無分凝器的氨水吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)研究

王安光，孫文哲

（上海海事大學 商船學院，上海201306）

1 引言

自從1859年法國Ferdinand Carre發(fā)明了氨/水工質(zhì)對吸收式制冷機[1]，人們對氨水吸收式制冷系統(tǒng)的研究和改進就從未停止過。R.M.Lazzarin對Arkla公司生產(chǎn)的一臺風冷式氨水制冷機組進行了性能研究；Adewusi和Zubair應用熱力學第二定律研究了當某些設計參數(shù)發(fā)生改變時，單級式和雙級式氨水吸收式制冷系統(tǒng)的性能。在我國，東南大學的楊思文從理論上研究了氨水吸收式制冷系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)地闡述了氨水吸收式制冷機的基礎和設計。北京化工大學的武向紅對單級氨水吸收式制冷循環(huán)進行了模擬計算分析。在此基礎上，本文對一種無分凝器的氨水吸收式制冷循環(huán)進行模擬計算分析[2～8]，并與常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)進行對比。

2 系統(tǒng)結(jié)構及循環(huán)流程簡介

圖1為常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)，其工作原理及流程顯而易見。圖2為無分凝器循環(huán)系統(tǒng)，其工作原理及流程為：由吸收器流出的濃氨水溶液經(jīng)溶液泵加壓，流經(jīng)溶液熱交換器與來自發(fā)生器的稀氨水溶液換熱后，與精餾段流下的氨水溶液一起流入發(fā)生器，在此過程中與發(fā)生器中溶液蒸發(fā)出來的蒸汽接觸，進行熱質(zhì)交換，使得溶液中氨濃度逐漸降低，而上升蒸汽中的氨濃度逐漸升高。經(jīng)過與來自氣液分離器的低溫氨水溶液進行熱質(zhì)交換，溫度繼續(xù)降低，由于壓力不變，精餾塔頂部氨蒸汽的濃度逐漸升高，這樣，既達到了精餾的目的，又回收了精餾熱，且避免了外界溫度變化對精餾塔內(nèi)部溫度的影響，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性大大提高。由精餾塔流出的氨蒸汽在冷凝器中冷凝為飽和液體，經(jīng)過冷器實現(xiàn)過冷，增加了制冷量；后流經(jīng)節(jié)流閥進入蒸發(fā)器。由蒸發(fā)器流出的氨水溶液的兩相混合物在氣液分離器中分離，溶液由溶液泵加壓輸送至精餾塔，蒸汽混合物流經(jīng)過冷器，在吸收器中被來自精餾塔的稀氨水溶液吸收，以此完成循環(huán)。

圖1 常規(guī)單級氨水吸收式制冷循環(huán)

圖2 無分凝器的氨水吸收式制冷循環(huán)

3 條件假設

為對系統(tǒng)進行分析，設定及假設以下條件：設定制冷量為1 000kW；冷卻水溫度32℃；制冷溫度－23℃；熱源為th＝150℃的飽和蒸汽；發(fā)生過程中參與發(fā)生的溶液濃度不發(fā)生變化；從發(fā)生器中流出的稀溶液濃度不發(fā)生變化，并處于飽和狀態(tài)；冷凝器出口氨液處于飽和態(tài)；蒸發(fā)溫度滑移取2℃；溶液熱交換器效率取95%，不考慮溶液泵的能耗。

4 數(shù)學模型

根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒建立各部件的熱力學模型。無分凝器循環(huán)系統(tǒng)中：

精餾塔：

冷凝器：

過冷器：

節(jié)流閥：

蒸發(fā)器：

吸收器：

溶液熱交換器：

性能系數(shù)：

蒸發(fā)器排液比：

常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)與上述方法相同。

5 模擬計算

用C＋＋軟件編程，通過調(diào)用氨水溶液物性參數(shù)計算程序“NH3H2O.h”，計算各狀態(tài)點物性參數(shù)，進而計算系統(tǒng)中各部件的負荷和COP。結(jié)果見表1，2。

表1 各狀態(tài)點參數(shù)模擬計算結(jié)果

表2 各部件負荷計算結(jié)果 kW

6 兩種循環(huán)系統(tǒng)的比較

（1）在發(fā)生溫度為150℃，冷卻水進口溫度32℃，蒸發(fā)溫度為－23℃工況下，常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)COP為0.345，無分凝器循環(huán)系統(tǒng)COP為0.328比前者低約4.9%，冷凝器負荷明顯增加，發(fā)生器和吸收器熱負荷略有增加。

（2）從系統(tǒng)的經(jīng)濟性方面考慮，無分凝器循環(huán)略遜一籌，但從系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性方面考慮，常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)則比較遜色。與常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)相比，無分凝器循環(huán)系統(tǒng)精餾所需的冷量完全由蒸發(fā)器排液提供，這樣，既簡化了冷卻水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，又回收了精餾熱，且避免了外界溫度變化對精餾塔內(nèi)部溫度的影響，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性大大提高。

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