新型工質對在吸收式制冷循環(huán)中的性能分析

張 垚，薛永飛，張世雙，張仙平

(河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州 451191)

吸收式制冷系統(tǒng)(ARS)憑借其可利用余熱、廢熱及太陽能等低品位熱源進行驅動這一特性得到廣泛關注[1-3]。目前應用在制冷機中主流的吸收式制冷工質對依然是H2O/LiBr和NH3/H2O，但這兩種制冷劑都存在一定缺陷[4]。近年來，有機溶劑因其無毒和熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性高逐漸被人們所重視，被認為是一種很好的吸收劑。制冷劑與有機溶劑組成的新型工質對被認為是非常有潛力的一類吸收式制冷系統(tǒng)工質對。Hong等[5]研究了R32、R22和R134a分別與DMF組成工質對的吸收式制冷循環(huán)特性。Songara等[6]建立模型計算了R134a/DMAC和R22/DMAC工質對的循環(huán)特性，表明HFC制冷劑有較好的系統(tǒng)性能。Rameshkumar[7]從理論和實踐兩個方面分析了R134a和DMAC組成吸收式制冷循環(huán)的特性。Han等[8]對R161/R227ea、R161/R125和R161/R134a工質對的相平衡數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，3種工質對應用在吸收式制冷中具有較好的性能。為了探究R32和R161與有機溶劑DMETEG組成的工質對在吸收式制冷循環(huán)中的性能，本研究建立了吸收式制冷循環(huán)熱力學模型，考察工質對在不同發(fā)生溫度、冷凝溫度及蒸發(fā)溫度下的循環(huán)特性，計算結果為工質對在吸收式制冷機中的實際工程應用奠定了理論基礎。

1 制冷工質對溶解度模型

針對制冷工質對R32/DMETEG、R152a/DMETEG開展系統(tǒng)研究，分析兩種吸收式制冷工質對在制冷循環(huán)中的循環(huán)倍率和溶液濃度差。在進行性能分析時，需要用到工質對的相平衡數(shù)據(jù)， 選取NRTL模型[9]對測得的溶解度進行關聯(lián)。對每一組分，NRTL活度系數(shù)模型可表示為

(1)

(2)

式(1)、(2)中，二元交互參數(shù)τ12和τ21為溫度T的函數(shù)。通過工質對的溶解度實驗數(shù)據(jù)擬合得到

(3)

工質對的二元相平衡方程通過液相摩爾分數(shù)、氣相摩爾分數(shù)、平衡壓力和飽和蒸氣壓的關系表示為

(4)

式(4)中的φi為逸度系數(shù)，可表示為

(5)

第二維里的系數(shù)Bi、Vi為飽和液相摩爾體積，該數(shù)據(jù)可通過Refprop 9.1制冷劑物性查詢軟件得到。工質對的溶解度實驗數(shù)據(jù)回歸得到的二元交互參數(shù)列于表1。

表1 制冷工質對二元交互參數(shù)Tab.1 Binary interaction parameters of working pairs

2 吸收式制冷循環(huán)原理及熱力學模型

2.1 吸收式制冷循環(huán)原理

吸收式制冷循環(huán)結構見圖1。從圖1可以看出，該結構主要包括發(fā)生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥和溶液換熱器等。吸收式制冷機先通過發(fā)生器吸收外界高溫熱源的熱量，吸收熱量后，稀溶液在發(fā)生器中解析出高溫和高壓的制冷劑后成為濃溶液，依次經過溶液換熱器放熱、膨脹閥減壓后回到吸收器。來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽在吸收器中被吸收，隨后經溶液換熱器輸送到發(fā)生器，溶液換熱器發(fā)揮預熱作用。高溫、高壓的過熱蒸汽進入冷凝器被冷卻并經過膨脹閥進入蒸發(fā)器進行制冷，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。

圖1 吸收式制冷循環(huán)結構 Fig.1 Schematic diagram of absorption refrigeration cycle

2.2 循環(huán)熱力學模型

在進行循環(huán)性能分析之前需要先建立熱力學模型，模型基于質量和能量守恒定律建立。具體制冷循環(huán)中各部件的質能方程如下：

Qa+mwh5=mrh2+(mw-mr)h10，

(6)

Qc+mrh4=mrh3，

(7)

Qe+mrh1=mrh2。

(8)

式(6)至式(8)分別為吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器質能方程，Qa、Qc、Qe分別為吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器的熱交換量。循環(huán)倍率[10-11]定義為

(9)

式中：ms為濃溶液的質量流量；Xw為稀溶液的質量分數(shù)；Xs為濃溶液的質量分數(shù)。其中，稀溶液和濃溶液的質量分數(shù)可通過如下公式計算得到：

(10)

(11)

式(10)、(11)中：X1和X2分別為氣相和液相摩爾分數(shù)；Mr和MIL分別為制冷劑摩爾質量和溶液DMETEG的分子量。

3 制冷循環(huán)特性

3.1 發(fā)生溫度對系統(tǒng)循環(huán)倍率的影響

本研究分析了R32和R152a與有機溶劑DMETEG組成的工質對在吸收式制冷循環(huán)中的應用，并分析了不同工況對系統(tǒng)性能的影響。吸收式制冷循環(huán)利用低品位熱源作為驅動，故分析熱源溫度(發(fā)生溫度)變化對制冷循環(huán)的影響具有重要意義。發(fā)生溫度對系統(tǒng)循環(huán)倍率的影響可以直觀反映出工質對在制冷系統(tǒng)中的表現(xiàn)，循環(huán)倍率越高系統(tǒng)制冷性能越差，循環(huán)倍率過高則制冷系統(tǒng)無法正常工作。為了更好地分析系統(tǒng)性能，保持吸收溫度為35 ℃，分析不同蒸發(fā)工況和冷凝工況下兩種制冷工質對在不同發(fā)生溫度時的循環(huán)倍率，結果如圖2至圖5所示。

圖2 不同蒸發(fā)工況下發(fā)生溫度對循環(huán)倍率的影響(R32/DMETEG)Fig.2 Effect of generate temperature on the circulation ratio at different evaporation conditions(R32/DMETEG)

圖3 不同冷凝工況下發(fā)生溫度對循環(huán)倍率的影響(R32/DMETEG)Fig.3 Effect of condensation temperature on the circulation ratio at different condensation conditions(R32/DMETEG)

圖4 不同蒸發(fā)工況下發(fā)生溫度對循環(huán)倍率的影響(R152a/DMETEG)Fig.4 Effect of generate temperature on the circulation ratio at different evaporation conditions(R152a/DMETEG)

圖5 不同冷凝工況下發(fā)生溫度對循環(huán)倍率的影響(R152a/DMETEG)Fig.5 Effect of condensation temperature on the circulation ratio at different condensation conditions(R152a/DMETEG)

從圖2至圖5所示的循環(huán)倍率變化曲線可以看出，相同蒸發(fā)溫度下，隨著發(fā)生溫度的變化系統(tǒng)循環(huán)倍率先急劇降低，隨后逐漸呈平穩(wěn)趨勢。當系統(tǒng)蒸發(fā)溫度升高時，系統(tǒng)循環(huán)倍率降低。這是因為蒸發(fā)溫度的增大會使節(jié)流后的制冷劑氣化減少，蒸發(fā)冷量增大造成制冷劑的飽和蒸氣壓與溶液的濃度差增大，發(fā)生器的熱負荷降低，系統(tǒng)性能提升。從圖3和圖5發(fā)現(xiàn)，冷凝溫度對循環(huán)倍率也有一定影響。提高冷凝溫度會造成冷凝器內制冷劑壓力升高，從而影響發(fā)生器中制冷劑的釋放，循環(huán)倍率降低，制冷性能提升。綜合對比圖2和圖3，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)溫度的升高或者冷凝溫度的降低均可提升系統(tǒng)性能，但蒸發(fā)溫度的變化對系統(tǒng)性能的影響明顯強于冷凝溫度。R152a/DMETEG工質對(圖4和圖5)呈現(xiàn)與R32/DMETEG工質對(圖2和圖3)相同的變化規(guī)律，表明產生相同質量的制冷劑蒸氣需要更大的稀溶液質量流量。隨著發(fā)生溫度的升高，產生單位質量制冷劑需要的稀溶液質量流量逐漸減少，最終平穩(wěn)。

3.2 溶液濃度差對系統(tǒng)性能的影響

溶液濃度差代表制冷循環(huán)中溶液進入發(fā)生器前后制冷劑在離子液體中的質量分數(shù)，稀溶液和濃溶液的濃度差直接取決于制冷劑在離子液體中的溶解度和壓力變化，稀溶液和濃溶液的形成過程實際上就是制冷劑吸收與釋放的過程。溶液濃度差代表制冷劑在溶液中的吸收程度，濃度差越大表明在吸收式制冷循環(huán)內該工質對在相同發(fā)生溫度下能夠吸收/釋放更多的制冷劑蒸汽來驅動制冷循環(huán)運行。圖6至圖9為兩種工質對在不同蒸發(fā)工況和冷凝工況下發(fā)生溫度對系統(tǒng)循環(huán)溶液濃度差的影響。

圖6 不同蒸發(fā)工況下發(fā)生溫度對溶液濃度差的影響(R32/DMETEG)Fig.6 Effect of generation temperature on the solution concentration at different evaporation conditions(R32/DMETEG)

圖7 不同冷凝工況下發(fā)生溫度對溶液濃度差的影響(R32/DMETEG)Fig.7 Effect of condensation temperature on the solution concentration at different condensation conditions(R32/DMETEG)

圖8 不同蒸發(fā)工況下發(fā)生溫度對溶液濃度差的影響(R152a/DMETEG)Fig.8 Effect of generation temperature on the solution concentration at different evaporation conditions(R152a/DMETEG)

圖9 不同冷凝工況下發(fā)生溫度對溶液濃度差的影響(R152a/DMETEG)Fig.9 Effect of condensation temperature on the solution concentration at different condensation conditions(R152a/DMETEG)

隨著發(fā)生溫度的變化，不同制冷工質對由于溶解度的差異，釋放出制冷劑的量存在明顯差異，從而導致溶液濃度差變化。從圖6和圖7可以看出，冷凝溫度和吸收溫度一定時，不同蒸發(fā)溫度下隨著發(fā)生溫度的增大，溶液濃度差逐漸增大。從R32/DMETEG工質對在單效制冷循環(huán)中的溶液濃度差可以更為明顯地看出，發(fā)生溫度從65 ℃升至100 ℃的過程中，相同蒸發(fā)溫度下隨著發(fā)生溫度的升高，循環(huán)的溶液濃度差增大，表明工質對在制冷系統(tǒng)中的性能逐步提升。相同發(fā)生溫度下蒸發(fā)溫度越高，溶液濃度差越大，循環(huán)倍率越高，系統(tǒng)性能表現(xiàn)越優(yōu)。蒸發(fā)溫度從15 ℃升至25 ℃的過程中，溶液濃度差變大，導致稀溶液質量流率變小，制冷系統(tǒng)制冷量增大，系統(tǒng)性能上升。從圖8和圖9可以看出，針對R152a/DMETEG工質對，在改變發(fā)生溫度時，系統(tǒng)溶液濃度差也呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，系統(tǒng)性能提升。對比分析兩種工質對，從計算結果可以發(fā)現(xiàn)，R152a/DMETEG相比R32/DMETEG循環(huán)倍率更低且有更大的溶液濃度差，故該工質對應用在制冷機中具有更好的潛力。

4 結論

本研究分析了兩種新型工質對R32/DMETEG和R152a/DMETEG在吸收式制冷循環(huán)中的循環(huán)特性，以及不同發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下的循環(huán)倍率、溶液濃度差的變化情況，并得到如下結論：

(1)提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，系統(tǒng)的循環(huán)倍率逐漸降低，溶液濃度差逐漸增大，系統(tǒng)性能升高。

(2)隨著發(fā)生溫度的升高，兩種工質對循環(huán)倍率都呈現(xiàn)先急劇降低后逐漸平穩(wěn)的趨勢，對比發(fā)現(xiàn)R152a/DMETEG工質對的系統(tǒng)性能更優(yōu)。