一種新型吸收-壓縮復(fù)合制冷循環(huán)模擬

唐鵬武 陳光明 唐黎明 劉利華

術(shù)語

h:比焓，kJ/kg

m:質(zhì)量流量，kg/s

x:溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

Q:熱流率，W

W:功率，W

COP:制冷系數(shù)

η:相對(duì)增加率，%

下標(biāo)

ev:蒸發(fā)器

C:壓縮機(jī)

con1:冷凝器1

a:吸收器

SP:溶液泵

S:溶液換熱器

R:回?zé)崞?/p>

con2:冷凝器2

g:發(fā)生器

i:狀態(tài)點(diǎn)

CA:傳統(tǒng)吸收式循環(huán)

CC:傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)

Com:新型復(fù)合循環(huán)

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，空調(diào)的使用越來越廣泛。由于電驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)蒸氣壓縮式空調(diào)引起了一系列環(huán)境問題且耗電量大［1］，采用熱能驅(qū)動(dòng)并且對(duì)環(huán)境友好的吸收式空調(diào)成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)［2］。但是，傳統(tǒng)的吸收式空調(diào)效率低，對(duì)驅(qū)動(dòng)熱源的要求高，在一定程度上，限制了它的應(yīng)用范圍。因此，綜合了電驅(qū)動(dòng)壓縮式空調(diào)和熱驅(qū)動(dòng)吸收式空調(diào)兩者優(yōu)點(diǎn)的蒸氣吸收-壓縮復(fù)合制冷循環(huán)越來越受到各國(guó)學(xué)者的重視［3-5］。

吸收-壓縮復(fù)合循環(huán)的提出可追溯到20世紀(jì)初，直到20世紀(jì)70年代，對(duì)它的研究才開始進(jìn)入熱潮。帶溶液回路的蒸氣壓縮循環(huán)是復(fù)合循環(huán)的原始形式，由于在換熱器中存在溫度滑移現(xiàn)象，該循環(huán)減小了壓縮機(jī)的工作壓比，較傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式循環(huán)展示了更好的性能［6-7］。陳光明等提出一種復(fù)合循環(huán)方案，該循環(huán)將壓縮機(jī)放置在發(fā)生器和冷凝器之間的一條支路上，壓縮機(jī)實(shí)際上起熱變換器的作用。循環(huán)效率得到提高，同時(shí)降低了系統(tǒng)的部分運(yùn)行成本［8］。Fukuta M等提出把壓縮機(jī)置于蒸發(fā)器和吸收器之間，這樣通過調(diào)整吸收壓力能夠使循環(huán)在較寬的廢熱源溫區(qū)工作，并且該復(fù)合循環(huán)能夠達(dá)到比傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)更好的性能［9］。這些復(fù)合循環(huán)共同的特點(diǎn)是:循環(huán)性能都比傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)好，具有較強(qiáng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。其主要缺點(diǎn)在于:為了同時(shí)適應(yīng)吸收和壓縮兩種循環(huán)，復(fù)合循環(huán)采用了相同的制冷劑，這樣可能造成某一方循環(huán)的性能下降。因此，Kairouani L提出了一種將吸收子系統(tǒng)和和壓縮子系統(tǒng)通過蒸發(fā)-冷凝器外耦合的復(fù)合循環(huán)［10］。該循環(huán)吸收子系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量用于冷凝壓縮子系統(tǒng)冷凝器中的制冷劑蒸氣，降低了壓縮子系統(tǒng)的冷凝壓力，提高了循環(huán)的性能，但該循環(huán)對(duì)吸收子系統(tǒng)加熱量有嚴(yán)格要求且兩子系統(tǒng)不能獨(dú)立工作。

為了解決上述問題，陳光明等人提出了一種新型吸收-壓縮復(fù)合制冷循環(huán)［11］，本文對(duì)該循環(huán)的性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與傳統(tǒng)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)作了性能比較。

2 循環(huán)介紹

圖1是新型吸收-壓縮復(fù)合制冷循環(huán)的流程圖。該復(fù)合循環(huán)包括一個(gè)傳統(tǒng)蒸氣壓縮子系統(tǒng)循環(huán)和一個(gè)由低品位熱源驅(qū)動(dòng)的蒸氣吸收子系統(tǒng)循環(huán)，壓縮子系統(tǒng)循環(huán)采用R22作為制冷劑，吸收子系統(tǒng)循環(huán)采用溴化鋰/水作為工質(zhì)對(duì)。

圖1 新型吸收-壓縮復(fù)合制冷循環(huán)流程圖

在過冷蒸發(fā)器中，制冷劑1吸取熱量變成飽和制冷劑蒸氣2，進(jìn)入吸收器被濃溶液11吸收，變成稀溶液3。稀溶液經(jīng)過溶液泵后，壓力升高，成為高壓稀溶液4，然后分成兩支分別進(jìn)入溶液換熱器和回?zé)崞鬟M(jìn)行換熱。經(jīng)過換熱后的兩條支路的稀溶液再混合成一股稀溶液，進(jìn)入發(fā)生器。在發(fā)生器中，稀溶液被低品位熱源加熱，產(chǎn)生制冷劑蒸氣7和濃溶液9。制冷劑蒸氣直接進(jìn)入吸收子系統(tǒng)冷凝器被冷凝，而濃溶液首先進(jìn)入溶液換熱器與稀溶液換熱，再經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓后進(jìn)入吸收器。被冷凝后的制冷劑8經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓后回到過冷蒸發(fā)器，完成一個(gè)吸收子系統(tǒng)循環(huán)。

與此同時(shí)，壓縮子系統(tǒng)的循環(huán)流程如下。首先，進(jìn)入蒸發(fā)器中的制冷劑17吸收熱量變成飽和制冷劑蒸氣12。接著，飽和制冷劑蒸氣進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，壓力升高成為高壓制冷劑蒸氣13。再經(jīng)過回?zé)崞髋c稀溶液換熱后，進(jìn)入壓縮子系統(tǒng)冷凝器。制冷劑蒸氣14被冷凝后變成飽和制冷劑液體15，然后進(jìn)入過冷蒸發(fā)器被過冷。最后，過冷制冷劑液體16經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓后回到蒸發(fā)器，完成一個(gè)壓縮子系統(tǒng)循環(huán)。這就是整個(gè)復(fù)合循環(huán)的簡(jiǎn)要工作過程。

從上面的復(fù)合循環(huán)工作過程，可以看出吸收子系統(tǒng)循環(huán)產(chǎn)生的冷量用于過冷壓縮子系統(tǒng)循環(huán)，從而使得吸收子系統(tǒng)循環(huán)產(chǎn)生的較高溫度的冷量等量的轉(zhuǎn)變成了壓縮子系統(tǒng)循環(huán)輸出的較低溫度的冷量。與傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)相比，在相同單位制冷劑流量耗功下，新型復(fù)合循環(huán)的制冷量比壓縮循環(huán)的大得多，因此復(fù)合循環(huán)的性能系數(shù)要大得多。此外，復(fù)合循環(huán)通過回?zé)崞骰厥樟舜蟛糠謮嚎s機(jī)排氣的過熱量，進(jìn)一步提高了循環(huán)的性能。

3 數(shù)學(xué)模型

為了評(píng)估新型吸收-壓縮復(fù)合制冷循環(huán)的性能，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。模型的主要假設(shè)條件:

(1)不計(jì)管路漏熱及阻力損失;

(2)壓縮機(jī)的等熵效率為0.8;

(3)所有節(jié)流過程前后焓值相等;

(4)吸收子系統(tǒng)循環(huán)的冷凝溫度為40℃，吸收器出口稀溶液的溫度為40℃;

(5)蒸發(fā)器出口12、過冷蒸發(fā)器出口2以及發(fā)生器出口7的制冷劑為飽和制冷劑蒸氣，冷凝器出口的制冷劑為飽和制冷劑液體;

(6)吸收子系統(tǒng)循環(huán)吸收器和發(fā)生器出口的溶液為飽和溶液;

(7)忽略溶液泵的耗功;

(8)溶液換熱器的冷端換熱溫差為10℃;

(9)過冷蒸發(fā)器的冷端換熱溫差為10℃;

(10)回?zé)崞鞯睦涠藫Q熱溫差為10℃;

(11)回?zé)崞骱腿芤簱Q熱器出口稀溶液的溫度相等。

新型復(fù)合循環(huán)包括一些基本組成部件，每個(gè)基本部件都可以被看作是一個(gè)控制容積的微元。而每個(gè)微元模型都包括一系列質(zhì)量守恒和能量守恒方程，以下是各個(gè)基本部件的守恒方程。

蒸發(fā)器:

壓縮機(jī):

冷凝器1:

節(jié)流閥1:

過冷蒸發(fā)器:

吸收器:

溶液泵:

溶液換熱器:

回?zé)崞?

發(fā)生器:

節(jié)流閥2:

冷凝器2:

節(jié)流閥3:

采用制冷系數(shù)COP來評(píng)價(jià)循環(huán)的性能，復(fù)合循環(huán)的COPCom定義為復(fù)合循環(huán)的制冷量減去傳統(tǒng)吸收式制冷循環(huán)的制冷量(傳統(tǒng)吸收式制冷循環(huán)的發(fā)生溫度、冷凝溫度、吸收溫度和復(fù)合循環(huán)中吸收子系統(tǒng)循環(huán)的相同，而蒸發(fā)溫度和復(fù)合循環(huán)的蒸發(fā)溫度相同)，再除以壓縮機(jī)的耗功，即:

傳統(tǒng)壓縮式制冷循環(huán)的COPCC定義為制冷量除以壓縮機(jī)的耗功:

采用相對(duì)增加率來比較新型復(fù)合循環(huán)與傳統(tǒng)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的性能差異，即:

水和R22的物性參數(shù)采用REFPROP8.0計(jì)算求得，而溴化鋰水溶液的物性參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)［12］給出的公式計(jì)算得到。

4 結(jié)果與討論

圖2表示在吸收子系統(tǒng)發(fā)生器輸入熱量為3 kW，壓縮子系統(tǒng)冷凝溫度40℃，蒸發(fā)溫度5℃，循環(huán)制冷量為16 kW條件下，發(fā)生溫度tg對(duì)循環(huán)性能的影響。從圖2中可以看出，在55—80℃范圍內(nèi)，隨著發(fā)生溫度的升高，復(fù)合循環(huán)性能逐漸提高。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)生溫度低于80℃，蒸發(fā)溫度為5℃時(shí)，傳統(tǒng)吸收式循環(huán)不能正常工作，但是在新型復(fù)合循環(huán)中吸收子系統(tǒng)循環(huán)的蒸發(fā)溫度升高，經(jīng)過復(fù)合循環(huán)的耦合作用吸收子系統(tǒng)循環(huán)制得的較高溫度的冷量可以等量轉(zhuǎn)變成輸出的較低溫度的冷量。隨著發(fā)生溫度升高，吸收子系統(tǒng)循環(huán)的COPCA穩(wěn)步增大，提供給壓縮子系統(tǒng)循環(huán)的過冷量增大，壓縮機(jī)的耗功減少，使得復(fù)合循環(huán)的COPCom也逐漸增大。當(dāng)發(fā)生溫度繼續(xù)升高到80.4℃附近時(shí)，傳統(tǒng)吸收式制冷循環(huán)在蒸發(fā)溫度為5℃時(shí)可以正常工作了，因此復(fù)合循環(huán)的COPCom開始逐漸減小。所以，隨著發(fā)生溫度的升高，復(fù)合循環(huán)的COPCom先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定。而傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)的COPCC與發(fā)生溫度無關(guān)，是一個(gè)常值。所以，相對(duì)增加率η隨發(fā)生溫度的變化趨勢(shì)與復(fù)合循環(huán)COPCom隨發(fā)生溫度的變化趨勢(shì)相似，當(dāng)發(fā)生溫度升高到80.4℃附近時(shí)，相對(duì)增加率η達(dá)到最大，最大值約為 16.1%。

圖2 發(fā)生溫度對(duì)循環(huán)性能的影響Fig.2 Effect of generation temperature on performance of cycle

圖3 表示在吸收子系統(tǒng)發(fā)生器輸入熱量為3 kW，發(fā)生溫度70℃，壓縮子系統(tǒng)冷凝溫度40℃，循環(huán)制冷量為16 kW條件下，蒸發(fā)溫度te對(duì)循環(huán)性能的影響。從圖3中可以看出，隨著蒸發(fā)溫度的升高，新型復(fù)合循環(huán)的COPCom和傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)的COPCC都逐漸增大，但是新型復(fù)合循環(huán)的COPCom明顯高于傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)的COPCC。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)生溫度為70℃，蒸發(fā)溫度5℃時(shí)，傳統(tǒng)吸收式循環(huán)不能正常工作，但是在新型復(fù)合循環(huán)中吸收子系統(tǒng)循環(huán)的蒸發(fā)溫度升高，經(jīng)過復(fù)合循環(huán)的耦合作用吸收子系統(tǒng)循環(huán)制得的較高溫度的冷量可以等量轉(zhuǎn)變成輸出的較低溫度的冷量，因此新型復(fù)合循環(huán)的COPCom較之傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)的COPCC有所提高。隨著蒸發(fā)溫度的升高，吸收子系統(tǒng)循環(huán)的過冷蒸發(fā)溫度和壓縮子系統(tǒng)循環(huán)的制冷劑流量基本保持不變，使得過冷量變化不大。同時(shí)壓縮機(jī)的壓比減小，使得壓縮機(jī)的耗功減少，所以相對(duì)增加率η也逐漸減小。

圖4表示在吸收子系統(tǒng)發(fā)生器輸入熱量為3 kW，發(fā)生溫度70℃，壓縮子系統(tǒng)蒸發(fā)溫度5℃，循環(huán)制冷量為16 kW條件下，冷凝溫度tc對(duì)循環(huán)性能的影響。由圖4可知，隨著冷凝溫度的升高，新型復(fù)合循環(huán)的COPCom和傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)的COPCC都逐漸減小，但新型復(fù)合循環(huán)的COPCom明顯高于傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)的COPCC，這也是新型復(fù)合循環(huán)能夠利用傳統(tǒng)吸收式循環(huán)不能夠利用的低品位熱源的結(jié)果。隨著冷凝溫度的升高，吸收子系統(tǒng)循環(huán)的過冷蒸發(fā)溫度和壓縮子系統(tǒng)循環(huán)的制冷劑流量變化不大，使得過冷量增大。同時(shí)壓縮機(jī)的壓比增大，使得其耗功增加，所以相對(duì)增加率η也逐漸增大。

圖3 蒸發(fā)溫度對(duì)循環(huán)性能的影響Fig.3 Effect of evaporation temperature on performance of cycle

圖4 冷凝溫度對(duì)循環(huán)性能的影響Fig.4 Effect of condensation temperature on performance of cycle

圖5 表示在循環(huán)制冷量為16 kW，壓縮子系統(tǒng)蒸發(fā)溫度5℃，冷凝溫度40℃，吸收子系統(tǒng)發(fā)生溫度70℃條件下，發(fā)生器中加熱量Qg對(duì)循環(huán)性能的影響。從圖5中可以看出，加熱量變大，新型復(fù)合循環(huán)的COPCom逐漸增大。在復(fù)合循環(huán)中，隨著加熱量的增大，吸收子系統(tǒng)循環(huán)的過冷蒸發(fā)溫度降低，壓縮子系統(tǒng)循環(huán)的制冷劑流量緩慢減小，從而使得過冷量增大，壓縮機(jī)的耗功減少，因此復(fù)合循環(huán)的COPCom增大。而傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)的COPCC與加熱量無關(guān)，所以相對(duì)增加率η也逐漸增大。

圖5 加熱量對(duì)循環(huán)性能的影響Fig.5 Effect of heat flux on performance of cycle

圖6 表示在吸收子系統(tǒng)發(fā)生器輸入熱量為3 kW，發(fā)生溫度為70℃，壓縮子系統(tǒng)蒸發(fā)溫度5℃，冷凝溫度40℃條件下，制冷量Qev對(duì)循環(huán)性能的影響。由圖6可知，制冷量變大，新型復(fù)合循環(huán)的COPCom有所減小，但仍高于傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)。制冷量變大，吸收子系統(tǒng)循環(huán)的過冷蒸發(fā)溫度緩慢升高，壓縮子系統(tǒng)循環(huán)的制冷劑流量變大，從而使得過冷量增大，壓縮機(jī)的耗功增大，因此復(fù)合循環(huán)的COPCom減小。而傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)的COPCC與制冷量無關(guān)，所以相對(duì)增加率η也逐漸減小。

圖6 制冷量對(duì)循環(huán)性能的影響Fig.6 Effect of refrigeration capacity on performance of cycle

5 結(jié)論

對(duì)一種新型吸收-壓縮復(fù)合制冷循環(huán)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式循環(huán)作了對(duì)比，主要結(jié)論:

(1)新型復(fù)合循環(huán)利用吸收子系統(tǒng)循環(huán)產(chǎn)生的冷量來過冷壓縮子系統(tǒng)循環(huán)的制冷劑，使得低品位熱源制得的較高溫度的冷量能夠等量地轉(zhuǎn)變成輸出的較低溫度的冷量。因此與傳統(tǒng)壓縮式循環(huán)相比，在相同單位制冷劑流量耗功下，新型復(fù)合循環(huán)的制冷量比壓縮式循環(huán)的大得多，性能系數(shù)要大得多。在大部分假定工況下，新型復(fù)合循環(huán)的COPCom比傳統(tǒng)蒸氣壓縮式循環(huán)的COPCC高10%以上。此外，新型復(fù)合循環(huán)通過回?zé)崞骰厥樟舜蟛糠謮嚎s機(jī)排氣的過熱量，進(jìn)一步提高了循環(huán)的性能。

(2)與傳統(tǒng)蒸氣壓縮式循環(huán)不同，新型復(fù)合循的性能不僅受到蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的影響，還與系統(tǒng)的發(fā)生溫度、加熱量、制冷量密切相關(guān)。例如，隨著發(fā)生溫度的升高，新型復(fù)合循環(huán)的COPCom先增大后減小。當(dāng)發(fā)生溫度接近80.4℃時(shí)，COPCom達(dá)到最大值，約為6.12，相對(duì)增加率η為16.1%。

(3)與傳統(tǒng)蒸氣壓縮式循環(huán)相比，新型復(fù)合循環(huán)效率高。如果能夠合理的利用，對(duì)于節(jié)約電能，緩解當(dāng)前城市電力緊張有著十分重要的作用。同時(shí)，新型復(fù)合循環(huán)中吸收子系統(tǒng)循環(huán)的過冷蒸發(fā)溫度較高，降低了系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)熱源溫度的要求，為太陽能等低品位能源的高效利用提供了可能。

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11 陳光明，唐黎明，劉利華，等.低品位能驅(qū)動(dòng)與機(jī)械功驅(qū)動(dòng)復(fù)合熱泵或制冷系統(tǒng):中國(guó)，200910098013.6［P］.2007-06-01.

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