賈秀璨 羅 勇 王曉坡

(西安交通大學能源與動力工程學院 熱流科學與工程教育部重點實驗室 西安 710049)

與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮制冷循環(huán)相比，吸收式制冷循環(huán)因可利用工業(yè)余熱、廢熱、太陽能等低品位能源[1-2]，有利于能源的梯級利用和電力資源的節(jié)約。吸收式制冷循環(huán)的工質(zhì)對通常由兩個沸點不同的組分組成：具有較低沸點的制冷劑和較高沸點的吸收劑。吸收式制冷循環(huán)的性能很大程度上取決于制冷劑在吸收劑中的溶解度[3]。H2O/LiBr和NH3/H2O是吸收式制冷系統(tǒng)中最廣為利用的兩種工質(zhì)對，但均存在一些缺陷，如NH3/H2O溶液對銅及其合金具有腐蝕性，H2O/LiBr的工作范圍小且在高濃度下易結(jié)晶[4]。所以，尋找性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好、環(huán)境友好的新型工質(zhì)對是吸收式制冷技術(shù)發(fā)展的一個重要課題。

1 熱力學模型

1.1 制冷劑/角鯊?fù)槲镄杂嬎隳Ｐ?/h3>

本文吸收式制冷循環(huán)的熱力學分析以制冷劑和角鯊?fù)榈臍庖浩胶鈱嶒灁?shù)據(jù)為基礎(chǔ)。使用活度系數(shù)NRTL模型對文獻報道的DME/角鯊?fù)楹蚏600a/角鯊?fù)榈南嗥胶鈹?shù)據(jù)進行回歸[11]。對于制冷劑和潤滑油的二元混合物，氣液平衡的基本關(guān)聯(lián)式為[12]：

(1)

(2)

式(1)中制冷劑的活度系數(shù)通過NRTL模型[14]計算，表達式如下：

(3)

式中：x2為潤滑油的液相摩爾分數(shù)；τ12和τ21為二元交互作用參數(shù)，通過式(4)和式(5)計算：

τ12=τ12,0+τ12,1(T-273.15)+

τ12,2(T-273.15)2

(4)

τ21=τ21,0+τ21,1(T-273.15)+

τ21,2(T-273.15)2

(5)

式中：α、τ21,0、τ21,1、τ21,2、τ12,0、τ12,1、τ12,2為通過實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到的參數(shù)，兩種工質(zhì)對的計算結(jié)果如表1所示。圖1對比了通過NRTL模型回歸得到的兩種工質(zhì)對的制冷劑液相摩爾分數(shù)與實驗數(shù)據(jù)的偏差分布。二甲醚/角鯊?fù)楹蚏600a/角鯊?fù)轶w系的絕對平均偏差分別為1.74%和0.25%，最大相對偏差分別為7.99%和0.67%。結(jié)果表明，NRTL模型的回歸結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。

表1 兩種工質(zhì)對的NRTL模型參數(shù)

圖1 兩種工質(zhì)對的相平衡計算值與實驗值偏差

混合物的摩爾焓H通過式(6)計算：

H=x1H1+x2H2+HE

(6)

式中：H1為制冷劑的液相摩爾焓，kJ/mol；HE為混合物的過量摩爾焓[15]，kJ/mol；H2為角鯊?fù)榈哪栰?，kJ/mol。H2通過式(7)計算：

(7)

式中：T0為參考溫度，T0=273.15 K；h0為參考溫度下的比焓，根據(jù)國際制冷學會的標準，h0=200 kJ/kg；M2為角鯊?fù)榈哪栙|(zhì)量，0.422 8 kg/mol；cp,2為角鯊?fù)榈哪柋葻崛?，可根?jù)以下關(guān)于溫度的函數(shù)進行計算：

cp,2=D+ET+FT2

(8)

式中：D、E和F為基于V. I. Korotkovskii等[16]報道的實驗數(shù)據(jù)擬合得到的參數(shù)，如表2所示。

表2 角鯊?fù)榈哪柋葻崛萦嬎銋?shù)

混合物的過量摩爾焓HE通過式(9)計算：

(9)

式中：γ1和γ2為通過NRTL模型計算得到的制冷劑和角鯊?fù)榈幕疃认禂?shù)。

1.2 吸收式制冷循環(huán)模型

圖2所示為單效和壓縮輔助吸收式制冷系統(tǒng)的工作原理。圖中虛線管路中流動濃溶液，點線管路中流動稀溶液，實線管路中流動制冷劑。在這兩個系統(tǒng)中，離開蒸發(fā)器的氣相制冷劑被吸收器中的稀溶液吸收，形成濃溶液。濃溶液經(jīng)溶液泵加壓后進入換熱器與稀溶液換熱。離開換熱器的濃溶液進入發(fā)生器，在發(fā)生器中濃溶液分離出氣相制冷劑從而形成稀溶液。稀溶液依次經(jīng)由換熱器加熱、膨脹閥節(jié)流，然后在吸收器中吸收來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣。從發(fā)生器分離出來的氣相制冷劑在冷凝器中冷凝為飽和液相，然后通過膨脹閥節(jié)流為氣液兩相。制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)以達到制冷效果。與單效循環(huán)相比，在壓縮輔助循環(huán)中，來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣在進入吸收器之前由壓縮機加壓，進而提升了吸收壓力和濃溶液的濃度。

圖2 吸收式制冷循環(huán)結(jié)構(gòu)

在分析過程中，進行如下假設(shè)：1)發(fā)生器出口溶液和吸收器出口溶液均為飽和態(tài)；2)循環(huán)各部件沒有壓損和熱損失；3)制冷劑和溶液的節(jié)流過程前后焓值均不變；4)蒸發(fā)器入口沒有過冷度，出口沒有過熱度。在此基礎(chǔ)上，各部件的質(zhì)能守恒如下：

對于發(fā)生器：

(10)

對于冷凝器：

(11)

對于蒸發(fā)器：

(12)

對于單效循環(huán)中的吸收器：

(13)

對于壓縮輔助循環(huán)中的吸收器：

(14)

對于溶液泵，泵功耗為：

(15)

壓縮機功耗為：

(16)

換熱器的換熱量為：

(17)

(18)

式中：ww和ws分別為稀溶液和濃溶液中制冷劑的質(zhì)量分數(shù)。單效循環(huán)的COP定義為：

(19)

壓縮輔助循環(huán)的COP定義為：

(20)

式中：ηelec為壓縮機的電效率，本文取為0.38。

(21)

(22)

式中：Tref為參考環(huán)境溫度，取298.15 K。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能的影響

在冷凝溫度為303.15 K、蒸發(fā)溫度為278.15 K、吸收溫度為303.15 K、壓縮機壓比為1.5的狀態(tài)下，分析發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 兩種工質(zhì)對的COP隨發(fā)生溫度的變化

圖4 兩種工質(zhì)對的ECOP隨發(fā)生溫度的變化

圖5 不同發(fā)生溫度下制冷量與發(fā)生熱的比值

圖6所示為兩種工質(zhì)對的循環(huán)倍率隨發(fā)生溫度的變化。由圖6可知，隨著發(fā)生溫度的升高，兩工質(zhì)對的循環(huán)倍率先急劇下降，然后逐漸趨于一個穩(wěn)定值。這是因為當發(fā)生溫度較低時，升高發(fā)生溫度會顯著降低稀溶液中的制冷劑濃度，從而大幅增加循環(huán)制冷劑量。當稀溶液的濃度降至一定程度時，制冷劑的溶解度隨發(fā)生溫度增加的影響逐漸變小，導致循環(huán)倍率趨于穩(wěn)定。壓縮輔助循環(huán)的循環(huán)倍率明顯低于單效循環(huán)。此外，R600a/角鯊?fù)榈难h(huán)倍率低于DME/角鯊?fù)楣べ|(zhì)對(兩工質(zhì)對循環(huán)倍率的穩(wěn)定值分別為4.1和7.6)，這與兩種制冷劑在角鯊?fù)橹械娜芙舛却笮∫恢?，也說明低循環(huán)倍率會導致更高的系統(tǒng)性能。

圖6 兩種工質(zhì)對的循環(huán)倍率隨發(fā)生溫度的變化

2.2 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

蒸發(fā)溫度取決于制冷系統(tǒng)需要達到的制冷溫度，工業(yè)制冷經(jīng)常需要273.15 K以下的溫度，電子器件冷卻溫度可在293.15 K以上?；诖?，在冷凝溫度為303.15 K、發(fā)生溫度為363.15 K、吸收溫度為303.15 K、壓縮機壓比為1.5的狀態(tài)下，分析了蒸發(fā)溫度增加對于系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 兩種工質(zhì)對的COP隨蒸發(fā)溫度的變化

圖8 兩種工質(zhì)對的ECOP隨蒸發(fā)溫度的變化

圖9 兩種工質(zhì)對的循環(huán)倍率隨蒸發(fā)溫度的變化

由圖7可知，兩工質(zhì)對的COP均隨蒸發(fā)溫度的升高而增加。這是因為蒸發(fā)溫度的升高使蒸發(fā)器和吸收器的壓力升高，進而使?jié)馊芤旱臐舛群脱h(huán)制冷劑量增加，提高了系統(tǒng)的制冷能力和性能系數(shù)。

由圖9可知，隨著蒸發(fā)溫度的增加，兩種工質(zhì)對的循環(huán)倍率均先急劇下降后逐漸趨于一個穩(wěn)定值，這是因為當蒸發(fā)溫度較低時，蒸發(fā)器出口壓力的增加會顯著提高吸收器中濃溶液的制冷劑濃度，而當濃溶液濃度增加的同時，制冷劑的溶解度受吸收壓力增加的影響也逐漸減弱，出現(xiàn)循環(huán)倍率逐漸趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象。此外，R600a/角鯊?fù)楣べ|(zhì)對的循環(huán)倍率恒低于DME/角鯊?fù)楣べ|(zhì)對，也再次印證了低循環(huán)倍率將產(chǎn)生更高的系統(tǒng)性能。

2.3 壓縮機壓比對系統(tǒng)性能的影響

前文提及，在一定范圍內(nèi)，壓縮機增壓可有效提升系統(tǒng)性能、降低循環(huán)倍率。因此本文分析了壓比從1變化至2時兩種工質(zhì)對的循環(huán)性能變化。在分析過程中，冷凝溫度設(shè)為303.15 K，發(fā)生溫度設(shè)為363.15 K，吸收溫度設(shè)為303.15 K，蒸發(fā)溫度設(shè)為278.15 K。分析結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 兩種工質(zhì)對的COP隨壓比的變化

圖11 兩種工質(zhì)對的ECOP隨壓比的變化

圖12 兩種工質(zhì)對的循環(huán)倍率隨壓比的變化

3 結(jié)論

本文研究了R600a/角鯊?fù)楹虳ME/角鯊?fù)樽鳛閱涡Ш蛪嚎s輔助吸收式制冷循環(huán)工質(zhì)對的性能。得到結(jié)論如下：