两级吸收式制冷

两级吸收式制冷（精选4篇）

两级吸收式制冷 篇1

引言

在环境和能源问题日益严重的今天,吸收式热泵以其清洁、可利用低位能热源的特性而备受人们的青睐,由于单效吸收式制冷的COP较低,近年来国内学者在提高热泵的COP上进行了大量的研究[1,2,3],尽管提高到0.6～0.8之间,仍不理想。吸收式热泵需要的热源可以由太阳能集热器来提供,这种特性决定其有很大的发展潜力[4,5]。本文从使用太阳能热源和改进热泵系统两个方面对热泵进行分析,提出了大幅提高制冷系数、节约冷却水、又可以减轻制冷负荷的新系统。该系统环保、节能,具有和电制冷空调竞争的潜力。

1 太阳能两级吸收式制冷系统

该系统主要有3个循环,其简图如图1所示。

1.1 太阳能热水循环

为了使太阳提供的能量能满足机组连续运转,系统增加一个储液罐使热源温度保持稳定,并储存剩余的热量。本文采用日照强度在国内属于中等地区的夏季太阳辐射强度数值,对太阳能辐射量进行了估计。对数值进行方程回归分析,得到太阳能辐射量二次曲线方程:

式中:GS—太阳能辐射量,W/m2;χ—时刻。

日平均太阳辐射量:

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集热器形式采用效果较好的平板式集热器。

集热效率undefined

式中:Tf—水温度,℃;Tamb—环境温度,℃;H—太阳高度。

热水温度取90℃,环境温度取平均35℃,则η=44%。

单位面积集热器产生的热量Q=640×44%=281.6W/m2。

1.2 地下水冷循环

单级吸收式制冷机效率低的决定因素就是:在发生器中加入的一次热源加热稀溶液产生冷剂蒸汽,冷剂蒸汽随后即被冷凝器冷凝,热量被冷凝水带走,导致一次热源的浪费。若能再次利用该冷剂蒸汽的热量来再次产生冷剂,则系统的COP必然提高。利用较低温度的热源来浓缩相同浓度的溶液要求该溶液的饱和蒸汽压更低。忽略由管道阻力产生的压降,发生器中溶液的饱和蒸汽压近似等于冷凝器中的冷凝压力,该压由冷却水温度决定,所以冷却水温度越低越有利于热源的再次利用。能从自然界获得的稳定低温度的水就是地下水(温度20℃)。来自地下的冷却水先通过冷凝器冷凝来自第二发生器的冷剂水和蒸汽,然后流经吸收器,使吸收器降温,本身温度进一步升高后通过地下换热系统把热量传给大地。

1.3 热泵循环

该系统在原来一级吸收式热泵的基础上增加了一个发生器G2,利用第一发生器G1中产生的冷剂蒸汽来为第二发生器提供热量,达到热源的再次利用,产生更多的冷剂,从而提高系统整体的COP。系统循环如下:

第一发生器G1中的稀溶液被太阳能系统提供的90℃热水加热浓缩,浓溶液经第一热交换器HE1与来自吸收器的稀溶液换热后进入第二发生器G2,被来自发生器G1的冷剂蒸汽加热进一步浓缩。冷剂蒸汽放出热量转变为冷凝水,冷凝水与第二发生器产生的冷剂蒸汽一并进入冷凝器冷凝,所产生的冷剂水进入蒸发器蒸发转变为饱和蒸汽,从外界吸收热量达到制冷目的。在第二发生器G2中被进一步浓缩的溶液经第二溶液热交换器与来自吸收器的稀溶液换热后进入吸收器,在吸收器中该溶液吸收来自发生器的冷剂蒸汽转变为稀溶液,稀溶液由泵泵入第一发生器G1中。

2 系统的热力分析

分析建立在以下可实现的条件上:

(1)太阳能集热器提供的热量完全提供给系统,热水温降范围90～85℃。

(2)冷凝器中的冷凝温度为25℃;

(3)吸收器中的吸收温度为32℃;

(4)蒸发器的蒸发温度为8℃;

(5)发生器G1中溶液和吸收器中溶液均为饱和溶液;

(6)换热器的传热效率为100%。

蒸发器热量平衡方程式:

(1)

吸收器热量平衡方程式:

(2)

第一发生器热量平衡方程式:

(3)

第二发生器热量平衡方程式:

(4)

冷凝器热量平衡方程式:

(5)

溶液热交换器热量平衡方程式:

(6)

(7)

系统质量守恒方程式:

(8)

式中:ξ1—吸收器中饱和溶液浓度;

ξ2—经第一发生器浓缩后的溶液浓度;

ξ2—经第二发生器浓缩后的溶液浓度。

联立以上8个方程式,选取适当的温差传热推动力,根据溴化锂水溶液的特性,经计算可得如图2、图3、图4结论。

图2是在先决条件下,发生器G1和G2的放气范围都为3%,制冷剂获得的总量为1kg时,吸收器中饱和溶液浓度对COP的影响。吸收器中饱和溴化锂溶液浓度<52%时,溶液的饱和蒸汽压大于蒸发器的饱和蒸汽压,吸收推动力较小,蒸发器中的蒸汽不能被及时吸收,压力较高,制冷温度不能达到要求;随着溴化锂溶液浓度升高,相同蒸发温度下其对应的饱和蒸汽压变小,这样来自发生器G2的浓溶液吸收来自蒸发器的蒸汽的推动力增大,蒸发器产生的蒸汽能及时被吸收,COP随之增高,在溶液浓度为55%左右时达到最大值;随着吸收器饱和溶液浓度的增加,发生器中的溶液浓度必然升高,同样的发生器压强,浓溶液对应的饱和蒸汽潜热大,给发生器G1提供同样多的热量所产生的蒸汽量就减少,导致总的冷剂减少,COP随之下降,而且溶液浓度过高容易结晶,使系统不能正常运行。

图3是在吸收器溶液浓度为55%,发生器G1的放气范围为3%,制冷剂获得的总量为1kg时,发生器G2与G1的放气范围浓度比对COP的影响。当G2的放气范围较小时,来自发生器G1的浓溶液流速一定,发生器G1产生的蒸汽只能释放部分潜热,发生器G2只能产生较少的冷剂,大部分被冷凝器冷凝,起不到热源再次利用的目的,系统的COP和一级制冷机相差不大,而且增大了冷凝器的负荷。随着发生器G2放气范围的增加,发生器G1产生的蒸汽潜热被充分利用,COP随之增高。溶液浓度进一步升高,对应蒸汽的蒸发潜热增大,蒸发出的冷剂量稍有降低,COP也有所降低。当第二发生器的放气范围是第一发生器放气范围的1.13倍时,发生器G1产生的冷剂蒸汽潜热被完全利用,G2中溶液的放气范围将不再增加,系统的COP也不再改变。热源温度一定,入口溶液浓度和温度确定,则决定发生器G2放气范围的是换热面积,增大换热面积意味着成本增加,所以需要综合考虑其放气范围。

图4是假设第一热源及其产生的蒸汽潜热被完全利用,在ξ1=54%,单位面积太阳能集热器提供的热量完全被利用时,COP随溶液循环倍率(R=F/(D1+D2))的变化曲线。循环倍率的增大意味着放气范围的减少,同样蒸发压强下,溶液对应的蒸汽蒸发潜热较小,产生的冷剂蒸汽较多,COP随着溶液循环量的增加而稍有增加,无限接近1.66。

3 结论

(1)冷却水先进入冷凝器,后进入吸收器,以保证发生器G2的真空度,也节约了冷却水的用量。

(2)系统利用一次热源所产生的冷剂蒸汽作为第二热源,提高了能量的利用率,使制冷系数有了较大的提高。经分析,该系统COP可以达到1.4～1.7,远高于其他形式的吸收式热泵。

(3)为使系统COP最高,稀溶液的浓度应在55%左右,发生器G1的放气范围为2.5%～3%,发生器G2的传热面积应保证发生器G1的蒸汽潜热完全释放,提高溶液循环率虽然有助于提高COP,但是提升幅度不大,而且增大溶液循环率后溶液泵的负荷和设备尺寸也将增大,故溶液循环率选取10即可。

(4)地下水冷循环的采用保证了系统的稳定性,而且冷却水的用量一定,运行时间越长,节水效果越明显。

(5)如果用两套太阳能集热系统,一套白天驱动热泵,另一套储存能量供晚上热泵运行,再加上辅助电加热防止阴天时系统不能运行,则可以实现一次投入,减少费用运行的目的。

摘要：在给定冷凝温度和吸收温度的情况下提出了利用太阳能做热源、地下水做冷源的两级吸收式制冷系统,COP可达1.41.7,高于其他形式吸收式热泵,节约了冷却水的用量。

关键词：太阳能,两级吸收式制冷,地下水,运用前景

参考文献

[1]陈滢,朱玉群,耿伟,等.低温热源驱动的单效双级(SE/DL)吸收式制冷循环[J].制冷学报,2002,23(1):102-107.

[2]陈亚平,王克勇,施明恒.1.x级溴化锂吸收式制冷循环性能分析[J].工程热物理学报,2005,26(2):193-195.

[3]万忠民,舒水明,胡兴华,等.太阳能混合吸收式制冷空调系统的性能研究[J].华中科技大学学报,2006,36(8):62-64.

[4]Felix Ziegler.Recent developments and future prospects of sorption heat pump systems Int[J].Therm.Sci,1999,38:191-208.

[5]Xavier Garc′a Casals.Solar absorption coolingin Spain:Per-spectives and outcomes fromthe si mulation of recent instal-lations[J].Renewable Energy,2006,31:1371-1389.

氨吸收制冷及压缩制冷工艺比较 篇2

本文介绍的氨吸收制冷工艺和压缩制冷工艺都是在煤化工企业中采用的制冷工艺技术,现对这两种工艺进行分析比较,以便企业选用适合自身条件的工艺。

1 氨吸收制冷工艺

氨吸收制冷工艺在我国的一些化工企业已广泛应用,如南京金陵石化,哈尔滨气化厂,中煤龙化化工公司等等。

1.1 氨吸收制冷工艺原理

以氨为制冷剂,水为吸收剂,利用水对氨有良好的吸收效果的特性,将蒸发器中蒸发出的气氨吸收下来,形成氨水溶液,在更具氨和水灾加压条件下沸点相差较大的特点,将氨水溶液通过精馏的方法得到99%以上的气氨,在冷凝得到液氨,然后循环利用[1]。

1.2 一个典型的氨吸收制冷系统

1.2.1 流程简图

1.2.2 氨吸收制冷主要工艺设备

氨蒸馏塔,塔顶冷却器,回流泵,液氨过冷器,氨蒸发器,塔底重沸器,氨水吸收冷却器,浓氨水储槽,进料泵,稀氨水-浓氨水换热器等。

1.2.3 氨吸收制冷工艺流程简述

来自蒸发器的低压低温气氨进入液氨过冷器,被液氨加热,同时液氨被过冷后送到蒸发器蒸发,用于制冷。来自界外的待冷介质进入蒸发器,被冷却后送到界外。出过冷器的气氨进入氨水吸收冷却器,被稀氨水溶液吸收,吸收过程产生的热量由循环冷却水带走。 吸收后形成浓氨水溶液进入浓氨水储槽,经贮槽缓冲后用氨蒸馏塔进料泵送往稀氨水-浓氨水换热器,被高温稀氨水溶液加热到接近饱和状态后由精馏塔中部进入精馏塔进行精馏。塔顶精馏出的氨气浓度大于99%,进入氨蒸馏塔顶冷凝器后被循环冷却水冷凝为液氨。精馏所须热量由氨蒸馏塔底重沸器提供,热源为工厂废热蒸汽,该氨蒸馏塔底重沸器底部出口的稀氨水溶液经稀氨水-浓氨水换热器冷却,送氨水吸收冷却器作为氨吸收循环使用。

注:(1)氨蒸馏塔;(2)塔底重沸器;(3)冷凝液回收罐;(4)氨蒸馏塔顶冷却器;(5)液氨储罐;(6)回流泵;(7)液氨过冷器;(8)蒸发器;(9)稀氨水-浓氨水换热器;(10)氨蒸馏塔进料泵;(11)浓氨水储槽;(12)氨水吸收冷却器;(13)缓蚀剂罐;(14)缓蚀剂泵;(15)不凝气体洗涤器;(A)冷却水;(B)被冷介质;(C)饱和蒸汽;(D)冷凝液。

2 压缩制冷工艺

2.1 压缩制冷工艺原理

压缩制冷工艺技术比较成熟,应用范围广泛的制冷工艺技术,它是用压缩制冷机队制冷机进行压缩的一种制冷系统。可充当制冷剂的介质有溴化锂,氟利昂,氨,丙烯等等,但就大型的化工企业来说,氨作为制冷剂较为普及。按压缩级数可分为单级压缩和多级压缩,压缩机将从蒸发器来的低压蒸汽进行压缩, 变成高温、 高压蒸汽后进入冷凝器, 受到水或空气的冷却而凝结成高压液体, 再经过节流机构后变成低压液体, 其蒸发温度也相应下降, 于是在蒸发器中吸收热量, 使被冷却介质温度降低。 氨由液态变为气态, 重返压缩机, 再进行下一个循环。

2.2 一个典型的氨压缩制冷系统

2.2.1 流程简图

注:(1)透平;(2)表冷器;(3)冷凝液泵;(4)一段进口分离器;(5)二段进口分离器;(6)氨压缩机;(7)一段出口冷却器;(8)二段出口冷却器;(9)压缩机最终冷却器;(10)氨冷凝器;(11)液氨储罐;(12)闪蒸槽;(13)过冷器;(14)惰性气体冷却器;(15)液氨泵;(A)透平驱动蒸汽;(B)冷凝液;(C)氨气;(D)液氨;(E)放空气。

2.2.2 氨压缩制冷主要工艺设备

氨压缩机驱动透平,氨压缩机组,液氨储罐,闪蒸罐,液氨过冷器等。

2.2.3 氨吸收制冷工艺流程简述

来自脱硫、脱碳工段的-38℃氨气体,压力约为0.07MpaA,进入一段进口分离器,将气体中的液滴分离出来后进入离心式氨压缩机一段进口,经三段压缩后,出压缩机气体压力为1.65MpaG,温度约为135℃,进入氨冷凝器。氨蒸汽通过冷却水冷凝成液体后,靠重力排入氨储槽。由储槽出来的温度为40℃氨液体节流到0.3MpaG进入氨闪蒸槽,氨液体降温

至约-2℃,氨闪蒸气经二段分离器后进入压缩机二段进一步压缩至排气压力。出闪蒸槽的氨液体进氨过冷器的管程,温度进一步降低后送往脱硫、脱碳工段。再次经各冷点调节阀节流至-38℃,蒸发后的气体返回到本系统完成制冷循环。

当用冷负荷降低时,可通过回路调节压缩机进气量,使压缩机在正常工况下运行,不发生喘振。

3 氨吸收制冷和氨压缩制冷流程比较

3.1 氨吸收制冷

3.1.1 氨吸收制冷优点

(1)吸收制冷不需要动力蒸汽,可以节省资源,并且可以有效的回收低位热能[2];

(2)装置可以实现10%~100%负荷范围内无级调节,制冷能力高;

(3)装置的主要设备均为静设备,运转部件少,维修方便,噪音小。

3.1.2 氨吸收制冷缺点

(1)氨水成碱性,易腐蚀设备,所以必须在系统介质中加入防腐剂以抑制或减缓腐蚀的发生;

(2)工艺复杂,对操作水平要求较高;

(3)应用范围较小,只适合大型煤气化和液化企业[3]。

3.2 氨压缩制冷

3.2.1 氨压缩制冷优点

(1)易操作,工艺流程简单;

(2)故障率低。

3.2.2 氨压缩制冷缺点

(1)耗电量大,噪音大;

(2)运作部件多,维修成本高;

(3)制冷能力较小[3]。

4 结 语

从目前两种工艺的使用情况看,压缩制冷已被普遍采用,其稳定性好,技术成熟;氨吸收制冷工艺受热源限制,只适用于大型煤气化、液化生产企业,属于新工艺。从对多个采用氨吸收制冷的化工企业调研结果看,氨吸收制冷系统的稳定性不如氨压缩制冷,制冷效果常达不到理想状态。究其原因,一是操作水平低,二是设备有问题。但是,就目前各个企业的生产状况看,无论是设备的质量,还是仪表控制系统的调节都有较大改进,为氨吸收制冷系统的稳定运行提供了保证。采用氨吸收制冷工艺,既回收了余热,有节约电能,比氨压缩制冷工艺相比具有更好的经济效益。

摘要：介绍了氨吸收制冷工艺及氨压缩制冷工艺,并进行工艺比较,大型煤化工企业采用氨收制冷,相比压缩制冷具有操作弹性大、节能减排、维护成本低等优点,具有良好的经济效益。

关键词：氨吸收,压缩,制冷工艺

参考文献

[1]张浩,孙广伟.浅谈氨吸收制冷的工业价值[J].科技信息,2008(3):680.

[2]邵玉春.节能降耗的氨吸收工艺[J].大氮肥,2008,31(4):262-263.

两级吸收式制冷 篇3

在工业余热氨水吸收式制冷系统的设计中,要尽量使系统的性能达到最佳。虽然可以通过试探法[1]一步一步地调整系统参数来得到较好的系统性能,但这种方法的工作量大而且计算繁琐。因此开发出能够依据特定条件对系统关键参数进行优化的软件是非常有价值的。

1 优化原则的选定

优化主要包括:在材料和能源一定的情况下对系统进行优化,以便于获得其最大的技术效果;在技术效果一定的情况下对系统进行优化,以便于获得最小的支出。文中主要对后者进行讨论。

系统的优化原则通常包括优化设计原则、热力学原则和经济原则。热力学原则是以热力学为基础,在一定的条件下对制冷参数进行优化,使其热力系数COP值达到最大。结构设计原则是从系统中各设备的尺寸和重量出发,使其尺寸达到最小,重量达到最轻。经济性原则是一种全面优化的原则。它既考虑系统的性能,又考虑系统的结构;既考虑初始投资,又考虑运行费用[2,3]。

根据以上原则,文中选用了以下3个目标函数:

1)在一定的约束条件下,选择合适的系统参数,使系统的COP值达到最大;

2)在一定的约束条件下,选择合适的系统参数,使系统的换热面积达到最小;

3)在一定的约束条件下,选择合适的系统参数,使系统的面积性能比达到最小。

2 优化参数的选定

在工业余热氨水吸收式制冷系统中有非常多的设定参数,设定参数只要在一定的范围内取值即可得出合理的结果,当然得出的结果会存在一些差异,因此就要选用最优的系统参数来达到最优的系统性能。在系统中可以进行优化的参数非常多(如初始条件参数、各设备温差参数等)。文中主要对以下参数进行优化:制冷温度t0、冷却水温度tl、发生器热端温差tfd,冷凝器热端温差tld,蒸发器传热温差tzd,吸收器冷端温差txd,溶液热交换器冷端温差trd。

文中主要采用坐标轮换法[4]对以上参数进行优化,其优化原理是:把系统抽象成多元函数,函数中含有多个变量。对系统进行优化时,让其中一个变量先发生变化,其他变量设为定值,求出该变量的最优值,然后让其他变量依次发生变化,找出它们各自的最优值。

3 约束条件及优化模型

3.1 约束条件

在优化设计中的约束条件主要有如下几方面:

1)设计计算中各种温差的取值范围;

2)氨水溶液工质物性的计算公式;

3)各换热器热平衡计算公式;

4)机组传热、传质计算公式;

5)机组工质流动计算公式;

6)必要的结构(几何)公式。

3.2 优化模型

根据工业余热氨水吸收式制冷系统的特性[5,6,7,8],在优化设计中的约束条件主要有如下几种优化模型。

1)以最大热力系数为优化目标。对于氨水吸收式制冷系统以最大热力系数为优化目标的数学模型:

式中:to、tl、tzd、tld、tfd、txd、trd—优化参数变量;f(to,tl,tzd,tld,tfd,txd,trd)—目标函数,函数的目标是求最大COP值。

优化程序中的有关数值可由能量平衡、质量平衡及热力平衡方程来确定,换热系数可由物性参数、流速等来确定。

2)以最小换热面积为优化目标。

对于工业余热氨水吸收式制冷系统以最小换热面积为优化目标的数学模型:

式中:f(to,tl,tzd,tld,tfd,txd,trd)—目标函数,函数的目标是求最小换热面积Fmin;Fmin—各设备换热面积之和的最小值。

3)以最小面积性能比为优化目标。对于工业余热氨水吸收式制冷系统以最小换热面积为优化目标的数学模型:

其中,目标函数为,函数的目标是求最小换热面积与系统性能系数的比值。

4 系统参数的优化程序

工业余热氨水吸收式系统参数优化程序流程图,如图1所示。根据系统参数程序流程图编制优化程序[9],分别以最大热力系数、最小换热面积、最小面积性能比为目标函数对系统进行优化,根据给定的初始条件计算出系统中各状态点的参数,经合理性检查后计算各设备的热负荷并检验系统的热平衡,然后计算系统COP值及各设备的换热面积,之后进行优化筛选,优化软件界面如图2所示。

5 工业余热氨水吸收式制冷系统优化结果

利用优化软件,分别以最大热力系数、最小换热面积及最小面积性能比为优化目标,对系统参数进行优化,并对其优化结果进行分析。

5.1 以最大热力系数为优化目标

1)优化前后参数对比(见表1)。

2)优化前后换热面积对比(见表2)。

由表2可以看出,当系统以最大热力系数为优化目标时,优化后的COP值从0.4471增加到0.5899,COP值有了显著的升高,但该系统的换热总面积却增加了170.21m2。由此可得出,若只片面追求系统COP值的提高,则会增加初始投资。因此当以最大热力系数为优化目标时,优化的结果是不能够完全反映出系统的综合性能。

℃

5.2 以最小换热面积为优化目标

1)优化前后参数对比(见表3)。

℃

2)优化前后换热面积对比(见表4)。

由表4可以看出,当系统以最小换热面积为优化目标时,优化后系统的换热总面积虽减少了100.92m2,但COP值却降至0.4459。由于COP值的降低,从而使运行成本增加。由此看出,若只是追求初始投资的最小,则会降低系统的热力系数,从而使系统的运行成本增加。因此采用该优化目标时,优化的结果不能完全反映出系统的综合性能。

5.3 以最小换热面积为优化目标

1)优化前后参数对比(见表5)。

℃

2)优化前后换热面积对比(见表6)。

由表6可以看出,当系统以最小面积性能比为优化目标时,系统的COP值由0.4471增加到0.527,同时该系统的换热总面积也减少了25.02m2。由此可以看出,当以最小面积性能比为优化目标时,不仅可以降低系统的制造成本,同时又可以降低系统的运行成本。因此当以最小面积性能比为优化目标时,优化结果能够充分反映出系统的综合性能。

6 结语

文中采用VC++编制了工业余热氨水吸收式制冷系统参数优化软件,分别以最大热力系数、最小换热面积及最小面积性能比三大优化原则为优化目标,对制冷温度、发生器热端温差等7个参数进行优化,经软件计算、数据对比,得出以最小面积性能比为优化目标时,优化结果能够有效的提高系统的综合性能。

参考文献

[1]焦永刚.余热回收型吸收式制冷循环优化研究[D].天津:天津大学,2005.

[2]焦永刚,胡定科,胡静.吸收式制冷循环的计算机模拟及优化分析[J].石家庄铁道学院学报,2003,19(1):100-105.

[3]戴永庆.溴化锂吸收式制冷技术及应用[M].北京:机械工业出版社,1996.

[4]邵陆涛,优化设计方法[M].北京:中国农业出版社,2007:59-62.

[5]林陈敏,陈亚平,田莹.氨水吸收式制冷系统在渔船尾气中余热利用分析[J].能源研究与利用,2008,(1):37-40.

[6]倪锦,顾锦鸿,沈建.渔船氨水吸收式制冷系统的建模和理论运行特性分析[J].流体机械,2011,39(2):52-57.

[7]孔丁峰,柳建华,张良,等.单级氨水吸收式制冷机试验台性能研究[J].流体机械,2010,38(5):56-62.

氨水吸收式制冷夹点分析法 篇4

传统的电压缩式制冷需要消耗大量的电能。IIR估计全世界大约15%的电力消耗适用于各式各样的制冷空调系统,另外压缩式制冷系统使用的制冷剂CFC、HCFCs会导致严重的环境问题,例如臭氧层空洞、全球变暖等[1]。许多工厂使用通过燃烧矿物燃料产生的蒸汽或热能用于工艺过程,此过程后产生了大量废热并将其排放到环境中。而这种余热通过热驱动的制冷系统可以转化为有用的制冷用热(例如吸收式制冷系统)。因此,吸收式制冷以其具有可直接利用低品位热源驱动、不使用对臭氧层有破坏作用的 CFCs为工质等独特的优点,越来越受到人们的关注。

应用于空调系统的溴化锂-水(H2O-LiBr)吸收式制冷和应用于冷库的氨水(NH3-H2O)吸收式制冷已经商业化应用。溴化锂-水吸收式制冷系统具有高效的性能。制冷温度由于受到制冷剂的制约,通常不低于 5℃,一般仅用于空调或工业冷却。氨水吸收式制冷的制冷温度范围比较宽,一般在+10～-60℃,不仅可用于空调,而且更重要的是可用于0 ℃ 以下的普通制冷场所。因此,在利用工业余热制冷系统中,氨水吸收式制冷机明显优于溴化锂吸收式制冷系统[2]。

由于氨与水的沸点比较接近,在一定的工况下,氨水吸收式制冷循环中有可能产生部分温度重叠的现象,即吸收过程中可能产生的温度处于比吸收器高压浓溶液的温度还要高的区域。因此,吸收器产生的热量可以减少发生器的热负荷,回收吸收器内部热量可以提高氨水吸收式制冷的性能系数。

夹点技术是一种在过程工业中减少热公用工程和冷公用工程高效的技术,由英国Linnhoff首先提出,现在成功用于多个工业生产工程[3]。本文将使用夹点技术分析传统的氨水吸收式制冷循环系统,以回收最大的内部循环热,提高循环的性能系数。

1 系统循环分析

传统的氨水吸收式制冷系统循环流程如图1所示。吸收循环类似于蒸汽压缩式循环,区别是吸收器和发生器代替了压缩机。

溶液泵消耗的功比压缩制冷系统中压缩机消耗的功要小得多,提高了循环的性能。系统主要消耗蒸汽热能,最大限度回收系统的内部热量是提高性能系数的有效方法,文中使用夹点方法实现了最大的内部热量回收[5]。

2 系统建模研究

2.1 基本假设[6]

假设系统在稳定的状态下运行:

1)浓溶液离开吸收器(状态点1)和稀溶液离开发生器(状态点2)处于其对应压力、温度下的饱和状态;

2)制冷剂离开冷凝器和蒸发器处于对应压力、温度下的饱和状态(状态点6和8);

3)溶液交换器效率为0.8;

4)忽略泵功;

5)进入冷凝器的氨气浓度为0.998。

2.2 热力计算满足条件

热力计算满足各设备的总质量平衡、氨组分质量平衡和能量平衡。

总质量平衡:∑min-∑mout=0

NH3质量平衡:∑(mx)in-∑(mx)out=0

能量平衡:Q+∑(mh)in-∑(mh)out=0

模拟条件是热源温度为158℃,制冷温度为-10℃,冷却水温度为28℃。制冷剂氨的流量为1kg/s。其计算参数如表1所示。

通过计算得知,系统的溶液交换器的热负荷为1163.42kW。系统的性能系数COP=QE/QD=1177.9085/2136.1789=0.551。

如果不考虑溶液交换器、过冷器,根据表1的状态参数和图1的流程划分为冷、热物流(其中H表示热物流,C表示冷物流)。表2所示为系统物流数据。

2.3 夹点位置的确定

根据表2组合冷热物流曲线如图2所示。夹点为冷热物流最小温差处,位于图中的N点位置。

确定区界温度,将所有热物流的供给温度和目标温度均减去ΔTmin/2,将所有的冷物流的供给温度和目标温度均加上ΔTmin/2,得到的数据就是区界温度,将所得的区界温度按高低顺序排列,相邻的两个温度值就确定了一个温度区间,对应列出问题表格如表3所示。

各子网络的表格求解,在每个子网络中,冷热物股换热必须保证传热温差的要求,这样就算出每个子网络充分换热后还剩余的热量或不足的热量。以第j个子网络为例,盈亏热量为:

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式中:qj—第j个子网络的盈亏热量(负值为亏);Tj、Tj+1—子网络j上的上、下界温度;undefined—网络内所有热流股的热容流率之和;undefined—网络内所有冷流股的热容流率之和[7]。

由式(1)得出表3中的q列。根据传热原理,较高温度下的盈余热量可弥补较低温度下的亏损热量。从外界引入热量QH计算出表中的Q列,外界所输入的热量QH至少应与满足每一个子网络向外界输出的热流量Q不为负值,以保证热量传递的可行性。如果外界热量从温度水平最高的子网络输入,那么其值应最少为QHmin=1888.56kW。将数值代入Q列,得到最后一列,最小热流量QCmin=2569.7kW。系统所需要的最小公用加热工程为1888.56kW,最小公用冷却工程为2569.7kW。

2.4 设计换热网络

根据以上子网络的具体情况设计的换热网络,在热物流H1冷端设置冷公用工程C1=1120.23kW,冷却热物流H1。选取热物流H2与冷物流C2换热,换热量为1387kW,H2剩下的138.98kW的热量设置公用冷却工程冷却。选择热物流H3与冷物流C1换热,由于吸收式制冷的特性,需要获得更多的冷量,所以换热量取-122.68kW,这样剩下的H3设置需要冷公用工程C3=1433.68kW冷却热公用工程H3。

冷物流换热较简单,分别设置公用加热工程H1、H2、H3加热冷物流C2、C3。由以上分析得到的换热网络如图3所示。

3 系统循环改进

通过上面的分析得知本例传统的氨水吸收式制冷的一部分内部热量能够回收,传统循环计算得知溶液交换器热负荷为1163.41kW。而可回收的最大内部热量为1387kW。故可设置单级氨水吸收式制冷GAX循环以更好的回收循环内部热量。

在改进的循环中吸收终了的浓溶液经溶液泵加压后在GAX换热器中吸收一部分吸收过程所放出的热量,从而更多地回收系统的内部热,减少发生器的发生热,从而提升系统的性能系数。经过计算改进后的氨水吸收式制冷系统的性能系数COP=1177.9/1888.66=0.623。

4 结论

引入夹点分析法分析氨水吸收式制冷性能系统,构造了冷热物流曲线,找出了系统的夹点位置。这种方法回收了系统的最大循环内部热,因此提高了系统的性能系数。根据实例分析得知:通过夹点分析优化实例的性能系数(COP)提高了11.58%。

摘要：氨水吸收式制冷需要消耗很大的公用工程,其性能系数(COP)不是很高,引入夹点分析法分析氨水吸收式制冷系统,该方法能够确定可回收的系统最大内部循环热,优化后的系统性能系数为0.623,比优化前的系统性能系数高11.58%。该方法对氨水吸收式制冷设计具有一定的指导意义。

关键词：吸收式制冷,氨水,夹点分析,热回收

参考文献

[1]Daliang Hong,Guangming Chen,Liming Tang,et al.A no-vel ejector-absorption combined refrigeration cycle[J].International Journal of Refrigeration,2011,34:1569-1603.

[2]杨思文.氨水吸收式制冷机的基础理论和设计之一—发展概况及其应用[J].流体工程,1989,17(1):61-64.

[3]张济民.夹点技术及其应用[J].化学工程师,2004,105(6):45-47.

[4]杨思文.氨水吸收式制冷机的基础理论和设计之九—制冷循环与工作过程[J].流体工程,1990,(2):58-59.

[5]C.P.Jawahar,B.Raja R.Thermodynamic studies on NH3-H2O absorption cooling system using pinch point ap-proach[J].International Journal of Refrigeration,2010,33:1379-1380.

[6]廖健敏.氨水吸收式制冷GAX循环性能分析[C].南京:东南大学,2004.