一種新型吸收-壓縮復合制冷循環模擬

唐鵬武 陳光明 唐黎明 劉利華

術語

h:比焓，kJ/kg

m:質量流量，kg/s

x:溶液質量分數，%

Q:熱流率，W

W:功率，W

COP:制冷系數

η:相對增加率，%

下標

ev:蒸發器

C:壓縮機

con1:冷凝器1

a:吸收器

SP:溶液泵

S:溶液換熱器

R:回熱器

con2:冷凝器2

g:發生器

i:狀態點

CA:傳統吸收式循環

CC:傳統壓縮式循環

Com:新型復合循環

1 引言

隨著社會的發展，人們生活水平的提高，空調的使用越來越廣泛。由于電驅動的傳統蒸氣壓縮式空調引起了一系列環境問題且耗電量大［1］，采用熱能驅動并且對環境友好的吸收式空調成為了人們關注的焦點［2］。但是，傳統的吸收式空調效率低，對驅動熱源的要求高，在一定程度上，限制了它的應用范圍。因此，綜合了電驅動壓縮式空調和熱驅動吸收式空調兩者優點的蒸氣吸收-壓縮復合制冷循環越來越受到各國學者的重視［3-5］。

吸收-壓縮復合循環的提出可追溯到20世紀初，直到20世紀70年代，對它的研究才開始進入熱潮。帶溶液回路的蒸氣壓縮循環是復合循環的原始形式，由于在換熱器中存在溫度滑移現象，該循環減小了壓縮機的工作壓比，較傳統的蒸氣壓縮式循環展示了更好的性能［6-7］。陳光明等提出一種復合循環方案，該循環將壓縮機放置在發生器和冷凝器之間的一條支路上，壓縮機實際上起熱變換器的作用。循環效率得到提高，同時降低了系統的部分運行成本［8］。Fukuta M等提出把壓縮機置于蒸發器和吸收器之間，這樣通過調整吸收壓力能夠使循環在較寬的廢熱源溫區工作，并且該復合循環能夠達到比傳統壓縮式循環更好的性能［9］。這些復合循環共同的特點是:循環性能都比傳統壓縮式循環好，具有較強的負荷調節能力。其主要缺點在于:為了同時適應吸收和壓縮兩種循環，復合循環采用了相同的制冷劑，這樣可能造成某一方循環的性能下降。因此，Kairouani L提出了一種將吸收子系統和和壓縮子系統通過蒸發-冷凝器外耦合的復合循環［10］。該循環吸收子系統產生的冷量用于冷凝壓縮子系統冷凝器中的制冷劑蒸氣，降低了壓縮子系統的冷凝壓力，提高了循環的性能，但該循環對吸收子系統加熱量有嚴格要求且兩子系統不能獨立工作。

為了解決上述問題，陳光明等人提出了一種新型吸收-壓縮復合制冷循環［11］，本文對該循環的性能進行了數值模擬，并與傳統蒸氣壓縮式制冷循環作了性能比較。

2 循環介紹

圖1是新型吸收-壓縮復合制冷循環的流程圖。該復合循環包括一個傳統蒸氣壓縮子系統循環和一個由低品位熱源驅動的蒸氣吸收子系統循環，壓縮子系統循環采用R22作為制冷劑，吸收子系統循環采用溴化鋰/水作為工質對。

圖1 新型吸收-壓縮復合制冷循環流程圖

在過冷蒸發器中，制冷劑1吸取熱量變成飽和制冷劑蒸氣2，進入吸收器被濃溶液11吸收，變成稀溶液3。稀溶液經過溶液泵后，壓力升高，成為高壓稀溶液4，然后分成兩支分別進入溶液換熱器和回熱器進行換熱。經過換熱后的兩條支路的稀溶液再混合成一股稀溶液，進入發生器。在發生器中，稀溶液被低品位熱源加熱，產生制冷劑蒸氣7和濃溶液9。制冷劑蒸氣直接進入吸收子系統冷凝器被冷凝，而濃溶液首先進入溶液換熱器與稀溶液換熱，再經過節流閥節流降壓后進入吸收器。被冷凝后的制冷劑8經過節流閥節流降壓后回到過冷蒸發器，完成一個吸收子系統循環。

與此同時，壓縮子系統的循環流程如下。首先，進入蒸發器中的制冷劑17吸收熱量變成飽和制冷劑蒸氣12。接著，飽和制冷劑蒸氣進入壓縮機被壓縮，壓力升高成為高壓制冷劑蒸氣13。再經過回熱器與稀溶液換熱后，進入壓縮子系統冷凝器。制冷劑蒸氣14被冷凝后變成飽和制冷劑液體15，然后進入過冷蒸發器被過冷。最后，過冷制冷劑液體16經過節流閥節流降壓后回到蒸發器，完成一個壓縮子系統循環。這就是整個復合循環的簡要工作過程。

從上面的復合循環工作過程，可以看出吸收子系統循環產生的冷量用于過冷壓縮子系統循環，從而使得吸收子系統循環產生的較高溫度的冷量等量的轉變成了壓縮子系統循環輸出的較低溫度的冷量。與傳統壓縮式循環相比，在相同單位制冷劑流量耗功下，新型復合循環的制冷量比壓縮循環的大得多，因此復合循環的性能系數要大得多。此外，復合循環通過回熱器回收了大部分壓縮機排氣的過熱量，進一步提高了循環的性能。

3 數學模型

為了評估新型吸收-壓縮復合制冷循環的性能，進行數值模擬計算。模型的主要假設條件:

(1)不計管路漏熱及阻力損失;

(2)壓縮機的等熵效率為0.8;

(3)所有節流過程前后焓值相等;

(4)吸收子系統循環的冷凝溫度為40℃，吸收器出口稀溶液的溫度為40℃;

(5)蒸發器出口12、過冷蒸發器出口2以及發生器出口7的制冷劑為飽和制冷劑蒸氣，冷凝器出口的制冷劑為飽和制冷劑液體;

(6)吸收子系統循環吸收器和發生器出口的溶液為飽和溶液;

(7)忽略溶液泵的耗功;

(8)溶液換熱器的冷端換熱溫差為10℃;

(9)過冷蒸發器的冷端換熱溫差為10℃;

(10)回熱器的冷端換熱溫差為10℃;

(11)回熱器和溶液換熱器出口稀溶液的溫度相等。

新型復合循環包括一些基本組成部件，每個基本部件都可以被看作是一個控制容積的微元。而每個微元模型都包括一系列質量守恒和能量守恒方程，以下是各個基本部件的守恒方程。

蒸發器:

壓縮機:

冷凝器1:

節流閥1:

過冷蒸發器:

吸收器:

溶液泵:

溶液換熱器:

回熱器:

發生器:

節流閥2:

冷凝器2:

節流閥3:

采用制冷系數COP來評價循環的性能，復合循環的COPCom定義為復合循環的制冷量減去傳統吸收式制冷循環的制冷量(傳統吸收式制冷循環的發生溫度、冷凝溫度、吸收溫度和復合循環中吸收子系統循環的相同，而蒸發溫度和復合循環的蒸發溫度相同)，再除以壓縮機的耗功，即:

傳統壓縮式制冷循環的COPCC定義為制冷量除以壓縮機的耗功:

采用相對增加率來比較新型復合循環與傳統蒸氣壓縮式制冷循環的性能差異，即:

水和R22的物性參數采用REFPROP8.0計算求得，而溴化鋰水溶液的物性參數根據文獻［12］給出的公式計算得到。

4 結果與討論

圖2表示在吸收子系統發生器輸入熱量為3 kW，壓縮子系統冷凝溫度40℃，蒸發溫度5℃，循環制冷量為16 kW條件下，發生溫度tg對循環性能的影響。從圖2中可以看出，在55—80℃范圍內，隨著發生溫度的升高，復合循環性能逐漸提高。這是因為當發生溫度低于80℃，蒸發溫度為5℃時，傳統吸收式循環不能正常工作，但是在新型復合循環中吸收子系統循環的蒸發溫度升高，經過復合循環的耦合作用吸收子系統循環制得的較高溫度的冷量可以等量轉變成輸出的較低溫度的冷量。隨著發生溫度升高，吸收子系統循環的COPCA穩步增大，提供給壓縮子系統循環的過冷量增大，壓縮機的耗功減少，使得復合循環的COPCom也逐漸增大。當發生溫度繼續升高到80.4℃附近時，傳統吸收式制冷循環在蒸發溫度為5℃時可以正常工作了，因此復合循環的COPCom開始逐漸減小。所以，隨著發生溫度的升高，復合循環的COPCom先增大后減小，最終趨于穩定。而傳統壓縮式循環的COPCC與發生溫度無關，是一個常值。所以，相對增加率η隨發生溫度的變化趨勢與復合循環COPCom隨發生溫度的變化趨勢相似，當發生溫度升高到80.4℃附近時，相對增加率η達到最大，最大值約為 16.1%。

圖2 發生溫度對循環性能的影響Fig.2 Effect of generation temperature on performance of cycle

圖3 表示在吸收子系統發生器輸入熱量為3 kW，發生溫度70℃，壓縮子系統冷凝溫度40℃，循環制冷量為16 kW條件下，蒸發溫度te對循環性能的影響。從圖3中可以看出，隨著蒸發溫度的升高，新型復合循環的COPCom和傳統壓縮式循環的COPCC都逐漸增大，但是新型復合循環的COPCom明顯高于傳統壓縮式循環的COPCC。這是因為當發生溫度為70℃，蒸發溫度5℃時，傳統吸收式循環不能正常工作，但是在新型復合循環中吸收子系統循環的蒸發溫度升高，經過復合循環的耦合作用吸收子系統循環制得的較高溫度的冷量可以等量轉變成輸出的較低溫度的冷量，因此新型復合循環的COPCom較之傳統壓縮式循環的COPCC有所提高。隨著蒸發溫度的升高，吸收子系統循環的過冷蒸發溫度和壓縮子系統循環的制冷劑流量基本保持不變，使得過冷量變化不大。同時壓縮機的壓比減小，使得壓縮機的耗功減少，所以相對增加率η也逐漸減小。

圖4表示在吸收子系統發生器輸入熱量為3 kW，發生溫度70℃，壓縮子系統蒸發溫度5℃，循環制冷量為16 kW條件下，冷凝溫度tc對循環性能的影響。由圖4可知，隨著冷凝溫度的升高，新型復合循環的COPCom和傳統壓縮式循環的COPCC都逐漸減小，但新型復合循環的COPCom明顯高于傳統壓縮式循環的COPCC，這也是新型復合循環能夠利用傳統吸收式循環不能夠利用的低品位熱源的結果。隨著冷凝溫度的升高，吸收子系統循環的過冷蒸發溫度和壓縮子系統循環的制冷劑流量變化不大，使得過冷量增大。同時壓縮機的壓比增大，使得其耗功增加，所以相對增加率η也逐漸增大。

圖3 蒸發溫度對循環性能的影響Fig.3 Effect of evaporation temperature on performance of cycle

圖4 冷凝溫度對循環性能的影響Fig.4 Effect of condensation temperature on performance of cycle

圖5 表示在循環制冷量為16 kW，壓縮子系統蒸發溫度5℃，冷凝溫度40℃，吸收子系統發生溫度70℃條件下，發生器中加熱量Qg對循環性能的影響。從圖5中可以看出，加熱量變大，新型復合循環的COPCom逐漸增大。在復合循環中，隨著加熱量的增大，吸收子系統循環的過冷蒸發溫度降低，壓縮子系統循環的制冷劑流量緩慢減小，從而使得過冷量增大，壓縮機的耗功減少，因此復合循環的COPCom增大。而傳統壓縮式循環的COPCC與加熱量無關，所以相對增加率η也逐漸增大。

圖5 加熱量對循環性能的影響Fig.5 Effect of heat flux on performance of cycle

圖6 表示在吸收子系統發生器輸入熱量為3 kW，發生溫度為70℃，壓縮子系統蒸發溫度5℃，冷凝溫度40℃條件下，制冷量Qev對循環性能的影響。由圖6可知，制冷量變大，新型復合循環的COPCom有所減小，但仍高于傳統壓縮式循環。制冷量變大，吸收子系統循環的過冷蒸發溫度緩慢升高，壓縮子系統循環的制冷劑流量變大，從而使得過冷量增大，壓縮機的耗功增大，因此復合循環的COPCom減小。而傳統壓縮式循環的COPCC與制冷量無關，所以相對增加率η也逐漸減小。

圖6 制冷量對循環性能的影響Fig.6 Effect of refrigeration capacity on performance of cycle

5 結論

對一種新型吸收-壓縮復合制冷循環進行了數值模擬，并與傳統的蒸氣壓縮式循環作了對比，主要結論:

(1)新型復合循環利用吸收子系統循環產生的冷量來過冷壓縮子系統循環的制冷劑，使得低品位熱源制得的較高溫度的冷量能夠等量地轉變成輸出的較低溫度的冷量。因此與傳統壓縮式循環相比，在相同單位制冷劑流量耗功下，新型復合循環的制冷量比壓縮式循環的大得多，性能系數要大得多。在大部分假定工況下，新型復合循環的COPCom比傳統蒸氣壓縮式循環的COPCC高10%以上。此外，新型復合循環通過回熱器回收了大部分壓縮機排氣的過熱量，進一步提高了循環的性能。

(2)與傳統蒸氣壓縮式循環不同，新型復合循的性能不僅受到蒸發溫度和冷凝溫度的影響，還與系統的發生溫度、加熱量、制冷量密切相關。例如，隨著發生溫度的升高，新型復合循環的COPCom先增大后減小。當發生溫度接近80.4℃時，COPCom達到最大值，約為6.12，相對增加率η為16.1%。

(3)與傳統蒸氣壓縮式循環相比，新型復合循環效率高。如果能夠合理的利用，對于節約電能，緩解當前城市電力緊張有著十分重要的作用。同時，新型復合循環中吸收子系統循環的過冷蒸發溫度較高，降低了系統對驅動熱源溫度的要求，為太陽能等低品位能源的高效利用提供了可能。

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