新型太陽能增壓吸收式制冷循環(huán)

劉 輝 李長勝

(1 中石化齊魯分公司第二化肥廠 淄博 255440；2 山東三維石化工程股份有限公司 淄博 255434)

太陽能是潔凈的可再生能源，利用太陽能制冷是太陽能利用的重要組成部分。吸收式制冷機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、可調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此太陽能驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷循環(huán)成為了符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的熱點(diǎn)課題。但太陽能的集熱溫度不高(最高在95℃左右)以及其不穩(wěn)定性導(dǎo)致傳統(tǒng)吸收式循環(huán)的利用和推廣受到很大限制。

針對(duì)上述問題，許多學(xué)者對(duì)太陽能吸收式制冷循環(huán)進(jìn)行了研究。研究主要集中在以H2O-LiBr為工質(zhì)對(duì)、通過對(duì)發(fā)生器出口蒸汽增壓的方法來試圖解決上述問題。這里在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)以NH3-LiNO3為工質(zhì)對(duì)、少量電能做補(bǔ)償、利用壓縮機(jī)壓縮蒸發(fā)器出口蒸氣的太陽能吸收式制冷的新循環(huán)，并對(duì)新流程的進(jìn)行探索，力求解決上述問題。

1 增壓輔助的NH3-LiNO3制冷循環(huán)

1.1 前人研究成果

已有研究成果表明采用壓縮機(jī)壓縮制冷劑蒸汽(氣)，是彌補(bǔ)太陽能不足的重要方法，其中壓縮機(jī)的放置位置有一下四種。

1)第一個(gè)位置是胡興華等[1]提出的將壓縮機(jī)放在發(fā)生器和冷凝器之間，發(fā)生器出口蒸汽首先進(jìn)入壓縮機(jī)，升溫升壓后再經(jīng)新增換熱器與出口驅(qū)動(dòng)熱水換熱，最后進(jìn)入冷凝器。壓縮機(jī)保持發(fā)生器與冷

凝器之間的壓差，從而保證了放氣范圍。這可以在較低的壓力下發(fā)生，以利用較低溫度的熱源，但壓縮功的大部分被冷卻水吸收，沒有充分利用壓縮功。

2)第二個(gè)位置是陳光明等[2]提出的將壓縮機(jī)放置在發(fā)生器和冷凝器之間增設(shè)的一根支管線上的，發(fā)生器出口的蒸汽一部分直接進(jìn)入冷凝器，另一部分經(jīng)壓縮后再回到發(fā)生器中加熱發(fā)生器里的的溶液，其自身則被冷凝，經(jīng)新增節(jié)流閥進(jìn)入冷凝器。

3)第三個(gè)位置是吳嘉峰等[3]提出的、對(duì)第二個(gè)方案的改進(jìn)，在發(fā)生器與冷凝器原有管線的和支管上各加裝一個(gè)隔離閥。當(dāng)熱源溫度正常時(shí)，將支管的閥門關(guān)閉，系統(tǒng)按單效流程運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)熱源溫度降低時(shí)，關(guān)閉原有管線上的閥門、打開支管上的閥門，發(fā)生器出口蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)后回到發(fā)生器中冷凝放熱,再經(jīng)節(jié)流閥后回到冷凝器。

上述2)、3)都存在這樣的問題:當(dāng)壓縮機(jī)工作一段時(shí)間后，制冷劑蒸汽的放熱使發(fā)生器內(nèi)溫度升高，這使發(fā)生器出口蒸汽壓力逐漸恢復(fù)到正常值，此時(shí)壓縮機(jī)將停止工作。壓縮機(jī)停止工作后，由于熱源溫度不夠高，發(fā)生器出口蒸汽壓力又將降低，當(dāng)蒸汽壓力低于正常值時(shí)壓縮機(jī)又將重新開啟，如此循環(huán)。所以壓縮機(jī)在熱源溫度不足時(shí)將不斷的啟動(dòng)和停機(jī)，壓縮機(jī)的重復(fù)啟停將嚴(yán)重影響其壽命。

4)第四個(gè)位置是謝應(yīng)明等[4]提出的，將壓縮機(jī)放置在冷凝器與蒸發(fā)器之間。由于該方案在太陽能熱源溫度低于設(shè)定值時(shí)就啟動(dòng)壓縮機(jī)，使系統(tǒng)按照壓縮式熱泵流程工作，不能充分利用太陽能，因此其綜合效益不高。

1.2 新型太陽能吸收式制冷循環(huán)

針對(duì)上述方案的不足之處，進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的新流程系統(tǒng)見圖1，圖1左側(cè)虛框是新型吸收式制冷流程圖，右側(cè)是太陽能集熱系統(tǒng)。

圖1 新型太陽能吸收式制冷系統(tǒng)Fig.1 A new solar energy absorption refrigeration system

圖1中新流程將壓縮機(jī)放置在蒸發(fā)器和發(fā)生器之間。當(dāng)熱源溫度足夠時(shí)，打開閥門2，關(guān)閉閥門1，此時(shí)系統(tǒng)按單效制冷循環(huán)工作；當(dāng)熱源溫度不足時(shí)，再打開閥門1，啟動(dòng)壓縮機(jī)，蒸發(fā)器出口的部分冷劑蒸氣首先進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮至驅(qū)動(dòng)熱水出口的溫度后進(jìn)入發(fā)生器冷凝并放熱，來彌補(bǔ)因驅(qū)動(dòng)熱溫度降低而導(dǎo)致其放熱量下降的不足，冷劑蒸氣釋放潛熱后成冷凝液再經(jīng)節(jié)流閥B進(jìn)入冷凝器。這樣絕大部分壓縮功在發(fā)生器中被回收。由于壓縮機(jī)壓比的升高將導(dǎo)致壓縮機(jī)容積效率降低，影響節(jié)能效果，故新流程將通過閥門1的開關(guān)程度來調(diào)節(jié)進(jìn)入壓縮機(jī)的蒸氣流量的大小，進(jìn)而控制向發(fā)生器內(nèi)輸入熱量的多少。其目的是:為保持系統(tǒng)制冷量的恒定需要保證放氣范圍不變，因此當(dāng)熱源溫度不足時(shí)，利用壓縮機(jī)出口高溫高壓蒸氣的汽化潛熱和過熱熱作為補(bǔ)償熱源，以保持放氣范圍的恒定。而且系統(tǒng)僅比傳統(tǒng)循環(huán)增加了一個(gè)壓縮機(jī)和節(jié)流閥，機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單。

1.3 工質(zhì)對(duì)的選擇

在吸收式機(jī)組中，H2O-LiBr和NH3-H2O是目前技術(shù)成熟并廣泛應(yīng)用的工質(zhì)對(duì)，前者只能制取0℃以上的制冷溫度，且對(duì)裝置的氣密性有著極其嚴(yán)格的要求，對(duì)黑色金屬的腐蝕性很強(qiáng)；后者可以制取0℃以下的制冷溫度，但由于NH3和H2O的沸點(diǎn)很接近，因此機(jī)組需要增加額外的精餾塔等設(shè)備，使得機(jī)組的造價(jià)增加。

由于蒸發(fā)壓力下，水蒸汽的比容非常大(5℃時(shí)為147.048m3/kg[5])，因此在技術(shù)方案中，制冷劑只能選擇NH3(5℃時(shí)僅為0.243m3/kg[5])。為提高經(jīng)濟(jì)效益，可采用NH3-LiNO3工質(zhì)對(duì)。

LiNO3是一種鹽，由于它的沸點(diǎn)與NH3相差大，無須像氨水系統(tǒng)那樣需要考慮它的精餾提純問題。同時(shí)，采用氨做制冷劑可制取0℃以下的溫度，且不需考慮真空問題。NH3-LiNO3吸收式機(jī)組發(fā)生溫度低，使其在利用余熱及太陽能方面都有著較大的潛力，目前NH3-LiNO3混合物已用于利用余熱蒸發(fā)吸收制冷系統(tǒng)[6]。相對(duì)于NH3-H2O機(jī)組，許多研究表明，它有著較高的熱力系數(shù)[7]。NH3-LiNO3系統(tǒng)作為一種新型的吸收式系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用前景。NH3-LiNO3工質(zhì)對(duì)物性參數(shù)的計(jì)算可參考文獻(xiàn)[6]、[7]。

2 新循環(huán)的性能分析

由于該制冷循環(huán)中使用的是NH3-LiNO3工質(zhì)對(duì)，故不需要像溴冷機(jī)那樣考慮因冷卻水溫較低而引起的溶液結(jié)晶問題。新制冷循環(huán)采用自來水作為冷卻水，夏季自來水的溫度約是15℃～20℃[8]，計(jì)算時(shí)取20℃，冷卻水溫升取10℃，蒸發(fā)溫度取5℃。

設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，為保證放氣范圍，約定驅(qū)動(dòng)熱水出口溫度恒定于65℃。制冷量以100kW計(jì)算，并做如下假設(shè)以建立數(shù)學(xué)模型:

1)集熱器面積一定，即通過集熱器的最大循環(huán)水流量一定，驅(qū)動(dòng)熱水高于80℃時(shí)，調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)生器熱水的流量；當(dāng)?shù)陀?0℃時(shí)，啟動(dòng)壓縮機(jī)。

2)吸收器出口溶液溫度高于出口冷卻水2℃；

3)發(fā)生器出口濃溶液溫度低于出口驅(qū)動(dòng)熱溫度5℃；壓縮機(jī)出口制冷劑蒸氣在發(fā)生器中釋放熱量后為飽和液態(tài)，其溫度高于出口濃溶液溫度5℃；

4)冷凝器出口制冷劑液為飽和態(tài)且其溫度高于出口冷卻水2℃；

5)蒸發(fā)器出口制冷劑蒸氣為飽和態(tài)，溫度為5℃。

根據(jù)上述已知條件，編程計(jì)算驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

2.1 驅(qū)動(dòng)熱源溫度變化對(duì)系統(tǒng)COP的影響

[2]，定義系統(tǒng)的性能指數(shù)COP為

式中的η=0.35為發(fā)電效率，它是為考慮電與熱的不等價(jià)而引入的。

圖2為驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度從68℃變化到80℃時(shí)，壓縮機(jī)耗功與驅(qū)動(dòng)熱源放熱量的變化曲線。

從圖2可以看出:隨著驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度的降低，壓縮機(jī)的耗功增加。這是由于驅(qū)動(dòng)熱源不足，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣量增加所致。

圖2 不同驅(qū)動(dòng)溫度下壓縮機(jī)耗功與驅(qū)動(dòng)熱放熱量的變化曲線Fig.2 Curves of power of compressor and driven water at different driven temperatures

圖3所示為驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度從68℃變化到80℃時(shí)，COP的變化曲線。

圖3 不同驅(qū)動(dòng)溫度下系統(tǒng)COP的變化曲線Fig.3 Curve of COP at different driven temperatures

從圖3可以看到，隨著驅(qū)動(dòng)熱溫度的降低，系統(tǒng)的COP逐漸從0.495上升到1.201。從圖3可知，驅(qū)動(dòng)熱溫度的降低會(huì)使機(jī)組可利用的低品位的驅(qū)動(dòng)熱降低，而壓縮機(jī)的負(fù)荷逐漸增加，所消耗的高品位電能逐漸上升，因此系統(tǒng)的趨近于壓縮式制冷循環(huán)，故性能指數(shù)呈上升趨勢。

2.2 驅(qū)動(dòng)熱源溫度變化對(duì)系統(tǒng)火用效率的影響

由于系統(tǒng)中引入了壓縮機(jī)，其耗功為電能，因此從能量的質(zhì)出發(fā)，引入?及?效率來對(duì)循環(huán)進(jìn)行分析。定義:

圖4所示為驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度從68℃變化到80℃時(shí)，壓縮機(jī)理論耗?與驅(qū)動(dòng)熱源?的變化曲線。

從圖4可以看出:隨著驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度的降低，壓縮機(jī)的耗?增加，驅(qū)動(dòng)熱?逐漸降低。這是由于驅(qū)動(dòng)熱源不足，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣量增加；驅(qū)動(dòng)熱?的降低是驅(qū)動(dòng)熱熱量減少及驅(qū)動(dòng)熱水進(jìn)口溫度降低共同作用的結(jié)果。

圖4 不同驅(qū)動(dòng)溫度下壓縮機(jī)與驅(qū)動(dòng)熱火用的變化曲線Fig.4 Curves of exergy of compressor and driven water at different driven temperatures

圖5是驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度從68℃變化到80℃時(shí),系統(tǒng)的?效率的變化曲線。

從圖5可以看到，隨著驅(qū)動(dòng)熱溫度的降低，系統(tǒng)的?效率逐漸從0.245下降到0.122。驅(qū)動(dòng)熱溫度的降低使機(jī)組可利用的低品位的驅(qū)動(dòng)熱水的?降低，而壓縮機(jī)的負(fù)荷逐漸增加，所消耗的高品位電能逐漸上升，因此系統(tǒng)的?效率呈下降趨勢。

圖5 不同驅(qū)動(dòng)溫度下系統(tǒng)火用效率的變化曲線Fig.5 Curve of exergy eff i ciency at different driven temperatures

2.3 驅(qū)動(dòng)熱源溫度變化對(duì)電熱比的影響

定義指標(biāo)“電熱比”，它指在某一驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度下，壓縮機(jī)的理論功耗與參與制冷流程的太陽能驅(qū)動(dòng)熱在數(shù)量上的比值，即

其值反映了壓縮機(jī)所耗電功與所利用太陽能量比值的大小。

圖6所示為驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度從80℃變化到68℃時(shí)，電熱比的變化曲線。

從圖6中看以看出，隨著驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度tin的降低，電熱比eph逐漸增加而且增加的越來越快，這是由于驅(qū)動(dòng)熱源溫度的降低使得其放熱量減少，壓縮機(jī)的吸汽量增加導(dǎo)致耗功迅速增加。tin為79℃時(shí)，eph為0.7%，當(dāng)tin降低至72℃時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明eph增加至10.68%。

圖6 不同驅(qū)動(dòng)溫度下電熱比eph的變化曲線Fig.6 Curve of eph at different driven temperatures

2.4 驅(qū)動(dòng)熱源溫度變化對(duì)冷卻水流量的影響

圖7所示為驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度自80℃降低至68℃時(shí)，冷卻水流量的變化曲線。

圖7 不同驅(qū)動(dòng)溫度下冷卻水流量的變化曲線Fig.7 Curve of fl ux of cold water at different driven temperatures

從圖7中可以看到，隨著驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度的下降，冷卻水的流量基本呈線性從7.24kg/s減少至3.74kg/s。為保持冷凝器與發(fā)生器之間的壓差，需要保持冷凝壓力恒定；當(dāng)驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度降低時(shí)，壓縮機(jī)的吸汽量增加，進(jìn)入吸收器的冷劑蒸氣量減少，吸收器的熱負(fù)荷降低，與此同時(shí)，離開壓縮機(jī)的高溫蒸氣在發(fā)生器內(nèi)釋放熱量后成冷劑液，經(jīng)節(jié)流進(jìn)冷凝器，又使得進(jìn)入冷凝器的冷劑蒸氣減少，而進(jìn)入的冷劑液增加，故冷凝器的熱負(fù)荷也將降低，故冷卻水的流量將明顯降低。

3 結(jié)論

1)在原有的4種流程上提出了一個(gè)利用太陽能、以NH3-LiNO3為工質(zhì)對(duì)、以少量電能做補(bǔ)償、通過壓縮蒸發(fā)器出口蒸氣進(jìn)行制冷的新循環(huán)，新流程的構(gòu)成部件簡單易得，方案可行，克服了傳統(tǒng)循環(huán)受限于太陽能波動(dòng)的不足。

2)采用數(shù)值模擬的方法對(duì)新循環(huán)進(jìn)行分析表明:補(bǔ)償相當(dāng)于0.7%～10.68%太陽能能量的電能可使熱源進(jìn)口溫度自95℃降低16℃～22℃，新循環(huán)的性能指數(shù)在0.495～1.201之間，?效率在0.245～0.122之間，冷卻水流量隨驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)口溫度的降低基本呈線性從7.24kg/s減少至3.74kg/s。

符號(hào)說明:COP 性能指數(shù)；Q0、Qg制冷量、驅(qū)動(dòng)熱負(fù)荷，kW；Wt壓縮機(jī)的理論功耗，kW；E0、Eg冷量?、驅(qū)動(dòng)熱?，kW；eph 電熱比，%；Tci、Tco冷媒水進(jìn)口溫度、冷媒水出口溫度，K；Tgi、Tgo驅(qū)動(dòng)熱水進(jìn)口溫度、驅(qū)動(dòng)熱水出口溫度，K；T0環(huán)境溫度，K；ηII?效率

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