氨基離子液體/CO2高溫高效吸收式制冷循環(huán)研究

(中山大學(xué)工學(xué)院 廣州 510006)

CO2作為一種安全環(huán)保的自然工質(zhì)，可以作為制冷劑應(yīng)用于制冷循環(huán)系統(tǒng)[1]。CO2作為制冷工質(zhì)，對(duì)大氣臭氧層沒(méi)有破壞作用，可以降低溫室效應(yīng)。近年來(lái)，利用工業(yè)廢熱等低品位熱能的吸收式制冷技術(shù)引起人們的廣泛關(guān)注[2]。

目前，CO2應(yīng)用于吸收式制冷的關(guān)鍵問(wèn)題是如何選擇吸收劑，常見(jiàn)的CO2吸收劑有丙酮(C3H6O)，N-甲基-2-吡咯烷酮(C5H9NO)和N-甲基二乙醇胺[3]，但由于它們具有毒性且易燃，需要開(kāi)發(fā)新型環(huán)保吸收劑。學(xué)者們深入研究了離子液體[4-10]，提出采用離子液體作為吸收劑應(yīng)用于CO2吸收式制冷中。

離子液體(ILs)是由陰陽(yáng)離子組成的室溫下為液態(tài)的鹽，其蒸氣壓幾乎為0，無(wú)毒并具有良好的熱穩(wěn)定性，是一種新型綠色吸收劑[11-15]。J. L. Anthony等[16]對(duì)3種不同陰離子的離子液體[bmim][Tf2N]、[bmim][PF6]和[bmim][BF4]對(duì)CO2的吸收特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)它們對(duì)CO2具有較好的物理吸收能力。Cai Weihua 等[17]計(jì)算了CO2與[bmim][PF6]工質(zhì)對(duì)的制冷循環(huán)效率，最終得到的制冷循環(huán)效率為0.11。Martín等[18]研究分析了CO2/[bmim][PF6]工質(zhì)對(duì)的制冷循環(huán)效率，發(fā)現(xiàn)其制冷循環(huán)效率低的主要原因是CO2在[bmim][PF6]中的溶解度有限。何麗娟等[19]設(shè)計(jì)了雙溫驅(qū)動(dòng)制冷循環(huán)系統(tǒng),并對(duì)CO2/[bmim][Tf2N]工質(zhì)對(duì)制冷循環(huán)效率進(jìn)行了分析，循環(huán)效率最高可達(dá)0.69。E. D. Bates等[20]首次合成了對(duì)于CO2具有選擇性吸收能力的氨基功能化離子液體，在常溫常壓下獲得對(duì)CO2的較高吸收能力。Chen Ying等[21]研究了雙氨基功能團(tuán)離子液體3-丙胺基-三丁基磷甘氨酸鹽([aP4443][Gly])的水溶液對(duì)CO2的吸收性能，發(fā)現(xiàn)其水溶液體系對(duì)CO2的化學(xué)吸收和物理吸收均有很大的增強(qiáng)作用，同時(shí)體系還具有很好的熱穩(wěn)定性。

本文采用雙氨基功能化離子液體[aP4443][Gly]水溶液與CO2作為吸收工質(zhì)對(duì)，構(gòu)造高溫、高效的吸收式制冷循環(huán)。根據(jù)已測(cè)定的離子液體水溶液(水質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.599)在不同溫度壓力下的CO2吸收性能數(shù)據(jù)[21]，建立該[aP4443][Gly]水溶液/CO2體系的CO2溶解度-溫度-壓力計(jì)算圖，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了[aP4443][Gly]水溶液體系的質(zhì)量定壓熱容，并建立CO2濃度-比焓計(jì)算圖。然后建立一個(gè)以[aP4443][Gly]水溶液/CO2為工質(zhì)對(duì)的新型高性能制冷循環(huán)，并分析驗(yàn)證該制冷循環(huán)的可行性。

1 [aP4443][Gly]水溶液/CO2體系熱力學(xué)特性

1.1 [aP4443][Gly]水溶液對(duì)CO2的吸收量

根據(jù)已有的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.599的[aP4443][Gly]水溶液在溫度為278.14～348.05 K和壓力為0.103～7.747 MPa下對(duì)CO2的吸收性能數(shù)據(jù)[21]，使用非隨機(jī)雙流體電解質(zhì)(e-NRTL)模型進(jìn)行擬合后向高溫和高壓方向進(jìn)行適度外延，得到了300～450 K，1～10 MPa下[aP4443][Gly]水溶液對(duì)CO2的吸收量mCO2，如圖1所示。考慮到工業(yè)適用性，單位使用質(zhì)量摩爾濃度(mol/kg)，表示每千克溶液吸收CO2的物質(zhì)的量。

圖1 不同CO2質(zhì)量摩爾濃度下[aP4443][Gly]-H2O/CO2混合物p-T等值線Fig.1 p-T isopleths of the [aP4443][Gly]-H2O/CO2mixtures at different molality of CO2

1.2 [aP4443][Gly]水溶液質(zhì)量定壓熱容及比焓

[aP4443][Gly]水溶液質(zhì)量定壓熱容cp測(cè)量采用低溫DSC差示掃描量熱儀(204 HP，Netzsch，德國(guó))。為證明測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先用DSC在295～345 K溫度范圍內(nèi)測(cè)量一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的去離子水質(zhì)量定壓熱容，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與NIST數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，平均相對(duì)誤差為1.31%。用CP225D精密電子天平(精確度為0.01 mg，Sartorius，德國(guó))準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量的[aP4443][Gly](純度99.9%，中國(guó)科學(xué)院蘭州物理化學(xué)研究所制備)和去離子水配制不同濃度的[aP4443][Gly]水溶液，在285～365 K溫度范圍內(nèi)，對(duì)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.40%、12.09%、19.96%、29.68%、38.98%、49.82%、69.93%的[aP4443][Gly]水溶液cp進(jìn)行測(cè)量。圖2所示為去離子水和離子液體水溶液cp的實(shí)驗(yàn)值，ω為水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。測(cè)試相對(duì)平均偏差為1.13%。

根據(jù)離子液體水溶液質(zhì)量定壓熱容數(shù)據(jù)，可以計(jì)算離子液體水溶液的焓值，選取303.15 K為基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算該體系焓值，如式(1)所示。

(1)

式中：hIL+w為離子液體水溶液焓，kJ/kg；cp為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的離子液體水溶液質(zhì)量定壓熱容，kJ/(kg·K)；h303.15 K為303.15 K時(shí)離子液體水溶液的比焓，kJ/kg，可以根據(jù)離子液體比焓，水的比焓及水與離子液體混合焓計(jì)算得到，如式(2)所示。

h303.15 K=ωH2OhH2O+ωILhIL+(hE)303.15 K

(2)

式中：hH2O為303.15 K純水的比焓，kJ/kg，可從NIST數(shù)據(jù)庫(kù)查得；hIL為303.15 K純離子液體的比焓，kJ/kg，根據(jù)測(cè)量的比熱容計(jì)算獲得；(hE)303.15 K為303.15 K時(shí)離子液體水溶液的過(guò)余焓，kJ/kg，根據(jù)周嵐等[22]測(cè)量的[aP4443][Gly]水溶液蒸汽壓數(shù)據(jù)，采用NRTL模型計(jì)算獲得，結(jié)果如圖3所示。

圖2 [aP4443][Gly]水溶液質(zhì)量定壓熱容DSC測(cè)量值Fig.2 [aP4443] [Gly] aqueous constant pressure heat capacity DSC measurements

圖3 303.15 K時(shí)[aP4443][Gly]水溶液過(guò)余焓Fig.3 Excess enthalpy of [aP4443][Gly] aqueous solution in 303.15 K

1.3 [aP4443][Gly]水溶液/CO2體系焓

利用[aP4443][Gly]水溶液熱力學(xué)特性，可以對(duì)[aP4443][Gly]水溶液/CO2體系焓進(jìn)行分析。由圖1可知，CO2在體系中的摩爾分?jǐn)?shù)非常小， [aP4443][Gly]水溶液/CO2體系可視為理想溶液，混合焓可忽略不計(jì)，采用式(3)計(jì)算體系焓。

hm=hIL+wωIL+w+hCO2ωCO2

(3)

式中：hIL+w為離子液體水溶液的比焓，kJ/kg，通過(guò)式(1)計(jì)算獲得；hCO2為溶液中CO2的比焓，kJ/kg；ωCO2為CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由圖1獲得。

對(duì)溶液中CO2的焓hCO2進(jìn)行分析，根據(jù)熱力學(xué)分析的常規(guī)取法，取相同溫度下CO2的飽和液焓為CO2液相參考點(diǎn)的焓。在超臨界區(qū)為相同溫度下氣液相平衡線延長(zhǎng)線上點(diǎn)的焓。采取文獻(xiàn)[21]中范特霍夫方程計(jì)算吸收焓，得到不同壓力下[aP4443][Gly]水溶液對(duì)CO2的吸收焓，如表1所示。

由NIST可查得，288.15 K時(shí)，CO2的汽化潛熱為7 774 J/mol，利用范特霍夫方程計(jì)算的吸收焓與其基本一致，故以288.15 K為基準(zhǔn)點(diǎn)，沿氣液相平衡線取其它溫度下CO2飽和液焓作為溶液中CO2的焓。對(duì)氣液相平衡線采用式(4)的形式進(jìn)行擬合。

表1 不同壓力下吸收焓Tab.1 Absorption enthalpy at different pressures

lnp=A+B/T+CT+DlnT+ET2

(4)

式中：T為溫度，K；p為壓力，MPa；A、B、C、D、E為5個(gè)系數(shù)，如表2所示。

表2 氣液相平衡線系數(shù)Tab.2 Gas-liquid equilibrium line coefficient

通過(guò)上述分析，利用式(3)計(jì)算可得不同溫度壓力下[aP4443][Gly]水溶液/CO2體系焓，如圖4所示。

圖4 不同壓力溫度下體系焓Fig.4 Enthalpy of the system at different pressures and temperatures

2 吸收式制冷循環(huán)分析

由于在冷凝器中的CO2處于超臨界態(tài)，使用膨脹機(jī)可以大幅提升其性能系數(shù)，并且可以在進(jìn)入膨脹機(jī)前與蒸發(fā)器流出的飽和CO2進(jìn)行熱交換，回收一部分的熱量。根據(jù)以上推斷，設(shè)計(jì)了如圖5所示的單效吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)。

對(duì)循環(huán)過(guò)程進(jìn)行如下假設(shè)：整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，吸收器與發(fā)生器中的狀態(tài)點(diǎn)均為平衡狀態(tài)，發(fā)生器與冷卻器壓力相同，蒸發(fā)器與吸收器壓力相同，換熱器最小傳熱溫差為3 K，系統(tǒng)對(duì)外界沒(méi)有熱量損失，溶液泵功忽略不計(jì)。性能系數(shù)(COP)可由式(5)計(jì)算。

(5)

式中：h3、h4、h7、h9、h10分別為圖5中各狀態(tài)點(diǎn)焓值，kJ/kg；f為循環(huán)倍率，可由式(6)計(jì)算。

(6)

式中：ωa為吸收器內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ωg為發(fā)生器內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

圖5 單效吸收式制冷系統(tǒng)流程Fig.5 Process of single-effect absorption refrigeration system

圖5中7～11各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)來(lái)自NIST中CO2數(shù)據(jù)，1～6各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)由式(1)～式(4)計(jì)算所得，傳統(tǒng)氨水吸收式制冷依據(jù)文獻(xiàn)[23]計(jì)算。

現(xiàn)給定冷卻溫度Tc=303.15 K，蒸發(fā)溫度Te=278.15 K，吸收溫度Ta=303.15 K，分析不同發(fā)生溫度下的最佳發(fā)生壓力，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，不同發(fā)生溫度下，COP均在8 MPa時(shí)達(dá)到最大值，所以發(fā)生壓力選取為8 MPa。

現(xiàn)給定冷卻溫度Tc=303.15 K，蒸發(fā)溫度Te=278.15 K，吸收溫度Ta=303.15 K，分析發(fā)生溫度Tg對(duì)COP的影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，發(fā)生溫度對(duì)[aP4443][Gly]水溶液/CO2制冷工質(zhì)對(duì)影響較大，對(duì)比相同條件下氨水的COP，[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)具有更高的COP，在發(fā)生溫度為413.15 K時(shí)，可達(dá)0.91。發(fā)生溫度發(fā)生變化時(shí)影響循環(huán)的放氣范圍，由圖1可知，[aP4443][Gly]水溶液對(duì)CO2的吸收量隨著溫度的升高有明顯降低，使[aP4443][Gly]水溶液/CO2制冷工質(zhì)對(duì)的COP顯著提升。

圖6 發(fā)生器壓力對(duì)COP的影響Fig.6 COP affected by the change of generator pressure

圖7 發(fā)生溫度Tg對(duì)COP的影響Fig.7 COP affected by the change of generator temperature

現(xiàn)給定發(fā)生溫度Tg=393.15 K，吸收溫度Ta=303.15 K，蒸發(fā)溫度Te=278.15 K，分析不同冷卻溫度Tc對(duì)COP的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8中冷卻器的溫度范圍為298.15～308.15 K。由于水冷式氨制冷機(jī)(冷庫(kù))工作在此溫區(qū)，為了便于與氨水進(jìn)行對(duì)比，本文工質(zhì)對(duì)循環(huán)研究也選在此溫區(qū)內(nèi)。由圖8可知，當(dāng)冷卻溫度為303.15 K時(shí)，[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)COP可達(dá)0.87；當(dāng)冷卻溫度為298.15 K時(shí)，[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)COP可達(dá)0.93，遠(yuǎn)大于氨水吸收式制冷循環(huán)COP，但值得注意的是，[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)的發(fā)生溫度為393.15 K，而氨水的發(fā)生溫度為363.15 K，這主要體現(xiàn)了本文工質(zhì)對(duì)的高溫效應(yīng)。當(dāng)冷卻溫度增大時(shí)，由于CO2的臨界溫度為304.41 K，[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)COP顯著降低，且在306～308 K時(shí)變化最顯著，說(shuō)明冷卻溫度對(duì)于[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)COP的影響顯著。

現(xiàn)給定發(fā)生溫度Tg=393.15 K，吸收溫度Ta=303.15 K，冷卻溫度Tc=303.15 K，分析不同蒸發(fā)溫度Te對(duì)COP的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖8 冷卻溫度Tc對(duì)COP的影響Fig.8 COP affected by the change of condenser temperature

圖9 蒸發(fā)溫度Te對(duì)COP的影響Fig.9 COP affected by the change of evaporator temperature

由圖9可知，[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)可應(yīng)用于制取273.15 K以下的冷源。當(dāng)蒸發(fā)溫度小于267 K時(shí)，[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)COP小于氨水，但隨著蒸發(fā)溫度升高，[aP4443] [Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)COP顯著提升，而氨水的COP變化不大。

由圖6～圖9可知，COP隨著發(fā)生溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度的變化而變化，且變化趨勢(shì)是合理的。但從圖中可以看出，[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)COP受溫度影響較大。原因是本文工質(zhì)對(duì)制冷循環(huán)中CO2處在跨臨界區(qū)，發(fā)生器、冷凝器中CO2處于超臨界區(qū)，吸收器中為過(guò)熱蒸氣，只有蒸發(fā)器中的CO2處于亞臨界區(qū)，但氨水制冷循環(huán)始終處于亞臨界區(qū)。

[aP4443][Gly]的熱穩(wěn)定性很強(qiáng)，可將其應(yīng)用于雙效吸收式制冷循環(huán)，如圖10所示。由于高溫發(fā)生器中流出的為超臨界CO2，當(dāng)它流經(jīng)低溫發(fā)生器時(shí)只能提供顯熱，相比于單效吸收式制冷循環(huán)，雙效吸收式制冷循環(huán)主要考慮低溫發(fā)生器的溫度。

圖10 雙效吸收式制冷系統(tǒng)流程Fig.10 Process of double-effect absorption refrigeration system

現(xiàn)給定冷卻溫度Tc=303.15 K，蒸發(fā)溫度Te=278.15 K，吸收溫度Ta=303.15 K，分析雙效吸收式制冷循環(huán)COP的提升，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，雙效吸收式制冷循環(huán)相比于單效吸收式制冷循環(huán)，COP提升最大僅為8.96%，這是由于高溫發(fā)生器流出的CO2處于超臨界態(tài)，在低溫發(fā)生器中只能由顯熱提供熱量。

圖11 單效與雙效吸收式制冷循環(huán)COP對(duì)比Fig.11 COP comparison of single-effect and double-effect absorption refrigeration cycle

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)的熱力學(xué)特性及其應(yīng)用于吸收式制冷循環(huán)的性能研究分析，得出如下結(jié)論：

1)經(jīng)分析計(jì)算得到了[aP4443][Gly]水溶液中CO2的溶解度圖及[aP4443][Gly]水溶液/CO2體系焓圖，為[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)制冷循環(huán)計(jì)算提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2)根據(jù)超臨界CO2的特點(diǎn)，構(gòu)造了單效及雙效吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)，在冷凝器與蒸發(fā)器間使用膨脹機(jī)與熱交換器，減少節(jié)流過(guò)程中的能量損失，提升系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)；對(duì)[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)單效吸收式制冷循環(huán)研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生器溫度為393.15 K，蒸發(fā)溫度為278.15 K,冷卻溫度為303.15 K時(shí)，制冷性能系數(shù)可達(dá)0.87，在相同工況條件下性能優(yōu)于氨水。

3)對(duì)[aP4443][Gly]水溶液/CO2工質(zhì)對(duì)應(yīng)用于雙效吸收式制冷進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，由于CO2處于超臨界態(tài)，只能由顯熱提供熱量，相比于單效吸收式制冷循環(huán)，使用雙效吸收式制冷循環(huán)性能系數(shù)提升最大僅為8.96%。