氨精餾純度對(duì)氨水吸收式制冷系統(tǒng)性能的影響分析

孫淑娟，杜塏

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

0 引言

目前，節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的兩大課題。從我國(guó)能源利用效率來(lái)看，對(duì)工業(yè)余熱、廢熱、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿鹊推肺荒茉吹睦煤娃D(zhuǎn)化還處于較低的水平，而工業(yè)生產(chǎn)對(duì)電能的需求卻持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)能源供需矛盾正在日益加劇。氣候變暖和臭氧層破壞也正在對(duì)人類賴以生存的環(huán)境造成巨大的損害。實(shí)現(xiàn)CFCs、HCFCs和HFCs等制冷工質(zhì)的替代，采用ODP和GWP較低的制冷工質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷將是保護(hù)環(huán)境的重要方法之一[1-5]。

氨作為天然制冷劑之一，其ODP和GWP均為0，在保護(hù)環(huán)境方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[6]。氨水吸收式制冷是一種以熱能為驅(qū)動(dòng)的成熟的制冷技術(shù)，其中氨為制冷劑，水為吸收劑，其最大的特點(diǎn)在于可以利用工業(yè)余熱、廢熱、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿鹊推肺粺崮軄?lái)實(shí)現(xiàn)低于0 ℃的冷量轉(zhuǎn)化，有利于我國(guó)的能源利用趨于合理化，對(duì)節(jié)能減排具有重要的意義[7-8]。

早在1860年，法國(guó)的CARRE就提出了氨-水這一工質(zhì)對(duì)的吸收式制冷機(jī)，由于其自身設(shè)備尺寸較大、熱效率較低，且當(dāng)時(shí)蒸汽壓縮式制冷機(jī)正蓬勃發(fā)展，所以氨水吸收式制冷機(jī)的研究和發(fā)展一度處于緩慢的階段[3]。直到1987年保護(hù)臭氧層的《蒙特利爾議定書》的發(fā)布[9]，環(huán)境問(wèn)題再次成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，氨水吸收式制冷機(jī)因其對(duì)環(huán)境無(wú)損害且能有效利用低品位熱能的優(yōu)良性質(zhì)，重新被研究者所重視。

在該工質(zhì)對(duì)的應(yīng)用過(guò)程中，需要著重考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素是氨與水的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)相差133.4 ℃，相對(duì)于溴化鋰工質(zhì)對(duì)來(lái)說(shuō)，其沸點(diǎn)差值相差8.71倍，因此在發(fā)生過(guò)程中水的蒸氣壓相比于氨的蒸氣壓并不是微不足道的，這就導(dǎo)致發(fā)生階段產(chǎn)生的氨蒸氣中總是會(huì)殘存一小部分水蒸氣[10]。盡管相對(duì)于氨蒸氣來(lái)說(shuō)，這部分水蒸氣量很少，但這少量（以ppm計(jì)）的水蒸氣對(duì)氨水吸收式制冷機(jī)性能的影響常常被忽視[11]。

方志云等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了回流比、塔板開孔率、溢流堰高度、液氣比等因素對(duì)氨精餾純度及系統(tǒng)性能系數(shù)COP的影響。孔丁峰等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)進(jìn)料狀態(tài)、發(fā)生溫度、回流比等操作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到使系統(tǒng)性能最優(yōu)的最佳發(fā)生溫度和最佳回流比。

上述已有研究大都是關(guān)注各種操作條件和部件結(jié)構(gòu)對(duì)精餾濃度和系統(tǒng)性能的影響，并不能直接反映制冷劑精餾濃度對(duì)系統(tǒng)各方面性能的影響。

本文采用逆向思維，針對(duì)氨水吸收式制冷循環(huán)精餾純度對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行理論研究，分析了氨的精餾濃度對(duì)蒸發(fā)壓力、吸收終了濃溶液濃度、制冷量和COP的影響，直觀反映氨精餾純度對(duì)氨水吸收式制冷系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

如圖1所示，主要的組成部件有精餾塔(A)、冷凝器(B)、過(guò)冷器(C)、蒸發(fā)器(D)、吸收器(E)、溶液熱交換器(F)、溶液泵(H)和節(jié)流閥(G,I)。整個(gè)制冷循環(huán)可以分為制冷劑循環(huán)和溶液循環(huán)兩部分。精餾塔頂出口的氨蒸汽和水蒸氣的混合物經(jīng)部分回流后進(jìn)入冷凝器，冷凝成氨液后經(jīng)過(guò)冷器、節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器中，氨液從被冷卻對(duì)象中吸熱蒸發(fā)，變?yōu)榘闭羝?，產(chǎn)生冷量，實(shí)現(xiàn)制冷；產(chǎn)生的氨蒸汽經(jīng)過(guò)冷器后進(jìn)入吸收器，被經(jīng)溶液熱交換器來(lái)的精餾塔底的稀溶液吸收，形成濃的氨水溶液，通過(guò)溶液泵進(jìn)入溶液熱交換器與來(lái)自精餾塔底部的稀溶液換熱，溫度升高，從精餾塔進(jìn)料口進(jìn)入精餾塔，經(jīng)過(guò)提餾段和精餾段完成精餾提純的過(guò)程，重新產(chǎn)生氨蒸汽，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)過(guò)程[14-15]。

圖2為系統(tǒng)循環(huán)的焓-濃（h-w）圖。P0、Pg分別表示蒸發(fā)壓力和發(fā)生壓力，t0、tw、tg分別表示蒸發(fā)溫度、冷卻水溫度和熱源溫度，ww、ws、wg分別表示稀溶液濃度、濃溶液濃度和氨蒸汽濃度。

圖1 單級(jí)氨水吸收式制冷機(jī)的流程圖

圖2 單級(jí)氨水吸收式制冷循環(huán)的h-w圖

2 系統(tǒng)模擬計(jì)算與分析

2.1 模擬計(jì)算條件設(shè)定

為了確定氨精餾純度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在質(zhì)量守恒、物料守恒和能量守恒的基礎(chǔ)上建立了一種穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)模型，模型建立在以下假設(shè)的基礎(chǔ)上：

1）忽略系統(tǒng)循環(huán)管路的壓力損失；

2）系統(tǒng)向環(huán)境中的漏熱可以忽略；

3）發(fā)生終了的稀溶液、冷凝終了的冷凝液體、蒸發(fā)終了的蒸汽、吸收終了的濃溶液均認(rèn)為是飽和狀態(tài)；精餾塔內(nèi)部的氣液流動(dòng)總是處于對(duì)應(yīng)的氣液飽和狀態(tài)[16]。

2.2 模擬計(jì)算方法

整個(gè)氨水吸收式制冷系統(tǒng)是由一系列的單元設(shè)備連接而成的，所以在用Aspen Plus軟件進(jìn)行模擬時(shí)，可以將整個(gè)系統(tǒng)的模擬建立在對(duì)各個(gè)單元設(shè)備模型化的基礎(chǔ)上[2]。根據(jù)文獻(xiàn)[17]中對(duì)多種物性模型預(yù)測(cè)氨-水體系氣液平衡準(zhǔn)確性的比較結(jié)果，本研究選用PR-BM物性模型。

本文模擬過(guò)程中涉及到的基本操作條件見表1。

表1 氨水吸收式制冷系統(tǒng)的基本操作參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)熱力學(xué)計(jì)算，可以得到以下公式[18]：

式中：

qG——發(fā)生器的單位熱負(fù)荷，kJ/kg；

qR——回流冷凝器單位熱負(fù)荷，kJ/kg；

h5——精餾塔頂出口氨氣的比焓，kJ/kg；

h2——精餾塔釜出口稀溶液的比焓，kJ/kg；

h1——進(jìn)精餾塔的濃溶液的比焓，kJ/kg；

f——溶液循環(huán)倍率；

w5——精餾塔頂出口氨氣的質(zhì)量濃度；

w2——精餾塔釜出口稀溶液的質(zhì)量濃度；

w4——進(jìn)精餾塔的濃溶液的質(zhì)量濃度。

蒸發(fā)器單位制冷量：

式中：

qE——蒸發(fā)器單位熱負(fù)荷，kJ/kg；

h8——蒸發(fā)器出口氨蒸汽的比焓，kJ/kg；

h7——蒸發(fā)器進(jìn)口氨液的比焓，kJ/kg。

性能系數(shù)：

2.3 模擬計(jì)算結(jié)果和分析

2.3.1 氨精餾純度對(duì)蒸發(fā)壓力的影響

由圖3可以看出，隨著氨精餾純度的降低，在蒸發(fā)溫度保持不變的前提下，蒸發(fā)壓力逐漸變小。這是因?yàn)楦鶕?jù)康諾瓦洛夫定律，較高蒸汽壓的組分在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)將大于其在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)，當(dāng)蒸發(fā)器進(jìn)口氨液不純時(shí)，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，氨液中氨組分將越來(lái)越少，從而飽和溫度越來(lái)越高，即制冷劑的蒸發(fā)溫度越來(lái)越高[19-20]。如果要維持制冷溫度的恒定，只能降低蒸發(fā)壓力。通過(guò)計(jì)算得出蒸發(fā)壓力隨著氨精餾純度的變化如圖3。

忽略管道阻力的變化，即穩(wěn)定工況下，蒸發(fā)壓力與吸收壓力差值不變，所以在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，可以通過(guò)一些措施降低吸收壓力從而降低蒸發(fā)壓力，比如調(diào)整吸收器的冷卻水溫度、提高流經(jīng)吸收器的冷卻水流量、降低稀溶液濃度、增加稀溶液進(jìn)入吸收器的流量等。但這些措施會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行成本增加，所以實(shí)際生產(chǎn)中還需權(quán)衡利弊，謹(jǐn)慎操作。

圖3 在蒸發(fā)溫度不變的條件下蒸發(fā)壓力隨氨精餾純度的變化

2.3.2 氨精餾純度對(duì)吸收終了溶液濃度的影響

在制冷溫度、熱源溫度和冷卻水溫度不變的工況下，圖4顯示了隨著氨精餾純度的提高，吸收器吸收終了溶液濃度越來(lái)越高。在吸收器中吸收過(guò)程的主要推動(dòng)力是吸收液表面該氣體的飽和蒸汽壓與氣相主體的壓差。當(dāng)氨精餾純度提高時(shí)，由圖3可知蒸發(fā)壓力升高，即吸收器中氣相主體壓力升高，因此吸收推動(dòng)力增大，導(dǎo)致吸收速率提高，從而使得吸收器吸收終了的溶液濃度提高。

上述過(guò)程在圖2所示的氨水溶液焓-濃度圖上也可以得到證實(shí)：在給定的冷卻水溫度，即圖中tw線位置不變的情況下，當(dāng)蒸發(fā)壓力由圖中P01增大到虛線表示的P02時(shí)，二者交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的濃度值變大，即吸收終了溶液濃度得到提高。

由圖4還可以看出，當(dāng)氨精餾純度從0.72提高到0.99時(shí)，吸收終了濃溶液的質(zhì)量流量從30.3 kg/h降到14.8 kg/h左右，這對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以減少液體循環(huán)量，降低溶液泵的耗功，有利于系統(tǒng)的維護(hù)和使用壽命的延長(zhǎng)[21]。

圖4 吸收終了溶液濃度和質(zhì)量流量隨氨精餾純度的變化

2.3.3 氨精餾純度對(duì)發(fā)生器熱負(fù)荷的影響

圖5顯示了隨著氨精餾純度的降低，發(fā)生器熱負(fù)荷逐漸增加。發(fā)生器是通過(guò)塔釜的高溫?zé)嵩醇訜嵛战K了的濃溶液產(chǎn)生氨氣和水蒸氣的混合氣體，然后經(jīng)提餾段和精餾段得到近似于純氨的氣體，這個(gè)過(guò)程就是濃溶液中的氨從液相向氣相轉(zhuǎn)移的過(guò)程[22]。隨著氨精餾純度的降低，由前面圖4的分析可知，在不做任何補(bǔ)救措施的情況下，吸收終了濃溶液濃度降低，則精餾塔進(jìn)料濃度降低，進(jìn)料溶液中氨的分壓力降低，此時(shí)要想使氨氣源源不斷地從溶液中解吸出來(lái)，就需要提高溶液的溫度，以使溶液中氨的分壓力大于氣相中氨氣的壓力，獲得傳質(zhì)推動(dòng)力，因此就需要從高溫?zé)嵩次崭嗟臒崃浚窗l(fā)生器熱負(fù)荷隨著氨精餾純度的降低而增加。

另外，氨精餾純度的降低使得吸收終了的溶液濃度降低，導(dǎo)致溶液的放氣范圍減小，溶液循環(huán)倍率增大，這也導(dǎo)致了發(fā)生器熱負(fù)荷的增加。

圖5 發(fā)生器熱負(fù)荷隨氨精餾純度的變化

2.3.4 氨精餾純度對(duì)系統(tǒng)COP的影響

圖6顯示了系統(tǒng)COP隨氨精餾純度的提高而逐漸增加的趨勢(shì)。隨著氨精餾純度的提高，發(fā)生器熱負(fù)荷逐漸減小，而系統(tǒng)制冷量不變，根據(jù)式(4)可知，系統(tǒng)COP逐漸增加。

圖6 系統(tǒng)COP隨氨精餾純度的變化

3 結(jié)論

通過(guò)模擬計(jì)算得到不同氨精餾純度下，氨水吸收式制冷系統(tǒng)的各性能參數(shù)的變化規(guī)律，說(shuō)明了精餾塔頂氨氣不純會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響；隨著氨精餾純度的降低，蒸發(fā)壓力降低，吸收壓力降低，導(dǎo)致吸收終了溶液濃度減小，放氣范圍減小，系統(tǒng)循環(huán)倍率變大，最終導(dǎo)致發(fā)生器的單位熱負(fù)荷增大，系統(tǒng)COP降低。

[1]杜塏. 氨水吸收式制冷研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[C]// 制冷空調(diào)新技術(shù)進(jìn)展第四屆全國(guó)制冷空調(diào)新技術(shù)研討會(huì)論文集. 南京: 東南大學(xué), 2006: 24-30.

[2]武向紅, 陳斌, 鄭丹星. 氨水吸收式制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 30(5): 66-69.

[3]孔丁峰, 柳建華. 氨水吸收式制冷系統(tǒng)中制冷劑提純的研究進(jìn)展[J]. 化工機(jī)械, 2013, 40(5): 552-556.

[4]趙育川. 氨制冷劑冷庫(kù)當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)[J]. 制冷技術(shù),2015, 35(4): 66-70.

[5]Kang Y T, Hong H, Park K S. Performance analysis of advanced hybrid GAX cycles: HGAX[J]. International Journal of Refrigeration, 2004, 27(4): 442-448.

[6]殷勇高, 張小松. 氨水噴射-吸收式制冷循環(huán)的研究[J].熱科學(xué)與技術(shù), 2004(2): 147-150.

[7]劉騰, 杜塏, 魯潔明, 等. 氨水吸收式制冷系統(tǒng)中精餾塔性能模擬與分析[J]. 制冷技術(shù), 2016, 36(4): 1-7.

[8]SINGH O K. Performance enhancement of combined cycle power plant using inlet air cooling by exhaust heat operated ammonia-water absorption refrigeration system[J]. Applied Energy, 2016, 180: 867-879.

[9]杜塏, 蘭國(guó)彬. 利用低位能的氨水吸收式制冷(AAR)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)及應(yīng)用[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2001(3):342-345.

[10]孔丁峰, 柳建華, 王瑾, 等. 單級(jí)氨吸收式制冷機(jī)精餾塔數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)[J]. 化工進(jìn)展, 2010(10): 1825-1831.

[11]陸至羚, 柳建華, 張良, 等. 氨水吸收式制冷系統(tǒng)性能與精餾性能試驗(yàn)分析[J]. 流體機(jī)械, 2015, 43(4): 66-69.

[12]方志云, 柳建華, 張良, 等. 氨水精餾效果及其對(duì)氨水吸收式系統(tǒng)性能影響的試驗(yàn)研究[J]. 流體機(jī)械, 2010,38(8): 57-60.

[13]孔丁峰, 柳建華. 氨吸收式制冷系統(tǒng)性能模擬與實(shí)驗(yàn)[J]. 現(xiàn)代化工, 2013, 33(12): 118-121.

[14]楊思文. 氨水吸收式制冷機(jī)的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)之六——制冷循環(huán)與工作過(guò)程[J]. 流體機(jī)械, 1990, 18(2):58-64.

[15]SIERES J, FERNáNDEZ-SEARA J, UHíA F J.Experimental analysis of ammonia–water rectification in absorption systems with the 10 mm metal Pall ring packing[J]. International Journal of Refrigeration, 2008,31(2): 270-278.

[16]鄭宋平. 氨水吸收式制冷循環(huán)的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].北京: 北京化工大學(xué), 2004.

[17]曾紀(jì)珺, 楊建明, 張偉, 等. 氨-水體系氣液平衡模型的研究[J]. 化工進(jìn)展, 2010(S2): 87-90.

[18]楊思文. 氨水吸收式制冷機(jī)的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)之七——性能與流程[J]. 流體機(jī)械, 1990, 18(3): 56-63.

[19]FERNáNDEZ-SEARA J, SIERES J. The importance of the ammonia purification process in ammonia-water absorption systems[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47(13-14): 1975-1987.

[20]陳松, 胡海濤, 宋強(qiáng), 等. 滿液式殼管蒸發(fā)器換熱管束排布優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 制冷技術(shù), 2016, 36(6): 22-27.

[21]楊思文. 氨水吸收式制冷機(jī)的基礎(chǔ)理論與設(shè)計(jì)之十三——調(diào)節(jié)與控制[J]. 流體機(jī)械, 1990, 18(10): 59-64.

[22]陸震, 王長(zhǎng)慶, 尉遲斌. 溴化鋰降膜式發(fā)生器的傳熱傳質(zhì)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào), 1997, 18(1): 13-19.