增壓雙效氨水吸收制冷循環(huán)中分流比的確定與分析

蔡星辰 杜 塏 李彥軍

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

增壓雙效氨水吸收制冷循環(huán)中分流比的確定與分析

蔡星辰 杜 塏 李彥軍

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

提出了一種可以降低驅(qū)動雙效氨水吸收制冷循環(huán)熱源溫度的增壓雙效氨水吸收制冷循環(huán)，對該循環(huán)進行了理論分析，闡明該循環(huán)高溫級回路與低溫級回路之間存在一最佳的分流比.計算分析了增壓比、制冷溫度、熱源溫度、冷卻水溫度等因素變化對該循環(huán)分流比的影響規(guī)律.結(jié)果表明:該循環(huán)最佳的分流比隨著增壓比和制冷溫度的升高而降低，隨著冷卻水溫度的升高而增大，而熱源溫度對其影響存在一個臨界溫度，熱源溫度小于此臨界溫度時，分流比隨熱源溫度的升高而增大，熱源溫度大于此臨界溫度時，循環(huán)分流比基本不變.所得結(jié)論可為增壓雙效循環(huán)的設(shè)計、運行調(diào)節(jié)等提供參考依據(jù).

氨水吸收;增壓;雙效;分流比

隨著化石能源的逐漸枯竭，人們越來越重視太陽能、工業(yè)余熱等低品位熱能的利用.氨水吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)可以直接利用這些低品位的熱能制取0℃以下的冷量，但其熱力系數(shù)較低，因此，近年來吸引了眾多學(xué)者對其循環(huán)性能的提高進行研究［1-5］.

雙效循環(huán)是針對單級循環(huán)效率低下而提出的一種改進方法，是由兩級回路復(fù)疊而成的一種氨水吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng).Ezzine等［6］運用熱力學(xué)第一、第二定律對雙發(fā)生器的雙效氨水吸收制冷系統(tǒng)性能進行分析，指出雙效循環(huán)可顯著提高性能系數(shù).在國內(nèi)，徐士鳴［7］提出了一種中壓雙效復(fù)疊氨水吸收制冷循環(huán)，并對其進行研究，研究表明只有在冷卻水溫度較低、制冷劑蒸發(fā)溫度較高的條件下，該循環(huán)才能顯示其具有較高的制冷性能系數(shù)的優(yōu)點;張寶懷等［8］對雙效循環(huán)和傳統(tǒng)循環(huán)的制冷性能系數(shù)進行了比較，結(jié)果同樣表明，雙效循環(huán)在冷卻水溫度低于30℃且蒸發(fā)溫度高于－15℃的條件下有較高的COP值，而且其所需熱源溫度比較高.

雖然研究者們認為雙效循環(huán)可以有效地回收高溫級回路的放熱量，使系統(tǒng)運行性能系數(shù)得到提高，但基于循環(huán)本身的特點，如在相同的制冷溫度和冷卻水溫度條件下，需要的熱源溫度比較高，因而使其應(yīng)用范圍受到了一定的限制.因此，本文在雙效循環(huán)的基礎(chǔ)上提出了增壓雙效循環(huán)以拓展其應(yīng)用范圍.由于增壓過程的加入，系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)將發(fā)生相應(yīng)的變化，為了獲取增壓過程參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，本文借助于理論分析計算，著重對該循環(huán)高溫級與低溫級2個復(fù)疊回路內(nèi)部參數(shù)分流比進行模擬計算分析，力圖闡明增壓比、制冷溫度、冷卻水溫度、熱源溫度等對循環(huán)分流比確定的影響規(guī)律，為進一步研究該循環(huán)提供依據(jù).

1 增壓雙效氨水制冷循環(huán)理論分析

增壓雙效氨水吸收制冷循環(huán)流程如圖1所示.該循環(huán)由高溫級回路與低溫級回路復(fù)疊而成，它和一般雙效循環(huán)的區(qū)別是在過冷器和吸收器之間增加了一臺壓縮機，提高了兩級回路的吸收壓力.高溫級回路吸收器放出的熱量作為低溫級回路發(fā)生器的熱源，2個發(fā)生器在相同的發(fā)生壓力下產(chǎn)生的氨水混合蒸汽經(jīng)過各自精餾塔提純后混合，混合后的氨氣經(jīng)過冷凝器被冷凝為液體，氨液體經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流進入蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，產(chǎn)生制冷效應(yīng).蒸發(fā)產(chǎn)生的氨氣經(jīng)過冷器后進入壓縮機增壓，然后分別被高、低溫吸收器在相同的吸收壓力下吸收.

圖1 增壓雙效氨水吸收制冷循環(huán)

圖2 增壓雙效和雙效氨水吸收制冷循環(huán)的焓濃圖對比

圖2是增壓雙效循環(huán)流程和雙效循環(huán)流程在焓濃圖上的對比分析圖，其中ξ為濃度，h為焓值.在相同工況下，增壓雙效循環(huán)和雙效循環(huán)的區(qū)別在于加入了增壓過程，即提高了高溫級回路與低溫級回路的吸收壓力，其他過程一致.如圖2所示，在相同的制冷溫度和冷卻水溫度條件下，為了保證雙效循環(huán)能夠運行，高溫吸收的終了溫度t1'必須高于低溫發(fā)生溫度t14'.在保證一定放氣范圍的基礎(chǔ)上，雙效循環(huán)的驅(qū)動熱源溫度t'h必須維持在較高的水平上，不利于余熱的回收利用.由于增壓過程的加入，吸收壓力提高，增壓雙效循環(huán)在PA壓力下吸收，在保證放氣范圍不變的情況下，低溫發(fā)生溫度向右移動變?yōu)閠14，吸收溫度和熱源溫度也跟著右移.由此可以看出，由于向系統(tǒng)增加了少量的機械能，增壓雙效循環(huán)可以顯著降低驅(qū)動雙效循環(huán)熱源的溫度，同時可有效地利用高溫級回路的吸收熱，從而使利用熱能驅(qū)動的氨水吸收式制冷循環(huán)實用范圍得以拓展.

2 增壓雙效循環(huán)分流比的確定

在雙效氨水吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)中，為了保證高溫級循環(huán)吸收過程所放出的熱量足以供給低溫級溶液循環(huán)發(fā)生所需，在某一工況下，高、低溫級循環(huán)產(chǎn)生的氨氣必須有個合理的分流比.

分流比定義如下:

式中，mg為高溫級氨氣循環(huán)量;md為低溫級氨氣循環(huán)量.

由于2個回路溶液循環(huán)相對獨立，可以按照2個回路單獨進行熱力計算來確定各狀態(tài)點參數(shù)，最后根據(jù)高溫級吸收器的放熱負荷等于低溫級發(fā)生器的吸熱負荷的原則，計算得出循環(huán)所需的分流比.該分流比是高溫級回路與低溫級回路能夠復(fù)疊運行所必須遵循的熱量守恒原則.

1)高溫級吸收器單位熱負荷

式中，fg為高溫級回路循環(huán)倍率;hi為圖1所示循環(huán)過程中狀態(tài)i點的焓值.

式中，ξ'i為液相濃度;ξ″i為氣相濃度.2)低溫級發(fā)生器單位熱負荷

式中，fd為低溫級回路循環(huán)倍率;qRd為低溫級回路精餾單位熱負荷.

式中，λ為精餾效率;h'i為液相焓值;h″i為氣相焓值.

3)低溫級發(fā)生熱負荷和高溫級吸收熱負荷守恒

式中，η為高溫吸收和低溫發(fā)生過程之間的換熱率.

將式(2)～(6)代入式(7)中，再由分流比定義推導(dǎo)出分流比關(guān)系式，可得

圖3 分流比的確定框圖

圖3給出了循環(huán)所需分流比的確定框圖.為了計算準確，本文根據(jù)循環(huán)的特點將熱電轉(zhuǎn)化效率引入性能系數(shù)定義中，故圖3中性能系數(shù)COP的定義如下:

式中，QE為制冷量;QGg為高溫發(fā)生器的熱負荷;W為壓縮機耗功;η*為熱電轉(zhuǎn)換效率.

3 變工況對循環(huán)分流比確定的影響

模擬計算時采用Schulz［9］提出的氨水溶液飽和狀態(tài)方程.在模擬過程中，假設(shè):① 系統(tǒng)管路壓力損失為零;② 各換熱設(shè)備傳熱溫差取5℃;③溶液熱交換器的效率取0.95;④精餾效率λ取0.8;⑤ 熱電轉(zhuǎn)換效率 η*取 0.35［10］;⑥ 壓縮過程為絕熱壓縮過程，計算公式見文獻［11］，壓縮效率取0.7;⑦ 精餾提純后的氨氣濃度取0.998;⑧ 高溫吸收與低溫發(fā)生過程之間的換熱率η取0.85.

3.1 增壓比的影響

增壓比的定義如下:

式中，P12為壓縮機進口氨氣壓力;P13為壓縮機出口氨氣壓力.

圖4給出了在th=150℃，tw=32℃的運行條件下，分流比a在指定的3個制冷溫度下隨增壓比的變化規(guī)律.從圖中可看出，循環(huán)分流比a隨著增壓比的增大而減少，這是因為在其他條件不變的情況下，隨著增壓比的增大，吸收壓力提高，吸收終了的氨水濃度增大，高低溫級放氣范圍都有所增加，但由于氨水本身的性質(zhì)特點，低溫級放氣范圍的變化量更大，故低溫級回路單位發(fā)生熱負荷減少的量大于高溫級單位吸收熱負荷減少量，為了充分利用吸收熱，低溫回路氨循環(huán)量增加，循環(huán)分流比a降低.

圖4 分流比a隨增壓比β的變化(th=150℃，tw=32℃)

3.2 冷卻水溫度的影響

圖5給出了在th=150℃，β=4時，分流比a隨冷卻水溫度的變化規(guī)律.在熱源溫度、制冷溫度和增壓比不變的情況下，隨著冷卻水溫度的升高，吸收終了的氨水濃度降低，而且冷凝壓力提高也會使低溫級回路發(fā)生終了的氨水濃度提高，因此低溫發(fā)生器溶液循環(huán)放氣范圍變小，低溫發(fā)生器單位發(fā)生熱負荷增加，低溫級回路所需的氨氣循環(huán)量減少，致使分流比a逐漸提高.

圖5 分流比a隨冷卻水溫度的變化(th=150℃，β=4)

3.3 制冷溫度的影響

圖6為在th=150℃，β=4時，分流比a隨制冷溫度的變化情況，從圖中可看出，在增壓比一定時，隨著制冷溫度的提高，吸收壓力提高，吸收終了的氨水濃度增大，兩級回路的放氣范圍都相應(yīng)提高.和增壓比的影響相似，低溫級單位發(fā)生熱負荷減少量大于高溫級吸收熱負荷減少量，低溫回路氨循環(huán)量必須有所增加，因此循環(huán)分流比a隨著制冷溫度的升高而變小.

圖6 分流比a隨制冷溫度的變化(th=150℃，β=4)

3.4 熱源溫度的影響

圖7為在to=－15℃，tw=32℃，β=4時，分流比a隨熱源溫度的變化規(guī)律.從圖中可看出，在其他條件不變的情況下，熱源溫度通過影響高溫級回路的放氣范圍來影響循環(huán)分流比a.隨著熱源溫度的增加，高溫級回路放氣范圍增大，高溫級回路單位發(fā)生熱負荷減少，根據(jù)能量守恒，高溫級單位吸收熱負荷也相應(yīng)減少，為了使循環(huán)能夠保持最佳運行，高溫級回路的氨循環(huán)量需要增大，由分流比定義可知，分流比a增大.但當熱源溫度上升到一定值時，從溶液中發(fā)生出的水蒸氣含量增加，致使精餾負荷增加，從而使高溫級加熱量增加速率等于甚至超過放氣范圍增大所帶來的發(fā)生熱負荷減少速率，故分流比a基本保持不變，略微有所下降.因此，熱源溫度對循環(huán)分流比a的影響存在一個臨界溫度，當熱源溫度低于臨界溫度時，分流比a隨熱源溫度的升高而增大，但當熱源溫度高于臨界溫度后，循環(huán)分流比略微下降.

圖7 分流比a隨熱源溫度的變化(to=－15℃，tw=32℃，β=4)

4 結(jié)論

1)增壓雙效循環(huán)可以顯著降低驅(qū)動雙效循環(huán)熱源的溫度，克服了驅(qū)動熱源溫度較高的缺點，從而使利用熱能驅(qū)動的氨水吸收式制冷循環(huán)實用范圍得以拓展.

2)分析計算得出，增壓雙效氨水吸收制冷循環(huán)在一定的工況條件下，存在一最佳循環(huán)所需的分流比a，該分流比隨增壓比和制冷溫度的升高而降低，隨冷卻水溫度的升高而增大;而熱源溫度對其影響存在一個臨界溫度值，熱源溫度小于此臨界值時，分流比隨熱源溫度的升高而升高，熱源溫度大于此臨界值時，循環(huán)分流比a基本保持不變，略微有所下降.此結(jié)論可為增壓雙效氨水吸收制冷循環(huán)設(shè)計以及變工況運行控制調(diào)節(jié)提供參考依據(jù).

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Determination and analysis of diversion ratio in boosting double-effect ammonia-water absorption refrigeration cycle

Cai Xingchen Du Kai Li Yanjun
(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China)

A boosting double-effect ammonia-water absorption refrigeration cycle is proposed that can lower the heat source temperature of double-effect ammonia-water absorption refrigeration cycle.Theoretical analysis of this cycle is made to demonstrate that an optimal diversion ratio exists between high temperature stage and low temperature stage.Influences of changes in pressurization ratio，refrigeration temperature，heat source temperature and cooling water temperature on the determination of diversion ratio are calculated and analyzed.The results show that the optimal diversion ratio in the cycle decreases with the increase of pressurization ratio and refrigeration temperature，and increases with the increase of cooling water temperature，while heat source temperature has a critical temperature value.When the heat source temperature is lower than the critical value，the optimal diversion ratio increases with the increase of heat source temperature，otherwise，the optimal diversion ratio is almost unchanged.The results provide a reference for the design and operation of the boosting double-effect ammonia-water absorption refrigeration cycle.

ammonia-water absorption;pressurization;double effect;diversion ratio

TB61

A

1001－0505(2012)06-1127-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.020

2012-04-11.

蔡星辰(1989—)，男，碩士生;杜塏(聯(lián)系人)，男，教授，博士生導(dǎo)師，du-kai@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51176029).

蔡星辰，杜塏，李彥軍.增壓雙效氨水吸收制冷循環(huán)中分流比的確定與分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，42(6):1127-1131.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.020］