表示進口；la表示吸收蒸發器；lg表示低溫側發生器 2；lhe表示低溫側溶液換熱器；o表示出口；數字表示圖中各狀態點。

3 模擬結果分析與討論

由程序模擬計算，相同模擬條件為：冷卻水質量流量為0.1 kg／s，載冷劑質量流量為0.05 kg／s，系統的溶液循環量為0.06 kg／s。

3.1 高低溫發生制冷劑配比對新循環性能的影響

高低溫發生制冷劑配比定義為高溫發生器制冷劑質量流量（Mhg）與低溫發生器制冷劑質量流量（Mlg）的比值，即Mhg／Mlg。

當冷卻水入口溫度為23℃、載冷劑入口溫度為5℃、高溫發生溫度為110℃、低溫發生溫度為80℃、高低溫發生制冷劑配比為0.1～30.0時，雙品位熱驅動新吸收制冷系統的性能因數COP和制冷量隨高低溫發生制冷劑配比的變化趨勢如圖2所示。圖2中，下標N表示新系統，下同。

由圖2可知：新系統的制冷量和COP隨高低溫發生制冷劑配比的增加而增加，制冷溫度則隨之降低。當低溫側制冷劑蒸汽循環量保持不變時，高溫側制冷劑蒸汽循環量隨高低溫發生制冷劑配比增加而增加，新系統中制冷劑蒸汽循環量增加，故新循環的COP和制冷量增加，制冷溫度隨之降低。模擬結果表明：當Mhg／Mlg＞15時，COP和制冷量的增幅放緩。因此，高低溫制冷劑配比對新循環性能影響較大，為保證系統高效運行，高低溫制冷劑配比應在合理范圍內。在相同模擬條件下，高低溫制冷劑配比為10時，新系統具有較高的制冷效率。

3.2 高壓箱體壓力對新循環性能的影響

當低溫熱源溫度為80℃、冷卻水入口溫度為23℃、載冷劑入口溫度為5℃時，高壓箱體壓力為8～12 MPa，新循環的制冷量和COP隨系統高壓箱體壓力的變化曲線如圖3所示。

圖2 高低溫發生制冷劑配比對系統COP和制冷量的影響

圖3 高壓箱體壓力對系統COP和制冷量的影響

雙品位熱驅動新循環的高壓箱體壓力就是高溫發生器1和氣體冷卻器所在箱體的壓力。由圖3可知：隨著高壓壓力的升高，新型吸收制冷系統制冷量和COP均減小。因為二元混合體系所處溫度為定值時，CO2在離子液體中的液相摩爾分數隨著壓力的增加而增加，故系統中制冷劑蒸汽循環量隨之減小，導致新型吸收制冷系統的COP和制冷量減小，而新型吸收制冷系統制冷溫度隨著高壓箱體壓力的增加而增加。

3.3 冷卻水入口溫度對吸收制冷循環特性的影響

當高溫熱源溫度為110℃、低溫熱源溫度為80℃、載冷劑入口溫度為5℃、高低溫發生制冷劑配比為3.0、冷卻水入口溫度為19～27℃時，新型吸收制冷系統的制冷量和COP隨冷卻水入口溫度的變化曲線如圖4所示。圖4中，下標TR表示傳統吸收制冷系統。

傳統CO2-［em im］［Tf2N］吸收制冷系統和雙低品位熱驅動新型CO2-［emim］［Tf2N］制冷系統的COP和制冷量隨冷卻水入口溫度變化的影響規律如圖4所示。由圖4可知：隨冷卻水入口溫度的增加，傳統吸收制冷系統和雙低品位熱驅動新型吸收制冷系統COP變化趨勢相同，新系統的COP和制冷量都隨冷卻水溫度的升高而降低。當發生壓力為定值時，冷凝壓力隨著冷凝溫度增加而增加，高壓箱體的壓力逐漸增大，造成系統的COP下降。因此，冷凝溫度越高對系統的循環性能影響越不利，降低冷凝溫度有利于提高系統性能。

由圖4可知：新型吸收制冷系統的COP明顯高于傳統吸收制冷系統，新循環COP的變化范圍為0.30～0.68，而傳統循環COP變化范圍僅為0.30～0.35，進一步證明了雙低品位熱驅動吸收制冷系統可高效制冷思路的正確性。新系統的制冷溫度和蒸發壓力皆隨冷卻水入口溫度的增加而增加，說明冷卻水溫度升高不利于新系統的高效運行。

圖4 冷卻水入口溫度對COP和制冷量的影響

4 結論

本文提出新型雙低品位熱驅動CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷系統的新流程，建立雙低品位熱驅動CO2-［em im］［Tf2N］吸收制冷系統各部件的數學模型，由計算程序模擬計算可得到以下結論：

（1）依據熱力學原理和能量梯級利用原理，提出了一種雙熱源驅動CO2-［em im］［Tf2N］新型吸收制冷系統。該系統通過能量耦合達到提升低品位熱驅動吸收制冷系統制冷效率的目的。

（2）高低溫制冷劑配比、高壓箱體的壓力和冷卻水的入口溫度都是保證系統高效運行的重要影響因素。當高低溫制冷劑配比Mhg／Mlg為10時，新系統具有較高的制冷效率。

（3）與傳統CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷系統相比，新系統的COP增加幅度為48.5%。

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TB616

A

1672－6871（2015）05－0025－05

國家自然科學基金項目（51106068）；內蒙古自然科學基金項目（2011BS0710）；產學研基金項目（PY－2012）

何麗娟（1973－），女，河北唐山人，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為低品位熱利用和熱泵系統.

2015－03－27