氨水吸收-噴射復(fù)合制冷循環(huán)的性能分析

許健勇，杜塏，江巍雪，馬昕宇

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096）

0 引言

當(dāng)代的能源危機(jī)和環(huán)境污染促進(jìn)了對(duì)清潔能源的開(kāi)發(fā)和低品位能源的再利用。太陽(yáng)能作為一種天然能源，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的研究和應(yīng)用價(jià)值[1-5]。吸收式制冷具有直接利用太陽(yáng)能或廢氣廢熱等低品位熱源就能驅(qū)動(dòng)、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。研究如何高效利用工業(yè)余熱、太陽(yáng)能，對(duì)加快CFCs工質(zhì)替代進(jìn)程、節(jié)約能源具有重要的意義[6]。氨水吸收式制冷系統(tǒng)相比溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，可用于0 ℃以下的普通制冷場(chǎng)合，因而具有更廣泛的應(yīng)用空間。但氨水吸收式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)隨著驅(qū)動(dòng)熱源溫度的降低而降低，甚至于無(wú)法實(shí)現(xiàn)循環(huán)，特別在常見(jiàn)的太陽(yáng)能集熱器集熱溫度不超過(guò)100 ℃的條件下[7]，其應(yīng)用受到一定的限制。

通過(guò)分析常規(guī)單級(jí)氨水吸收式制冷循環(huán)可知，在給定的制冷溫度和環(huán)境溫度下，為保證循環(huán)具有一定的性能系數(shù)，發(fā)生溫度必須要達(dá)到一定品位的要求。這是因?yàn)榘彼帐街评溲h(huán)系統(tǒng)必須使得發(fā)生終了的氨水溶液濃度要比吸收終了的氨水濃度小于一定的數(shù)值，此差值稱之為系統(tǒng)放氣范圍。通常情況下，系統(tǒng)放氣范圍越大，系統(tǒng)的性能系數(shù)也越高。由分析可知：在一定熱源溫度下，發(fā)生終了的飽和氨水濃度主要受發(fā)生壓力即冷凝壓力（不考慮設(shè)備間的流動(dòng)阻力）的影響，該濃度隨冷凝壓力的提高而增大，放氣范圍隨之減小；在給定的環(huán)境溫度條件下，發(fā)生終了的飽和氨水濃度主要受熱源溫度的影響，該濃度隨熱源溫度的降低而增濃，放氣范圍隨之減小。因此，發(fā)生終了的飽和氨水濃度是發(fā)生溫度和發(fā)生壓力二元函數(shù)。在給定的冷卻水溫度條件下，驅(qū)動(dòng)熱源溫度降低，發(fā)生終了飽和氨水濃度升高，進(jìn)而使得系統(tǒng)放氣范圍減小，當(dāng)放氣范圍減小到一定值后，系統(tǒng)性能系數(shù)無(wú)法得到保證，甚至于循環(huán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出一種利用低品位熱能驅(qū)動(dòng)的氨水吸收-噴射復(fù)合制冷系統(tǒng)，使發(fā)生器的壓力不直接取決于冷凝壓力，而利用低品位熱源加熱經(jīng)過(guò)泵加壓的冷凝氨液，使之汽化成高壓飽和蒸汽作為噴射器的工作蒸汽，利用噴射器引射發(fā)生器產(chǎn)生的氨蒸汽提升壓力排至冷凝器冷凝。這樣使得發(fā)生器工作壓力降低，因此發(fā)生終了的氨水濃度降低，系統(tǒng)放氣范圍得以提高，從而使得氨水吸收式制冷循環(huán)能在更低的熱源溫度下運(yùn)行。本文在構(gòu)建氨水吸收-噴射復(fù)合制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上，闡述了其工作原理，通過(guò)模擬計(jì)算，對(duì)新循環(huán)和常規(guī)單級(jí)氨水吸收式制冷循環(huán)驅(qū)動(dòng)熱源溫度作了對(duì)比分析。最后計(jì)算分析了新循環(huán)性能系數(shù)隨熱源溫度、制冷溫度和冷卻水溫度變化規(guī)律。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)的循環(huán)如圖1所示，蒸發(fā)器（A）的氨蒸汽經(jīng)過(guò)冷器（B）進(jìn)入吸收器（C），從低壓發(fā)生器（E）出來(lái)的低濃度氨溶液與從吸收器出來(lái)的高濃度氨溶液在溶液熱交換器（D）中進(jìn)行熱交換，最后進(jìn)入吸收器。儲(chǔ)液器（K）中的氨液一路經(jīng)過(guò)溶液泵（L）升壓進(jìn)入高壓發(fā)生器（H）中，吸收低品位熱汽化得到的高壓氨蒸汽作為噴射器（I）的工作蒸汽，將精餾塔（F）塔頂出來(lái)的低壓氨蒸汽引射升壓排至冷凝器（J）中，另一路經(jīng)過(guò)冷器和節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器（A）中。系統(tǒng)循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)在焓-濃（h-x）圖上表示如圖2(a)；近似為純氨部分（假設(shè)精餾塔出口氨蒸汽濃度為100%）的工作循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)在壓-焓（P-h）圖上的表示如圖2(b)。

圖1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)循環(huán)圖

圖2 循環(huán)圖各狀態(tài)點(diǎn)

2 系統(tǒng)模擬計(jì)算與分析

2.1 模擬計(jì)算條件設(shè)定

1）常見(jiàn)太陽(yáng)能集熱器集熱溫度不超過(guò)100 ℃[7]，模擬計(jì)算取高低壓發(fā)生器的熱源溫度≤100 ℃；

2）節(jié)流閥前氨液取過(guò)冷度8 ℃，精餾塔頂部出口氨蒸汽的溫度與冷卻水進(jìn)口溫度差為8 ℃；

3）近似認(rèn)為精餾塔出口制冷劑氨的濃度為100%，且流量設(shè)為1 kg/s，系統(tǒng)以單位制冷劑質(zhì)量計(jì)算；

4）取噴射器工作蒸汽壓力為熱源溫度下純氨飽和壓力，取噴射器出口與引射蒸汽進(jìn)口壓力比（稱為噴射器壓縮比）為2，噴射器膨脹比（工作蒸汽進(jìn)口與引射蒸汽進(jìn)口壓力比值）隨之而定；通過(guò)對(duì)噴射系數(shù)的研究[8-12]以及氨制冷劑在噴射式制冷中的應(yīng)用研究[13-17]內(nèi)容可推斷，噴射系數(shù)在壓縮比為2以及膨脹比值在范圍為5～10內(nèi)，近似按線性變換取值為0.25～0.60；

5）溶液熱交換器的換熱效率為0.95；

6）蒸發(fā)終了、吸收終了、發(fā)生終了、冷凝終了的狀態(tài)均為飽和狀態(tài)；

7）忽略系統(tǒng)各部件以及循環(huán)管路的壓降和漏熱。

2.2 模擬計(jì)算方法

根據(jù)模擬計(jì)算設(shè)定的條件，按照循環(huán)確定計(jì)算各部件熱負(fù)荷所需的狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，利用EES計(jì)算軟件模擬新循環(huán)和常規(guī)單級(jí)氨水吸收式制冷循環(huán)在相同工況條件下所需熱源溫度的比較，以及熱源溫度（th）、制冷溫度（t0）、冷卻水溫度（tw）變化對(duì)新系統(tǒng)循環(huán)性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）和溶液循環(huán)倍率（f）的影響。

性能系數(shù)：

式中：

q0—蒸發(fā)器制冷量，kW；

qL—低壓發(fā)生器熱負(fù)荷，kW；

qG—高壓發(fā)生器熱負(fù)荷，kW；

wL—溶液泵L的功耗，kW；

wM—溶液泵M的功耗，kW；

μ—熱電轉(zhuǎn)換效率，本文取0.35。

模擬計(jì)算程序框圖如圖3所示。

2.3 模擬計(jì)算結(jié)果和分析

2.3.1 新循環(huán)和常規(guī)循環(huán)對(duì)比分析

圖4顯示了在t0=-6 ℃、tw=25 ℃時(shí)，在同樣的放氣范圍（xf）內(nèi)，新循環(huán)（在上述噴射器設(shè)定工況條件下）和常規(guī)單級(jí)氨水吸收式制冷循環(huán)所需的熱源溫度值的變化關(guān)系。隨著放氣范圍的增大，所需的熱源溫度都呈線性升高趨勢(shì)。當(dāng)放氣范圍區(qū)間從0.1增加到0.193，新循環(huán)的熱源溫度從75 ℃增加至95 ℃，而常規(guī)循環(huán)的熱源溫度則從102.7 ℃增加至124 ℃，兩者平均溫差在28 ℃。這說(shuō)明新循環(huán)在滿足放氣要求情況下，可以大幅降低所必需的熱源溫度值。

圖3 模擬計(jì)算程序框圖

圖4 新循環(huán)和常規(guī)循環(huán)所需的熱源溫度值（t0=-6 ℃，tw=25 ℃）

圖5顯示了在放氣范圍xf= 0.06時(shí)，新循環(huán)和常規(guī)單級(jí)氨水吸收式制冷循環(huán)在不同制冷溫度下運(yùn)行所需要的最低熱源溫度。當(dāng)系統(tǒng)的放氣范圍小于一定值或者為負(fù)值時(shí)，則系統(tǒng)不能循環(huán)工作，通常將放氣范圍等于0.06作為滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的臨界值。隨著制冷溫度升高，兩者所需要的最低熱源溫度都呈降低趨勢(shì)。因?yàn)檎舭l(fā)壓力隨著制冷溫度升高而增大，在給定冷卻水溫度下，吸收終了的氨水濃度提高；在保證最低放氣范圍條件下，發(fā)生終了的氨水濃度也隨之增大，而發(fā)生壓力因冷凝壓力確定而不變，所以熱源溫度逐漸降低。當(dāng)tw=25 ℃、t0=-15 ℃時(shí)，th=79.84 ℃，可推斷出利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)新循環(huán)，可以達(dá)到更低的制冷溫度。所以新循環(huán)適合在低熱源溫度下工作，而且制冷區(qū)間相對(duì)比較大。

新循環(huán)相比常規(guī)單級(jí)氨水吸收式制冷循環(huán)在系統(tǒng)部件方面只多了溶液泵、高壓發(fā)生器和噴射器，在沒(méi)有增加制冷循環(huán)復(fù)雜程度的前提下，大大降低了制冷循環(huán)運(yùn)行所需的熱源溫度。更重要的是解決了當(dāng)熱源溫度低到一定值后，常規(guī)單級(jí)氨水吸收式制冷循環(huán)無(wú)法工作的問(wèn)題。

圖5 不同制冷溫度所需要的最低熱源溫度（xf = 0.06）

2.3.2 熱源溫度的影響

圖6顯示了在t0=-5 ℃時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)性能系數(shù)COP和溶液循環(huán)倍率隨熱源溫度th的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著熱源溫度的升高，COP值逐漸增大。這是因?yàn)樵谙嗤鋮s水溫度下，噴射器的排出壓力就確定了，低壓發(fā)生器壓力也就確定不變，隨著熱源溫度升高，發(fā)生終了的氨水濃度降低，進(jìn)而溶液循環(huán)倍率降低（圖中溶液循環(huán)倍率的走勢(shì)也可以反映出來(lái)），低壓發(fā)生器的熱負(fù)荷減小；同時(shí)熱源溫度的升高提高了純氨的飽和壓力，即噴射器的工作蒸汽壓增大了，噴射系數(shù)隨著膨脹比的增大而提高，完成單位流量低壓氨蒸汽的引射所需的高壓氨蒸汽流量減小，則高壓發(fā)生器的熱負(fù)荷也有減小，所以系統(tǒng)循環(huán)性能系數(shù)提高。

2.3.3 制冷溫度的影響

圖7顯示了在tw=25 ℃時(shí)，制冷溫度對(duì)系統(tǒng)循環(huán)性能系數(shù)和溶液循環(huán)倍率的影響，從圖中可以看出，隨著制冷溫度的升高，COP值隨之增大，溶液循環(huán)倍率隨之減小。當(dāng)冷卻水溫度一定，制冷溫度升高時(shí)，從壓-焓圖上得到氨制冷劑蒸發(fā)始末狀態(tài)點(diǎn)的焓差增大，則單位制冷量增大。同時(shí)蒸發(fā)壓力的增加提高了吸收終了的氨水濃度，降低了溶液循環(huán)倍率，減小了低壓發(fā)生器的熱負(fù)荷；在一定熱源溫度和冷卻水溫度下，氨的飽和壓力和冷凝壓力不變，即確定了壓縮比和膨脹比，噴射系數(shù)也隨之確定，高壓發(fā)生器的熱負(fù)荷不變，所以COP值增大。

圖6 循環(huán)性能系數(shù)COP和溶液循環(huán)倍率f隨熱源溫度th的變化（t0=-5 ℃）

圖7 循環(huán)性能系數(shù)COP和溶液循環(huán)倍率f隨制冷溫度t0的變化（tw=25 ℃）

2.3.4 冷卻水溫度的影響

圖8顯示了在t0為-5 ℃時(shí)，COP值隨冷卻水溫度的升高而減小，溶液循環(huán)倍率隨冷卻水溫度升高而增大。當(dāng)制冷溫度一定，冷卻水溫度升高時(shí)，從壓-焓圖上得到氨制冷劑蒸發(fā)始末狀態(tài)點(diǎn)的焓差減小，則單位制冷量降低。隨著冷凝壓力的升高，低壓發(fā)生器的壓力隨之增大，則發(fā)生終了的氨水濃度提高，溶液循環(huán)倍率增大，低壓發(fā)生器的熱負(fù)荷增大；同一熱源溫度，純氨的飽和壓力不變，則噴射器的工作蒸汽壓一定，膨脹比隨著低壓發(fā)生壓力的增大而減小，噴射系數(shù)隨之減小，完成單位流量低壓氨蒸汽的引射所需的高壓氨蒸汽流量增大，高壓發(fā)生器的熱負(fù)荷增加，所以COP值減小。

圖8 循環(huán)性能系數(shù)COP和溶液循環(huán)倍率f隨冷卻水溫度tw的變化（t0=-5 ℃）

3 結(jié)論

1）本文通過(guò)模擬計(jì)算和分析熱源溫度、制冷溫度、冷卻水溫度對(duì)新循環(huán)性能的影響，得到熱源溫度和冷卻水溫度對(duì)新循環(huán)性能系數(shù)的影響更為明顯，因?yàn)槠渥兓瑫r(shí)影響高壓和低壓發(fā)生器熱負(fù)荷。通過(guò)在相同的放氣范圍內(nèi)對(duì)比新循環(huán)和常規(guī)單級(jí)氨水吸收式制冷循環(huán)所需的熱源溫度，得到兩者的溫差比較大，新循環(huán)更適合在較低的熱源溫度下工作。當(dāng)tw=25 ℃、t0=-15 ℃，xf=0.06時(shí)，th=79.84 ℃，推斷出利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)新循環(huán)，可以達(dá)到更低的制冷溫度，制冷區(qū)間相對(duì)較大，這對(duì)利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)新循環(huán)運(yùn)行具有重要的意義。

2）新循環(huán)中噴射器的噴射系數(shù)主要受壓縮比和膨脹比的影響，當(dāng)壓縮比較小時(shí)，可以獲得較高的噴射系數(shù)，而當(dāng)壓縮比較高時(shí)，噴射系數(shù)往往較低，即便提高膨脹比，噴射系數(shù)提高也不明顯。在給定熱源溫度下，若降低低壓發(fā)生器壓力，則有利于提高放氣范圍，降低溶液循環(huán)倍率；若保證一定放氣范圍，則降低低壓發(fā)生器壓力可以降低熱源溫度，但是會(huì)增大壓縮比，不利于氣體引射；而若降低壓縮比，在給定冷卻水溫度下，則會(huì)提高低壓發(fā)生器壓力，對(duì)熱源溫度的需求更高，系統(tǒng)改進(jìn)也逐漸失去了意義。綜合考慮后，本文選取了合適的壓縮比對(duì)循環(huán)進(jìn)行研究，在研究的工況范圍內(nèi)，噴射系數(shù)主要影響高壓發(fā)生器的熱負(fù)荷。結(jié)果顯示，高壓發(fā)生器的熱負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)性能系數(shù)的影響不可忽視。

3）目前針對(duì)噴射器的理論研究還不成熟，而噴射器對(duì)于本循環(huán)系統(tǒng)的影響不可忽視。雖然在模擬計(jì)算過(guò)程中，結(jié)合文獻(xiàn)采用了相對(duì)合理的估值，但其對(duì)于本系統(tǒng)的影響以及本循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果仍需要進(jìn)一步研究。

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