王 瑛,李 靜,王克良,李 琳,連明磊,葉 昆,李國(guó)雨,劉漢國(guó)
(1. 六盤(pán)水師范學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程系,貴州 六盤(pán)水 553004;2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 華北分公司,河北 任丘 062552)
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含離子液體工質(zhì)對(duì)的吸收式制冷循環(huán)特性分析
王 瑛1,李 靜1,王克良1,李 琳1,連明磊1,葉 昆2,李國(guó)雨1,劉漢國(guó)1
(1. 六盤(pán)水師范學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程系,貴州 六盤(pán)水 553004;2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 華北分公司,河北 任丘 062552)
選擇兩種強(qiáng)親水性離子液體1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯鹽[Emim]DEP和1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯鹽[Mmim]DMP為吸收劑. 對(duì)于H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系作為新型工質(zhì)對(duì)應(yīng)用到吸收式制冷循環(huán)中的性能系數(shù)和循環(huán)倍率進(jìn)行了計(jì)算,同傳統(tǒng)吸收式循環(huán)工質(zhì)對(duì)H2O-LiBr體系進(jìn)行比較,兩個(gè)體系均具有較高的性能系數(shù),H2O-[Mmin]DMP體系更加具有成為高效吸收式工質(zhì)對(duì)的潛力. 最后分析了發(fā)生溫度、 蒸發(fā)溫度和吸收溫度等因素對(duì)循環(huán)性能的影響.
離子液體; 吸收式制冷; 循環(huán)特性
近年來(lái),吸收式制冷循環(huán)引起了人們廣泛關(guān)注[1-3]. 該循環(huán)主要優(yōu)勢(shì)在于能夠利用低品位熱做功制冷,而不是采用費(fèi)用較高的電能[4],其廣泛應(yīng)用于化工、 制藥、 鋼鐵和電力等各個(gè)領(lǐng)域.
傳統(tǒng)應(yīng)用的溴化鋰及氯化鋰溶液存在易結(jié)晶、 高溫時(shí)對(duì)設(shè)備腐蝕性強(qiáng)等缺陷,嚴(yán)重影響循環(huán)性能[5]. 針對(duì)這些缺陷問(wèn)題,很多學(xué)者提出將離子液體作為吸收劑引入到工質(zhì)對(duì)中. Yokozeki 等[6-9]研究了不同的離子液體分別與水、 NH3、 氟利昂配對(duì)組成的新型吸收式制冷循環(huán)工質(zhì). Kim 等[10]測(cè)定了[Bmim]Br-H2O體系和[Bmim]BF4-H2O體系的汽液相平衡數(shù)據(jù),并用Antoine方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián),認(rèn)為這兩個(gè)體系具有作為吸收式循環(huán)工質(zhì)對(duì)的潛力. Sun 等[11]基于基團(tuán)貢獻(xiàn)法研究了離子液體與氨水組成的工質(zhì)對(duì)在循環(huán)中的應(yīng)用.
本文選擇了兩種強(qiáng)親水性離子液體1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯鹽[Emim]DEP和1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯鹽[Mmim]DMP作為吸收劑. 將H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系作為新型工質(zhì)對(duì)應(yīng)用到單效吸收式制冷循環(huán)中,對(duì)其性能進(jìn)行研究. 基于文獻(xiàn)中已經(jīng)發(fā)表的H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系的氣液相平衡數(shù)據(jù)、 比熱容數(shù)據(jù)[12-14]等,關(guān)聯(lián)建立了這些工質(zhì)對(duì)的物性模型,研究了新工質(zhì)對(duì)應(yīng)用到單效吸收式制冷循環(huán)中的特性,探索其是否具有成為新型高效工質(zhì)對(duì)的潛力.
單效吸收式循環(huán)是最簡(jiǎn)單的吸收式循環(huán),主要由冷凝器、 發(fā)生器、 蒸發(fā)器和吸收器構(gòu)成. 圖 1 為單效吸收式制冷循環(huán)的示意圖. 單效主要是指加入到循環(huán)中的發(fā)生熱量被利用一次. 對(duì)于水-離子液體體系來(lái)說(shuō),水為制冷劑組分,離子液體為吸收劑組分.
圖1 單效吸收式制冷循環(huán)示意圖
對(duì)吸收式制冷循環(huán)進(jìn)行如下假設(shè):所有裝置均處于穩(wěn)定和熱力學(xué)平衡狀態(tài); 在制冷循環(huán)中,蒸發(fā)器與吸收器的工作壓力相等; 發(fā)生器和冷凝器的工作壓力相等; 換熱器SHX的最小傳熱溫差為5 K; 裝置與外界環(huán)境沒(méi)有熱交換; 溶液泵功忽略不計(jì).
為了更詳細(xì)地分析單效吸收式流程圖,各個(gè)設(shè)備間的物流分布情況見(jiàn)圖 2. 其中縱坐標(biāo)為系統(tǒng)壓力,橫坐標(biāo)為系統(tǒng)溫度.
圖2 P-T圖上的單效循環(huán)分析圖
在發(fā)生器G中,在溫度TG下加入外部熱量QG; 蒸發(fā)器E中,在溫度TE下,從外部取得熱量QE; 在吸收器A和冷凝器C中,分別在溫度TA和TC下向外放熱. 因此,根據(jù)能量平衡關(guān)系,有
QG+QE=QA+QC.
(1)
性能系數(shù)COP(Coefficient of Performance)是評(píng)價(jià)吸收式制冷循環(huán)的一個(gè)重要指標(biāo),反映了消耗單位能量所制得的冷量. 其定義式[15]為
(2)
式中:QE為蒸發(fā)器的制冷量,kW;QG為發(fā)生器所需的加熱量,kW.
循環(huán)倍率f是評(píng)價(jià)循環(huán)特性的另一個(gè)重要參數(shù). 循環(huán)倍率增大,通常意味著設(shè)備成本和操作費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)增大. 所以人們通常追求在盡量小的循環(huán)倍率下,達(dá)到盡可能大的性能系數(shù).
溶液的循環(huán)倍率為
(3)
式中:ms為進(jìn)入發(fā)生器的稀溶液的質(zhì)量流量,kg/s;mr為發(fā)生器蒸發(fā)出水蒸氣的質(zhì)量流量,kg/s. 其物理意義為發(fā)生器蒸發(fā)出1 kg水蒸氣所需的進(jìn)入發(fā)生器的稀溶液的質(zhì)量.
由圖 2 可見(jiàn),進(jìn)入發(fā)生器的稀溶液3中離子液體的質(zhì)量為msw2,流出發(fā)生器的離子液體質(zhì)量為(ms-mr)w4,由于發(fā)生過(guò)程中只有水的蒸發(fā),離子液體的質(zhì)量保持不變,即離子液體進(jìn)入和流出的質(zhì)量保持不變,則
msw2=(ms-mr)w4.
(4)
等式兩邊同除以mr,并將式(3)代入式(4)中,得
(5)
以下循環(huán)過(guò)程按照循環(huán)單位質(zhì)量的制冷劑來(lái)進(jìn)行分析,根據(jù)熱平衡關(guān)系有:
冷凝器的單位熱負(fù)荷
QC=h6-h7.
(6)
蒸發(fā)器的單位熱負(fù)荷
QE=h1-h7.
(7)
吸收器的單位熱負(fù)荷
QA=h1+f(h5-h2)-h5.
(8)
發(fā)生器的單位熱負(fù)荷
QG=h6+f(h4-h3)-h4.
(9)
則
(10)
式中:hi為物流i的比焓,kJ/kg;wi為物流i的質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù).
在循環(huán)性能計(jì)算中,設(shè)定蒸發(fā)器溫度為10 ℃,冷凝器溫度為40 ℃,吸收器溫度為30 ℃,發(fā)生器溫度變化范圍為58~105 ℃. 對(duì)H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系的循環(huán)性能進(jìn)行了計(jì)算,列于表 1.
表1 兩個(gè)工質(zhì)對(duì)的單效循環(huán)性能比較
將H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系的性能系數(shù)同傳統(tǒng)工質(zhì)對(duì)H2O-LiBr進(jìn)行比較,見(jiàn)圖 3. H2O-LiBr體系的性能數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[16].
圖3 3種不同工質(zhì)對(duì)的性能系數(shù)隨發(fā)生溫度的變化
由圖 3 可以看出,隨著發(fā)生溫度TG的升高,3種工質(zhì)對(duì)的單效吸收制冷循環(huán)的性能系數(shù)COP先急劇升高后趨于平穩(wěn)并略有下降的趨勢(shì). 在性能系數(shù)平穩(wěn)段,H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系均呈現(xiàn)出高于H2O-LiBr體系的COP,且操作范圍也較寬.
圖4 H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系的循環(huán)倍率隨發(fā)生溫度的變化
由圖 4 可以看出,隨著發(fā)生溫度TG的升高,兩個(gè)體系的循環(huán)倍率f先急劇下降后趨于平穩(wěn),降低的趨勢(shì)依然存在,但是降低程度比較緩慢. 在相同的操作條件下,H2O-[Mmim]DMP體系的循環(huán)倍率f要低于H2O-[Emim]DEP體系. 較低的循環(huán)倍率也意味著設(shè)備成本和操作費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)降低. 綜合比較圖 3 和圖 4 可以看出,隨著發(fā)生溫度的升高,性能系數(shù)和循環(huán)倍率呈現(xiàn)了相反的趨勢(shì). 基于上述性能系數(shù)COP和循環(huán)倍率f的比較,可以看出兩個(gè)體系都呈現(xiàn)出了成為新型高效工質(zhì)對(duì)的潛力,特別是H2O-[Mmim]DMP體系的循環(huán)性能更加優(yōu)良.
在此基礎(chǔ)上,繼續(xù)對(duì)蒸發(fā)溫度和吸收溫度對(duì)體系的性能系數(shù)、 循環(huán)倍率和放氣范圍等性能參數(shù)的影響進(jìn)行了計(jì)算和分析. 由圖5和圖6可以看出,隨著蒸發(fā)溫度的升高,兩個(gè)體系的制冷量QE也呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì),COP也相應(yīng)升高. 這主要是因?yàn)殡S著蒸發(fā)溫度的升高,蒸發(fā)壓力也升高,相應(yīng)地物流7經(jīng)過(guò)節(jié)流閥后的汽化量減小,則冷凝水在蒸發(fā)器中吸收的熱量會(huì)增加,即制冷量QE增大,由式(2)可知,QE增大,相應(yīng)地COP也會(huì)增大.
圖5 兩個(gè)體系的制冷量隨蒸發(fā)溫度的變化
圖6 兩個(gè)體系的性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化
圖7 是兩個(gè)體系的放氣范圍隨著吸收溫度的變化趨勢(shì). 可以看出,隨著吸收溫度的逐漸升高,體系的放氣范圍呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì). 這主要是因?yàn)槲掌鲏毫Υ_定后,隨著吸收溫度的升高,吸收器出口稀溶液的濃度會(huì)相應(yīng)增加,進(jìn)而放氣范圍降低. 在相同的吸收溫度下,H2O-[Mmim]DMP體系明顯具有更寬的放氣范圍.
圖8 是兩個(gè)體系的循環(huán)倍率隨著吸收溫度的變化趨勢(shì). 可以看出,隨著吸收溫度的升高,f呈現(xiàn)單調(diào)增大的趨勢(shì). 由式(5)可知,放氣范圍降低,則循環(huán)倍率相應(yīng)地升高. 在相同的吸收溫度下,H2O-[Mmim]DMP體系明顯具有更低的循環(huán)倍率. 綜合比較圖3和圖6,圖4和圖8可以看出,發(fā)生溫度、 蒸發(fā)溫度和吸收溫度3個(gè)因素對(duì)于循環(huán)的性能系數(shù)和循環(huán)倍率影響最大的是發(fā)生溫度. 因此,為了獲得較高的性能系數(shù)和較低的循環(huán)倍率,應(yīng)在確定了合適的發(fā)生溫度后再選擇最優(yōu)的蒸發(fā)溫度和吸收溫度.
圖7 兩個(gè)體系的放氣范圍隨吸收溫度的變化
圖8 兩個(gè)體系的循環(huán)倍率隨吸收溫度的變化
1) 計(jì)算了H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系應(yīng)用到單效吸收式制冷循環(huán)中的性能系數(shù),同傳統(tǒng)吸收式循環(huán)工質(zhì)對(duì)H2O-LiBr體系進(jìn)行了比較. 兩個(gè)體系的性能系數(shù)均高于H2O-LiBr體系,且均有較寬的操作范圍.
2) H2O-[Mmim]DMP體系對(duì)相比H2O-[Emim]DEP體系,性能系數(shù)更高、 循環(huán)倍率更小、 放氣范圍更寬,這些性質(zhì)表明H2O-[Mmim]DMP體系更加具有成為高效吸收式工質(zhì)對(duì)的潛力.
3) 分析了發(fā)生溫度、 蒸發(fā)溫度和吸收溫度等工況對(duì)工質(zhì)對(duì)循環(huán)性能的影響. 隨著發(fā)生溫度的升高,性能系數(shù)先急劇升高后逐漸趨于平穩(wěn)并略有下降. 循環(huán)倍率先急劇下降后逐漸趨于平穩(wěn),降低的趨勢(shì)依然存在,但是降低程度比較緩慢; 隨著蒸發(fā)溫度的升高,體系的制冷量也呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì),性能系數(shù)也相應(yīng)升高; 隨著吸收溫度的增加,體系的放氣范圍逐漸降低,循環(huán)倍率則呈現(xiàn)單調(diào)增大的趨勢(shì).
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Study on Absorption Refrigeration Cycle with New Working Pairs Containing Ionic Liquids
WANG Ying1, LI Jing1, WANG Ke-liang1, LI Lin1, LIAN Ming-lei1,YE Kun2, LI Guo-yu1, LIU Han-guo1
(1. Dept. of Chemistry and Chemical Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui 553004, China;2. North China Company, China Petroleum Engineering Co. Ltd., Renqiu 062552, China)
Two ionic liquids 1-ethyl-3-methylimidazolium diethylphosphate ([Emim]DEP) and 1-methyl-3-methylimidazolium dimethylphosphate ([Mmim]DMP), which have super water-absorption capabity, were selected as absorbents in this study. Coefficient of performance(COP) and solution circulation ratio(f) of H2O-[Emim]DEP system and H2O-[Mmim]DMP system as new working pairs for absorption refrigeration cycles were calculated and compared with the traditional lithium bromide-water working pair. Two systems both had higher COP. At last, the influences of generation temperature, evaporating temperature, absorption temperature and other factors on the cycle performance were analyzed.
ionic liquid; absorption refrigeration; cycle performance
2016-03-29 基金項(xiàng)目:貴州省科技廳聯(lián)合基金項(xiàng)目(黔科合J字LKLS[2013]28號(hào)); 貴州省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(黔教合KY字[2014]282); 國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310977005); 貴州省普通高等學(xué)校煤系固體廢棄物資源化技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(黔教合人才團(tuán)隊(duì)字[2014]46號(hào)); 貴州省教育廳特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目([2011]278)
王 瑛(1993-),女,主要從事制冷工質(zhì)技術(shù)研究.
李 靜(1986-),女,碩士,講師,主要從事工程熱物理及能源高效利用技術(shù)的研究.
1673-3193(2016)05-0511-05
TQ013
A
10.3969/j.issn.1673-3193.2016.05.014