傳質(zhì)換熱過(guò)程的溴化鋰吸收式制冷循環(huán)分析

張少波,孫文哲,宋忠源,陳盼盼,劉 荔( 上海海事大學(xué)，上海 200120 )

傳質(zhì)換熱過(guò)程的溴化鋰吸收式制冷循環(huán)分析

張少波,孫文哲,宋忠源,陳盼盼,劉 荔
( 上海海事大學(xué)，上海 200120 )

本文提出了傳質(zhì)換熱過(guò)程的單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)，運(yùn)用能量守恒和質(zhì)量守恒原理對(duì)循環(huán)各部件建立熱力學(xué)模型，使用EES編程對(duì)其與常規(guī)單效吸收循環(huán)進(jìn)行模擬計(jì)算與比較。結(jié)果表明，傳質(zhì)回?zé)嵫h(huán)的COP在大部分工況下有所提升，其發(fā)生所需熱源溫度有所降低。該循環(huán)不僅可以利用常規(guī)單效循環(huán)所不能利用的低品位熱源，而且減少了冷卻水的消耗。同時(shí),該循環(huán)開(kāi)拓了吸收式制冷循環(huán)新的研究方向,并豐富了其理論研究的內(nèi)容。

LiBr-H2O溶液;傳質(zhì)回?zé)?熱力模擬計(jì)算；膜蒸餾；吸收式制冷

1 引言

溴化鋰制冷技術(shù)近年來(lái)在回收低品位熱能方面應(yīng)用廣泛，但回收的低品位熱能大多為蒸汽凝液或低壓蒸汽，溫度大多在90℃以上[1]。近些年來(lái),出于保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的需要,吸收式制冷有了很大發(fā)展。吸收式制冷在利用余熱方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，其中，溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率高，且是目前最成熟和安全環(huán)保的方式[2,3]。

采用溴化鋰-水為工質(zhì)對(duì)的吸收式制冷循環(huán)，可以在發(fā)生溫度為90～110℃之間運(yùn)行并使COP達(dá)到0.75左右。由于本身特性限制，其使用范圍并不廣泛，受驅(qū)動(dòng)熱源溫度、冷卻溫度等條件限制。當(dāng)熱源溫度過(guò)低時(shí)(如熱源溫度低于85℃時(shí))，熱能品位又不足以使進(jìn)入發(fā)生器的溶液發(fā)生，此時(shí)，一般考慮采用兩級(jí)吸收循環(huán)來(lái)解決[4]。相應(yīng)地為能有效利用低品位熱源，眾多學(xué)者提出了多種非常規(guī)循環(huán)，如華中理工大學(xué)耿瑋、朱玉群等提出的SE/DL循環(huán)[5]；華中科技大學(xué)萬(wàn)忠民等提出的太陽(yáng)能混合吸收式制冷循環(huán)[6]；東南大學(xué)陳亞平等提出的1.x級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)[7]。

總的來(lái)說(shuō)，這些改進(jìn)型循環(huán)都是從加強(qiáng)單效循環(huán)的作用來(lái)提高兩級(jí)吸收式制冷循環(huán)的效率，且均建立在傳統(tǒng)的吸收式制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上。因此，一種真正能夠節(jié)約熱源，將能量充分利用的新型制冷循環(huán)成為新的研究方向。

2 傳質(zhì)回?zé)徇^(guò)程的溴化鋰吸收式制冷循環(huán)

2.1 常規(guī)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)

圖1 直接接觸式蒸餾膜傳質(zhì)傳熱示意圖

常規(guī)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)理論上是由等壓冷卻吸收、等壓加熱發(fā)生和等濃度回?zé)徇^(guò)程組成,在迪林圖上溶液的循環(huán)可表示為圖3中的1-2-3′-4′-5-6，其中換熱過(guò)程2-3′和4′-5由傳統(tǒng)溶液換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)。水蒸汽在發(fā)生器中被蒸發(fā)分離出來(lái)，而后經(jīng)冷凝器冷凝、節(jié)流閥節(jié)流降壓、蒸發(fā)器蒸發(fā)后進(jìn)入吸收器被濃溶液吸收，其過(guò)程在圖1上表示為7-8-9-10。常規(guī)循環(huán)使得發(fā)生溫度較高，因而對(duì)于溫度低于85℃左右的低品位熱源只有通過(guò)兩級(jí)吸收才能實(shí)現(xiàn)制冷；而多效機(jī)的高壓發(fā)生器會(huì)要求較高的發(fā)生溫度，從而帶來(lái)了高溫溶液腐蝕、高溫溶液表面活性劑及緩蝕劑失效和高壓壓力控制等問(wèn)題，這些問(wèn)題也是三效機(jī)商品化的主要障礙。

2.2 傳質(zhì)傳熱溶液換熱器

應(yīng)用傳質(zhì)換熱的循環(huán)中，由于溴化鋰溶液為鹽溶液，而海水亦為多組分鹽溶液，所以新循環(huán)中傳質(zhì)換熱器采用與海水淡化處理一樣的直接接觸式膜蒸餾傳質(zhì)換熱技術(shù)(如圖1)，本文膜材料選取PVDF(聚偏氟乙烯)，該材料是通過(guò)干-濕相轉(zhuǎn)化法制成的中空纖維微孔膜，具有孔隙率高、耐高溫、膜通量大、化學(xué)穩(wěn)定性高、耐污染性好以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[8]。膜蒸餾是膜技術(shù)與蒸發(fā)過(guò)程相結(jié)合的膜分離過(guò)程，其所用的膜為不被待處理的溶液潤(rùn)濕的疏水微孔膜。膜的一側(cè)與熱的待處理的溶液直接接觸(稱為熱側(cè))，即出發(fā)生器的溴化鋰濃溶液；另一側(cè)直接或間接地與冷的水溶液接觸(稱為冷側(cè))，即進(jìn)發(fā)生器前的溴化鋰稀溶液。熱側(cè)溶液中易揮發(fā)的組分(水)在膜面處汽化通過(guò)膜進(jìn)入冷側(cè)并被冷凝成液體，其他組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)混合物分離或提純的目的。膜蒸餾是熱量和質(zhì)量同時(shí)傳遞的過(guò)程，傳質(zhì)的推動(dòng)力為膜兩側(cè)透過(guò)組分的蒸汽壓差，該蒸汽壓差由溶液間溫差所決定[9]。同膜蒸餾分離出純物質(zhì)相比,膜蒸餾傳質(zhì)換熱所需的膜兩側(cè)流體的溫差低,通過(guò)膜的導(dǎo)熱量小；并且膜蒸餾傳質(zhì)換熱器的根本目的是換熱,所以通過(guò)膜的傳熱并不導(dǎo)致熱損失[10]。

圖2 傳質(zhì)傳熱溶液換熱器示意圖

傳質(zhì)傳熱溶液換熱器可采用殼管式，將流體分為殼側(cè)和管側(cè)兩部分，其中溴化鋰稀溶液即冷流體流經(jīng)殼側(cè)，熱流體流經(jīng)膜管側(cè)，兩種流體逆向流動(dòng)。具體該換熱器結(jié)構(gòu)及流體走向見(jiàn)圖2，圖2中放大圖為采用直接接觸蒸餾膜技術(shù)制成的單根膜管微觀示意圖。整個(gè)換熱器中排布著成百上千根小膜管，膜管孔徑(η)小到和水蒸氣分子的平均自由程的量級(jí)相當(dāng)。在疏水膜表面，能通過(guò)的只有水蒸氣，水蒸氣通過(guò)擴(kuò)散同時(shí)將潛熱傳遞到冷側(cè)部分。在傳質(zhì)傳熱的溴化鋰新循環(huán)中，由發(fā)生器輸送到吸收器的溴化鋰濃溶液溫度高于換熱器另一側(cè)的由吸收器輸送到發(fā)生器的溴化鋰稀溶液。所以在膜兩側(cè)水蒸氣壓差作用下，冷側(cè)稀溶液獲得水分濃度進(jìn)一步變稀，熱側(cè)濃溶液進(jìn)一步濃縮。

2.3 應(yīng)用傳質(zhì)傳熱換熱器的吸收式制冷循環(huán)

采用傳質(zhì)傳熱溶液換熱器的溴化鋰吸收式制冷循環(huán)與常規(guī)循環(huán)相比，較為明顯的是在溶液熱交換過(guò)程中，前者是變濃度換熱過(guò)程，而后者為等濃度換熱過(guò)程。從發(fā)生器出來(lái)的溴化鋰濃溶液在流經(jīng)傳質(zhì)回?zé)崞鞯倪^(guò)程中，透過(guò)疏水性蒸餾膜向另一側(cè)傳遞水分。使得濃溶液濃縮且進(jìn)入吸收器時(shí)的焓值有所降低；另一側(cè)的稀溶液在進(jìn)入發(fā)生器前稀釋且焓值升高。這表現(xiàn)在迪林圖上(圖3)為2點(diǎn)到3′點(diǎn)的等濃度過(guò)程線向左偏移變?yōu)?-3，從4′點(diǎn)到5點(diǎn)的過(guò)程線向右偏移變?yōu)?-5，如圖2所示，溶液變化過(guò)程變?yōu)?-2-3-4-5-6，從迪林圖上可以看出發(fā)生器起始、終止溫度均有所降低，水的循環(huán)變化過(guò)程同常規(guī)循環(huán)一樣，為7-8-9-10。兩種循環(huán)具體差異在于不同換熱器所對(duì)應(yīng)的換熱過(guò)程的傳質(zhì)量不同，新循環(huán)的傳質(zhì)量不為零，而常規(guī)循環(huán)沒(méi)有傳質(zhì)量。

圖3 傳質(zhì)傳熱循環(huán)與傳統(tǒng)循環(huán)的比較

對(duì)整個(gè)循環(huán)的分析是基于以下假設(shè)的：

1)不計(jì)管路阻力，忽略蒸發(fā)器吸收器間、發(fā)生器與冷凝器間的壓力差；

2)冷凝器出口的水處于飽和狀態(tài)，蒸發(fā)器出口的蒸汽處于飽和狀態(tài)；

3)不考慮泵的能耗與節(jié)流損失，即等焓過(guò)程；

4)溶液發(fā)生、吸收終了時(shí)都處于飽和狀態(tài)；

5)傳質(zhì)回?zé)崞鱾髻|(zhì)傳熱過(guò)程不計(jì)其熱損失，視為理想情況。

總而言之，整個(gè)循環(huán)基本是處于理想情況下運(yùn)行的。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算模型

3.1 擬計(jì)算過(guò)程

該模擬采用的軟件為EES，EES是一款(工程用)方程(公式)求解器，其內(nèi)嵌的大量熱力學(xué)和流體力學(xué)方面的數(shù)據(jù)使得它在解決工程熱力學(xué)，流體力學(xué)，傳熱學(xué)的許多問(wèn)題上都顯得相當(dāng)?shù)目旖莺捅憷?。此外，它能?jiǎn)明準(zhǔn)確的表達(dá)出循環(huán)過(guò)程的物料、能量守恒關(guān)系及各點(diǎn)的工況。設(shè)定新循環(huán)以及常規(guī)循環(huán)在以下條件下工作：

1)制冷量為10kW，流量為1kg/s；

2)冷卻水溫度為32℃，在吸收器冷凝器中溫升分別為4.4℃和3.6℃；

3)冷凍水水溫為5℃，蒸發(fā)溫度3℃；

4)高壓側(cè)壓力為9.6 kPa，低壓側(cè)為0.757 kPa；

5)常規(guī)循環(huán)與新循環(huán)除流程有差別外，其它所設(shè)條件相同。

系統(tǒng)參數(shù)的選擇參考文獻(xiàn)[11]，參照?qǐng)D2，根據(jù)冷卻水溫度及溫升可以確定出吸收器稀溶液(1點(diǎn))溫度為36.4℃，由該點(diǎn)溫度及低壓側(cè)壓力可以通過(guò)EES調(diào)用關(guān)系式將1點(diǎn)狀態(tài)值確定，經(jīng)節(jié)流閥后的2點(diǎn)焓值等于1點(diǎn)。取熱交換器冷端溫差為10℃，則5點(diǎn)溫度得以確定，同1點(diǎn)算法一樣，5點(diǎn)各狀態(tài)參數(shù)亦可確定，節(jié)流后6點(diǎn)焓值等于5點(diǎn)。其余各點(diǎn)同1、5點(diǎn)確定過(guò)程方法類(lèi)似，建立數(shù)學(xué)關(guān)系后可一一確定，這里不再贅述。出發(fā)生器水蒸氣溫度(7點(diǎn))取3、4兩點(diǎn)溫度的算術(shù)平均值。根據(jù)質(zhì)量守恒與能量守恒對(duì)各部件建立熱力學(xué)模型：

傳質(zhì)換熱器：

Q0=m3h3-m2h2=m4h4-m5h5

(1)

式中Q0為濃、稀溶液的換熱量。

m0=m3-m2=m4-m5

(2)

式中m0為經(jīng)傳質(zhì)回?zé)崞鞯膫髻|(zhì)量。

m3x3=m4x4=m5x5=m2x2

(3)

該式表明四點(diǎn)溴化鋰的量始終保持不變，變化的只是溶劑水那一部分。

發(fā)生器：

m3=m4+m7

(4)

h3m3-h4m4-h7m7+Qg=0

(5)

式中Qg發(fā)生器加熱量。

冷凝器：

Qc=m7(h7-h8)

(6)

式中Qc為冷凝熱。

蒸發(fā)器：

Qe=m9(h10-h9)

(7)

式中Qe為制冷量。

吸收器：

m10h10+m5h5-Qa-m2h2=0

(8)

式中Qa為吸收器吸收過(guò)程放出的熱量。

可確定的各狀態(tài)點(diǎn)質(zhì)量流量以及濃度有以下關(guān)系：

m1=m2

(9)

m5=m6

(10)

m7=m8=m9=m10

(11)

x1=x2

(12)

x5=x6

(13)

x7=x8=x9=x10=0

(14)

傳質(zhì)過(guò)程在不加外置熱源驅(qū)動(dòng)，僅靠系統(tǒng)自身驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力為當(dāng)循環(huán)為常規(guī)等濃度循環(huán)時(shí)，出發(fā)生器4′點(diǎn)與進(jìn)吸收器時(shí)5點(diǎn)溶液的焓差，即：

Q0′=(h4′-h5)×m4′

(15)

其中h4′可由x4′及高壓側(cè)壓力確定，其中x4′=x5，m4′為常規(guī)循環(huán)出發(fā)生器4′點(diǎn)質(zhì)量流量。

變濃度循環(huán)時(shí)，傳質(zhì)量為：

m0=Q0′ /hr

(16)

其中hr為4′、5兩點(diǎn)間汽化潛熱的算術(shù)平均值。

因此，經(jīng)傳質(zhì)換熱后3點(diǎn)的濃度為：

x3=x1m1/(m2+m0)

(17)

其他各點(diǎn)參數(shù)的確定均可通過(guò)調(diào)用EES內(nèi)設(shè)定的LiBr-H2O及水的物性參數(shù)計(jì)算式予以得出，對(duì)于常規(guī)循環(huán)其傳質(zhì)量即m0=0，詳細(xì)見(jiàn)表1。相應(yīng)等濃度循環(huán)過(guò)程各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)情況見(jiàn)表2。

整個(gè)循環(huán)的COP：

COP=Qe/Qg

(18)

3.2 模擬運(yùn)行計(jì)算結(jié)果

運(yùn)行該程序計(jì)算后，得出最終循環(huán)的COP為0.748，而同樣工況下常規(guī)循環(huán)的COP為0.746?？梢钥闯?，在傳質(zhì)換熱過(guò)程僅靠出發(fā)生器和進(jìn)吸收器兩狀態(tài)點(diǎn)的能量差作為驅(qū)動(dòng)力激發(fā)出蒸汽，通過(guò)膜兩側(cè)壓差傳遞的循環(huán)過(guò)程，其熱力系數(shù)有微小提升，同時(shí)從兩表數(shù)據(jù)可以看出新循環(huán)放氣范圍比常規(guī)循環(huán)要大2%，因此相應(yīng)的循環(huán)倍率有所降低。因?yàn)閭髻|(zhì)的存在使得新循環(huán)的換熱更加充分，新循環(huán)中溶液換熱器效率會(huì)高于傳統(tǒng)換熱器。

表1 變濃度循環(huán)過(guò)程各點(diǎn)物性參數(shù)

狀態(tài)點(diǎn)M(kg/s)P(kPa)T(℃)X(%)h(J/g)110.75736.457.696.9210.75736.457.696.931.03679.680.355.6178.640.95639.698.660.3229.850.91960.75746.462.7143.060.91960.75746.462.7143.070.08049.689.502666.980.08049.6450188.490.08040.75730188.4100.08040.757302506

表2 常規(guī)循環(huán)過(guò)程各點(diǎn)物性參數(shù)

狀態(tài)點(diǎn)M(kg/s)P(kPa)T(℃)X(%)h(J/g)110.75736.457.696.9210.75736.457.696.93'19.684.657.6193.24'0.91969.6102.962.7247.750.91960.75746.462.714360.91960.75746.462.714370.08049.693.802675.180.08049.6450188.490.08040.75730188.4100.08040.757302506

對(duì)比變濃度循環(huán)和等濃度循環(huán)進(jìn)發(fā)生器溫度和出發(fā)生器溫度，可以看出相對(duì)于等濃度循環(huán)而言，變濃度循環(huán)溶液進(jìn)出發(fā)生器溫度均有所降低，常規(guī)循環(huán)需要85℃左右熱源才能進(jìn)行發(fā)生，而新循環(huán)在80℃左右就可以發(fā)生。這是在換熱器處未加外部熱源驅(qū)動(dòng)的情況下進(jìn)行的，僅靠出發(fā)生器濃溶液與進(jìn)吸收器稀溶液焓差來(lái)驅(qū)動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程的進(jìn)行，所以效果不是特別明顯。但由此可以看出在采用傳質(zhì)換熱過(guò)程的溴化鋰吸收式制冷在熱源溫度要求上有所降低，這對(duì)于今后單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)利用常規(guī)循環(huán)所不能利用的85℃以下低品位熱源有重要意義。

3.3 變冷卻水溫度的比較

在冷凍水溫度為5℃的情況下，調(diào)整冷卻水溫度，對(duì)比采用傳質(zhì)回?zé)崞鞯匿寤囄帐街评溲h(huán)與單效吸收式循環(huán)的性能系數(shù)，如圖4所示。

圖4 COP隨冷卻水溫度的變化

常規(guī)單效吸收式循環(huán)和采用傳質(zhì)回?zé)崞鞯匿寤囄帐街评溲h(huán)視為效率都隨著冷卻水溫度的升高而逐漸降低。傳質(zhì)回?zé)嵫h(huán)比常規(guī)循環(huán)的COP總是高些，但總的來(lái)看，兩種循環(huán)性能差異不是很明顯，這是因?yàn)閮煞N循環(huán)進(jìn)行分析時(shí)初始參數(shù)選取基本一致，僅在換熱過(guò)程由于兩者不同而引起了參數(shù)變化。

3.4 變冷凍水溫度的比較

在冷卻水溫度為32℃的情況下，調(diào)整進(jìn)口冷凍水溫度，對(duì)比采用傳質(zhì)換熱器的溴化鋰吸收式制冷循環(huán)與單效吸收式循環(huán)的性能系數(shù)，如圖5所示。

圖5 COP隨冷凍水溫度的變化

常規(guī)單效吸收式循環(huán)和采用傳質(zhì)回?zé)崞鞯匿寤囄帐街评溲h(huán)的效率都隨著冷凍水溫度的升高而逐漸提高。在冷凍水溫度為5～15℃范圍內(nèi)時(shí)，兩者循環(huán)性能差異穩(wěn)定，沒(méi)有較大波折，但新型循環(huán)的COP始終是高于常規(guī)循環(huán)的。由于水存在結(jié)冰問(wèn)題，所需冷凍水溫度低于5℃，即蒸發(fā)溫度在3℃以下的情況不予考慮。

3.5 變冷卻水溫度對(duì)熱源影響的比較

在冷凍水溫度為5℃的情況下，調(diào)整冷卻水溫度，對(duì)比采用傳質(zhì)回?zé)崞鞯匿寤囄帐街评溲h(huán)與常規(guī)循環(huán)所需的熱源溫度情況，如圖6所示。

圖6 熱源溫度隨冷卻水溫度的變化

常規(guī)單效吸收式循環(huán)和采用傳質(zhì)回?zé)崞鞯匿寤囄帐街评溲h(huán)所需的熱源溫度都隨著冷卻水溫度的升高而逐漸提高?？偟膩?lái)講，常規(guī)循環(huán)所需熱源溫度總是高于采用傳質(zhì)回?zé)崞鞯难h(huán)，幅度大約在4～5℃左右，即新循環(huán)對(duì)熱源的要求有所降低，可以利用溫度更低的熱源。

4 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于常規(guī)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)，采用膜蒸餾傳質(zhì)回?zé)崞鞯匿寤囄帐街评溲h(huán)發(fā)生所需熱源溫度較傳統(tǒng)循環(huán)有所降低，即對(duì)驅(qū)動(dòng)熱源溫度的要求降低。如若在傳質(zhì)回?zé)崞魍獠考佑袩嵩创偈箓髻|(zhì)過(guò)程的進(jìn)行，則該循環(huán)可以利用更低品位的廢熱；新循環(huán)與常規(guī)循環(huán)的各比對(duì)線基本平行，這是因?yàn)閮烧咧g僅在換熱過(guò)程有所不同而其他熱力過(guò)程一致所導(dǎo)致。對(duì)于低于85℃的低品位熱源,傳統(tǒng)吸收式制冷循環(huán)需用兩級(jí)吸收才能達(dá)到制冷的目的,而新循環(huán)采用單級(jí)、單效就能實(shí)現(xiàn)。由于循環(huán)利用低品質(zhì)熱能能力的提高,使得降低系統(tǒng)排熱溫度成為可能,從而使輸入系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱能得到更有效的利用。

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The Analysis of LiBr-water Absorption Chilling Cycle with Solution Heat Exchange by Mass Transfer

ZNANG Shaobo，SUN Wenzhe，SONG Zhongyuan，CHEN Panpan， LIU Li

( Shanghai Maritime University，Shanghai，200120 )

In this paper,a single effect LiBr-water absorption chilling cycle which Using mass transfer regenerator is pretended.The thermodynamic model of every component is established based on energy and mass conservation.The performance of the new cycle and single-effect cycle is simulated and compared by EES programming.The results show that the new cycle′s COP has improved in most conditions and it′s generating temperature is reduced.The new cycle can not only use the low-grade heat source that traditional cycle can′t use,but also reduce the consumption of cooling water.Meanwhile,the new cycle develops new research directions in absorption chilling cycle and enriches the content ofit′s theory.

LiBr-H2O solution;mass regenerator;Thermal Simulation；Membrane distillation；Absorption chilling

2015-12-25

張少波(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：低溫余熱利用技術(shù)。Email：15001716201@163.com

ISSN1005-9180(2016)04-085-06

TU831文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.016