采用R1234ze(E)/離子液體工質(zhì)對的吸收式制冷循環(huán)性能分析

張垚,朱山杉,王曉坡,孫艷軍

(西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室,710049,西安)

吸收式制冷循環(huán)可以利用余熱、廢熱以及太陽能等低品位熱源,一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點[1-3]。然而,傳統(tǒng)的吸收式制冷工質(zhì)對H2O/LiBr和NH3/H2O有一定的缺陷,LiBr水溶液有一定的腐蝕性,且系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度需保持在0 ℃以上,NH3具有毒性,并且在制冷循環(huán)中需要安裝精餾裝置,增大了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性[4-5]。離子液體具有飽和蒸氣壓幾乎為零、高的熱穩(wěn)定性等優(yōu)良特性,所以其與制冷劑組成的工質(zhì)對被認為是一類有潛力的新型吸收式制冷工質(zhì)對。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者對HFCs類制冷劑與離子液體組成的工質(zhì)對在制冷循環(huán)中的性能進行了大量的分析和研究[6-10],但是關(guān)于烯烴類HFO制冷劑的研究卻很少。HFO制冷劑相對比HFCs類制冷劑具有更低的GWP和ODP值,對環(huán)境更加友好。Wu等分析了烯烴類制冷劑R1234ze(E)與3種離子液體[Emim][BF4]、[Hmim][BF4]、[Omim][BF4]組成的3種工質(zhì)對在單效吸收式制冷系統(tǒng)以及壓縮-吸收聯(lián)合制冷系統(tǒng)的性能,對比了不同發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度和冷凝溫度時系統(tǒng)的性能系數(shù)和效率變化情況[11]。Wu等分別對比分析了烯烴類制冷劑R1234ze(E)和R1234yf與離子液體[Hmim][Tf2N]組成的工質(zhì)對在吸收式制冷循環(huán)中的性能,并和R152a/[Hmim][Tf2N]、R32/[Hmim][Tf2N]、R125/[Hmim][Tf2N]工質(zhì)對以及H2O/LiBr和NH3/H2O等進行了對比分析[12-13]。為了進一步研究烯烴類制冷劑與離子液體組成的工質(zhì)對在吸收式制冷循環(huán)中的表現(xiàn),本文對R1234ze(E)與3種不同離子液體[Bmim][PF6]、[Hmim][PF6]和[Omim][PF6]組成的工質(zhì)對進行研究,并與其他工質(zhì)對進行對比分析。

1 R1234ze(E)/離子液體物性模型

對循環(huán)進行研究時,需要用到工質(zhì)對的相平衡數(shù)據(jù),本文用NRTL模型[14]對文獻測得的R1234ze(E)/[Bmim][PF6]、R1234ze(E)/[Hmim][PF6]和R1234ze(E)/[Omim][PF6]的相平衡實驗數(shù)據(jù)[15]進行關(guān)聯(lián)。對每一組分,NRTL活度系數(shù)模型可表示為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:xi為液相摩爾分數(shù);yi為氣相摩爾分數(shù);p為平衡壓力;pis為飽和蒸氣壓;φi為逸度系數(shù);Bi為第二維里系數(shù);Vi為飽和液相摩爾體積。Bi、Vi和pis的數(shù)據(jù)可通過Refprop9.1得到,離子液體的飽和蒸氣壓可忽略不計,故其氣相摩爾分數(shù)取為1?；貧w得到制冷劑R1234ze(E)/離子液體工質(zhì)對二元交互參數(shù)如表1所示。

表1 工質(zhì)對二元交互參數(shù)

圖1 工質(zhì)對相平衡實驗值與NRTL模型計算值偏差分布

進行制冷循環(huán)分析時,需要用到制冷劑與離子液體混合物的焓值,即[16-17]

H=x1H1+x2H2+HE

(7)

(8)

(9)

式中:H1、H2分別為制冷劑、離子液體的焓;HE為混合物的過量焓;cp,IL為離子液體的定壓摩爾比熱容;vIL為離子液體的摩爾體積。根據(jù)國際制冷學(xué)會參考標準,T0=273.15K時,H0=200kJ/kg。離子液體的定壓摩爾比熱容cp,IL和摩爾體積vIL計算公式為[18-19]

(10)

(11)

式中R為通用氣體常數(shù)。

2 吸收式制冷循環(huán)模型及驗證

整個吸收式制冷循環(huán)中,來自蒸發(fā)器的過熱制冷劑蒸汽在吸收器中被濃溶液吸收,成為稀溶液并經(jīng)過溶液泵加壓,隨后經(jīng)溶液換熱器輸送到發(fā)生器,溶液換熱器起到預(yù)熱作用。通過吸收外界高溫熱源的熱量,稀溶液在發(fā)生器解析出制冷劑隨后溶液成為濃溶液,同時釋放出高溫、高壓的制冷劑蒸汽,隨后濃溶液依次經(jīng)過溶液換熱器放熱、膨脹閥減壓后回到吸收器。高溫、高壓的過熱蒸汽則進入冷凝器,被冷卻后經(jīng)過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器進行制冷,最后制冷劑蒸汽重新進入吸收器被濃溶液吸收,完成吸收式制冷的整個循環(huán)過程。吸收制冷循環(huán)的基本原理如圖2所示,圖中數(shù)字1～10表示循環(huán)節(jié)點。

圖2 單效式吸收制冷循環(huán)結(jié)構(gòu)圖

在進行循環(huán)性能分析時,假定整個循環(huán)處于穩(wěn)態(tài),制冷劑離開蒸發(fā)器和冷凝器時為飽和狀態(tài),制冷劑與離子液體在發(fā)生器、吸收器出口處于相平衡狀態(tài),流動阻力、壓力損失、熱損失忽略不計。在吸收式制冷循環(huán)中,盡管溶液泵是一個非常重要的組成部分,但相比其他各部分吸、放熱量的量級而言,溶液泵耗功可忽略不計[20],因此本文在循環(huán)計算時未考慮泵功。

基于質(zhì)量和能量守恒,建立制冷循環(huán)中各部件的質(zhì)能方程。對發(fā)生器而言,熱平衡關(guān)系為

Qg+mrh7=mrh3+(mw-mr)h8

(12)

式中:Qg為發(fā)生器熱負荷;hi為各狀態(tài)節(jié)點的焓值;mw為稀溶液的質(zhì)量流量;mr為制冷劑蒸氣的質(zhì)量流量。

對于吸收器

Qa+mwh5=mrh2+(mw-mr)h10

(13)

對于冷凝器

Qc+mrh4=mrh3

(14)

對于蒸發(fā)器

Qe+mrh1=mrh2

(15)

對于溶液換熱器

Qx=(mw-mr)(h8-h9)

(16)

式中:Qa、Qc、Qe、Qx分別為吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器和溶液換熱器的熱交換量。本文設(shè)定換熱器效率80%。循環(huán)倍率定義為[21-22]

(17)

式中:ms為濃溶液的質(zhì)量流量;xw為稀溶液的質(zhì)量分數(shù);xs為濃溶液的質(zhì)量分數(shù)。單效式吸收式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)為

(18)

(19)

式中:EQe、EQg分別為收益、代價;Te、Tg分別為蒸發(fā)溫度、發(fā)生溫度;Tref=298.15K[17,23]。

為了驗證循環(huán)模型計算的準確性,本文計算了R1234ze(E)/[Hmim][Tf2N]工質(zhì)對在單效吸收制冷循環(huán)的性能,并與文獻[11]的計算結(jié)果進行了比較。圖3給出了在相同計算工況條件下(吸收器溫度和冷凝溫度Tc均為35 ℃,蒸發(fā)器溫度為5 ℃),發(fā)生器出口溫度變化時系統(tǒng)性能的變化,可知本文計算結(jié)果與文獻結(jié)果吻合較好,二者細微的差別可能是由離子液體的比熱容計算方法不同造成的。

圖3 R1234ze(E)/[Hmim][Tf2N]工質(zhì)對系統(tǒng)的性能系數(shù)計算值與文獻[11]對比

3 結(jié)果分析

本文研究了R1234ze(E)與3種不同離子液體組成的工質(zhì)對在單效式吸收式制冷循環(huán)中的應(yīng)用,并分析了不同工況下變化對系統(tǒng)性能的影響。

3.1 發(fā)生溫度和蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

分析發(fā)生溫度對系統(tǒng)循環(huán)倍率的影響可直觀反映出工質(zhì)對在制冷系統(tǒng)中的表現(xiàn),因此本文首先分析了不同蒸發(fā)溫度時發(fā)生器出口溫度對循環(huán)倍率的影響,結(jié)果如圖4、5所示。設(shè)定的吸收器溫度為35 ℃,冷凝溫度分別為30 ℃、35 ℃。

圖4 Tc=30 ℃時發(fā)生器出口溫度對循環(huán)倍率的影響

圖5 Tc=35 ℃時發(fā)生器出口溫度對循環(huán)倍率的影響

由圖4可知,在相同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下,所研究的3種工質(zhì)對的循環(huán)倍率變化由小到大依次為[Omim][PF6]、[Hmim][PF6]、[Bmim][PF6]。由圖5可知,蒸發(fā)溫度從5 ℃變化到10 ℃時,循環(huán)倍率明顯減小,有利于制冷循環(huán)的進行。冷凝溫度變化對循環(huán)倍率也有一定的影響,提高冷凝溫度會造成冷凝器內(nèi)制冷劑壓力的升高,從而影響發(fā)生器中制冷劑的釋放,造成循環(huán)倍率降低。[Bmim][PF6]相對于其他兩種離子液體擁有更高的循環(huán)倍率,表明產(chǎn)生相同質(zhì)量的制冷劑蒸氣需要更大的稀溶液質(zhì)量流量。隨著發(fā)生溫度的升高,循環(huán)倍率逐漸下降,產(chǎn)生單位質(zhì)量的制冷劑需要稀溶液質(zhì)量流量逐漸減小,最終平穩(wěn),發(fā)生溫度越高,濃溶液與稀溶液的濃度差越大,循環(huán)倍率越低。

溶液濃度表示制冷循環(huán)中溶液在進入發(fā)生器前后的制冷劑在離子液體中的質(zhì)量分數(shù),稀溶液和濃溶液的濃度差Δx=xs-xw直接取決于制冷劑在離子液體的溶解度和壓力的變化。圖6給出了冷凝溫度和吸收溫度一定時,不同蒸發(fā)溫度下溶液濃度差隨發(fā)生器溫度的變化趨勢。由圖6可知,當蒸發(fā)溫度從10 ℃升高到20 ℃時,濃度差變大,導(dǎo)致稀溶液質(zhì)量流率減小,制冷系統(tǒng)制冷量增大,系統(tǒng)性能上升。圖7給出了冷凝溫度變化時,溶液濃度差隨發(fā)生器溫度的變化,可知冷凝溫度35 ℃時,[Omim][PF6]的濃度差變化最明顯,改變冷凝溫度可提升循環(huán)性能。

圖6 Tc=30 ℃、Ta=35 ℃時不同溫度下濃度差隨溫度的變化

圖7 Te=10 ℃、Ta=35 ℃時不同溫度下濃度差隨溫度的變化

圖8給出了蒸發(fā)溫度和吸收溫度一定,冷凝溫度分別為30 ℃、35 ℃時,系統(tǒng)性能系數(shù)隨發(fā)生溫度的變化情況。由圖8可知:冷凝溫度為30 ℃時,[Omim][PF6]與[Hmim][PF6]的性能變化相近,并在發(fā)生溫度70 ℃時性能系數(shù)達到最大值,隨后逐漸下降;冷凝溫度為35 ℃時,工質(zhì)對在85 ℃時性能系數(shù)達到最大值。兩種工況下[Bmim][PF6]的性能系數(shù)值最小,[Omim][PF6]相對于其他兩種離子液體,性能系數(shù)值最大,可達到0.21。

圖8 Te=10 ℃、Ta=30 ℃時3種工質(zhì)對在不同發(fā)生器出口溫度時的系統(tǒng)性能變化

3.2 吸收溫度對系統(tǒng)性能的影響

結(jié)合工業(yè)中的實際需要,本文將吸收溫度設(shè)定為環(huán)境冷卻水的溫度,溫度為30～50 ℃。圖9給出了3種工質(zhì)對在不同吸收器出口溫度的系統(tǒng)性能,可知在發(fā)生溫度為100 ℃、冷凝溫度為30 ℃、蒸發(fā)溫度為10 ℃時,隨著吸收溫度的逐漸升高,性能系數(shù)逐漸降低,呈現(xiàn)單調(diào)減小的趨勢,其中[Omim][PF6]的降低幅度最大,這是由于R1234ze(E)在[Omim][PF6]的溶解度隨溫度的變化幅度大于其他2種離子液體,降低吸收溫度可明顯提升系統(tǒng)的性能。

圖9 3種工質(zhì)對在不同吸收器出口溫度時的系統(tǒng)性能變化

3.3 系統(tǒng)的火用分析

為了對循環(huán)有進一步的認識,本文計算了3種工質(zhì)對應(yīng)用于吸收式制冷循環(huán)時的效率,分析了效率隨發(fā)生溫度的變化情況,如圖10所示。在冷凝溫度30 ℃時,對3種工質(zhì)對而言,循環(huán)的效率值在65 ℃時均達到最大,分別為0.089、0.072和0.054,其中[Omim][PF6]最大,[Bmim][PF6]最小;在冷凝溫度為35 ℃時,循環(huán)的效率較低。

圖10 循環(huán)效率隨發(fā)生器出口溫度的變化(Te=10 ℃,Ta=35 ℃)

3.4 與其他工質(zhì)對對比分析

為了進一步考察分析本文研究的3種工質(zhì)對與文獻中R1234ze(E)與其他離子液體組成的工質(zhì)對的性能,圖11、12分別給出了蒸發(fā)溫度為5 ℃、吸收溫度和冷凝溫度均為35 ℃條件時,不同發(fā)生溫度對系統(tǒng)循環(huán)倍率和系統(tǒng)性能的影響。由圖11可知,當發(fā)生溫度在75 ℃時,不同工質(zhì)對循環(huán)倍率由小至大依次為[Omim][PF6]、[Hmim][PF6]、[Hmim][BF4]、[Bmim][PF6]、[Omim][BF4]、[Emim][BF4],而當發(fā)生溫度高于85 ℃時,[Omim][PF6]、[Hmim][PF6]、[Hmim][BF4]和[Omim][BF4]的循環(huán)倍率基本趨于一致,其中[Omim][BF4]隨發(fā)生溫度的變化下降最為明顯。

圖11 不同工質(zhì)對發(fā)生器出口溫度隨循環(huán)倍率的影響

圖12中R1234ze(E)/[Emim][BF4]、R1234ze(E)/[Hmim][BF4]、R1234ze(E)/[Omim][BF4]的結(jié)果取自文獻[9],R1234ze(E)/[Hmim][Tf2N]的結(jié)果取自文獻[10]。按系統(tǒng)性能由大至小依次為[Hmim][Tf2N]、[Omim][PF6]、[Hmim][PF6]、[Omim][BF4]、[Hmim][BF4]、[Bmim][PF6]、[Emim][BF4]。工質(zhì)對R1234ze(E)/[Omim][PF6]在發(fā)生溫度為70～80 ℃之間時性能系數(shù)上升明顯,在95～100 ℃時性能系數(shù)與R1234ze(E)/[Hmim][Tf2N]基本接近。同樣,在發(fā)生溫度較高時,R1234ze(E)/[Hmim][PF6]和R1234ze(E)/[Omim][BF4]具有相近的性能系數(shù)。

圖12 不同工質(zhì)對系統(tǒng)性能隨發(fā)生器出口溫度的變化

4 結(jié) 論

本文研究了R1234ze(E)與3種離子液體[Omim][PF6]、[Hmim][PF6]、[Bmim][PF6]組成的新型工質(zhì)對在吸收式制冷循環(huán)中的熱力學(xué)性能,分析了不同發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度以及冷凝溫度下的循環(huán)倍率、稀溶液的質(zhì)量流量濃度差以及系統(tǒng)性能系數(shù)和效率變化情況。提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度,可以降低系統(tǒng)的循環(huán)倍率,溶液濃度差變大,提高系統(tǒng)性能;提高冷凝溫度,系統(tǒng)性能則會下降;隨著溫度的變化,3種工質(zhì)對呈現(xiàn)先增大后緩慢減小的趨勢;提高吸收溫度,系統(tǒng)性能單調(diào)遞減。此外,與多種R1234ze(E)+離子液體進行了對比,結(jié)果表明,R1234ze(E)/[Hmim][Tf2N]系統(tǒng)性能最優(yōu),R1234ze(E)/[Emim][BF4]性能最低。