無泵吸收制冷技術

薛相美,劉道平

(1.佛山市高級技工學校,佛山528200;2.上海理工大學,上海200093)

1 前 言

能源與環境問題日益嚴重,對制冷空調系統的節能要求和對環境的無害化要求越來越高。節能不僅表現在能量的量上,還表現在能量的質上;即不僅要提高制冷空調系統的能源利用效率、提高系統的COP,還要利用大量低品位熱源。常規蒸汽壓縮式制冷空調設備不僅利用高品位的電能,而且使用的氯氟烴制冷工質還破壞大氣臭氧層、產生溫室效應使地球溫度升高。從20世紀70年代末發現臭氧層破壞機理之后,各國的研究人員一直在尋找性能良好的替代制冷工質,但到目前為止還沒有令人滿意的替代方案。因此對于使用氨、水等天然工質的吸收式制冷系統的研究也就受到重視,引起國內外學者的關注。

常規吸收式制冷雖然也利用低品位熱源,但是需要溶液泵來實現吸收器和發生器之間溶液的循環,溶液泵的運轉則需要高品位的電能,因此常規吸收式制冷循環還沒有完全擺脫對高品位電能的依賴,對于還沒有電力供應的偏遠地區無法使用吸收式制冷裝置。同時,由于工質對的腐蝕性,溶液泵的故障是常規吸收式制冷裝置不能正常運轉的重要原因,溶液泵的故障在整個裝置各個部件中所占的比例是相當高的[1]。因此使用氣泡泵代替溶液泵實現吸收制冷的無泵循環不僅有利于吸收式制冷在家用領域的應用,而且提高了系統的可靠性。

2 單壓吸收制冷

無泵吸收式制冷主要包括單壓吸收式制冷和雙壓吸收式制冷。單壓吸收制冷使用氨、水、丁烷等為工質,系統沒有節流部件,整個系統的壓力近似相等;雙壓吸收制冷使用溴化鋰、水為工質對,由于節流部件的存在,系統分為高壓區和低壓區。

單壓吸收式制冷包括擴散吸收式制冷和愛因斯坦制冷循環兩種形式。擴散吸收式制冷從20世紀20年代出現以后就得到廣泛的研究,愛因斯坦循環在20世紀90年代才引起人們的重視。

2.1 擴散吸收制冷技術

擴散吸收制冷利用氨為制冷劑、水為吸收劑,氫 (或氦)作為壓力平衡劑。對擴散吸收制冷的研究主要在工質的替代,系統各部件的優化設計,以及利用太陽能等低品位能源的利用運行參數對系統性能的影響等方面。

為了克服氨-水沸點相差較小,系統精餾熱損失大的缺點,王寒棟[2]通過理論分析認為NH3-NaSCN擴散吸收系統的性能優于NH3-H2O系統,建立了NH3-NaSCN擴散吸收試驗裝置。試驗結果表明,該裝置的COP為0.214,溶液熱交換器的布置對系統的性能影響較大,防止發生溫度過高造成溶液結晶等問題有待于進一步研究。

為了降低發生溫度,A.Koyfman[3]等設計了使用DMA(二甲基乙酰胺)-R22連續工作的氣泡泵試驗裝置,試驗裝置的最大平均發生溫度低于90℃,為使用太陽能等低品位熱能提供了可能。

武永強等[4]指出擴散吸收式熱泵在較低蒸發溫度下仍具有較高的COP,具體分析了系統壓力、濃溶液濃度、稀溶液濃度、發生溫度等參數的變化對系統COP的影響,模擬結果顯示熱泵性能優于壓縮式熱泵和單級氨吸收式熱泵。

J.Chen[5]通過對擴散吸收裝置原型機的能量分析發現精餾器的精餾熱損失是影響系統性能的重要因素,為了利用精餾熱設計出一種新的發生器/氣泡泵,經試驗COP提高近50%。

陸蕾穎等[6]對傳統的擴散吸收制冷裝置進行了改進,在發生器和冷凝器之間增設帶有氣液分離功能的精餾裝置。在環境溫度25～35℃、溶液濃度25%～35%、充注壓力1.3～1.8 MPa、加熱功率220～320 W的范圍內,試驗結果表明該設計不僅提高進入冷凝器的氨氣的純度,而且還降低了冷凝器負荷。試驗結果還表明,壓力的增加有利于蒸發溫度的降低,溶液的濃度的提高則有利于加大制冷量;發生器的加熱功率和提升管的結構對系統的運行有著顯著的影響。

李啟奈[7]則進一步分析了氣泡泵的熱負荷對系統制冷量的影響,認為氣泡泵的熱負荷與發生器的熱負荷之比φ在20%～40%之間時系統的制冷量最大,當φ降低至某一數值時,制冷量急驟下降,裝置不能繼續工作。

為了充分利用各種低品位能源,國內外學者開展了相關研究。L Lin等[8]利用汽車尾氣廢熱作為熱源驅動擴散吸收冰箱。試驗用發動機功率9.5kW,擴散吸收冰箱冷藏室容積51升,冷凍室容積6升;試驗用冰箱原來可以使用直流電、交流電和液化石油氣作為能源,使用液化石油氣時,輸入功率186W,使用交流230V輸入105W。實驗結果表明,當發動機的負載大于50%時,制冷裝置能夠正常工作,其中在發動機負荷75%時,系統的COP最高,凍結室內的溫度也最低達到-24.9℃;同時與使用液化石油氣、交流電、直流電作能源的比較結果表明,使用汽車發動機尾氣時系統的COP高于使用交流電、直流電作能源時的COP,但低于使用液化石油氣作能源時的COP。

一般的擴散吸收裝置的制冷量在40～200W,為了實現擴散吸收制冷裝置的大制冷量,Uli Jakob等[9]設計了以太陽能為驅動熱源、制冷量為2.5kW的擴散吸收制冷裝置,真空管集熱器出口溫度127℃,蒸發溫度5℃,冷凝溫度45℃。實際運行裝置的制冷量可以達到1.5kW,系統的COP在0.1～0.3之間。該裝置的另外一個特點就是冷凝器、溶液熱交換器等使用標準件,以便以后的商業化;經過優化裝置從800kg降低到240kg,高度從3.7m降低到2.4米。

2.2 愛因斯坦制冷循環

愛因斯坦[10]等提出的單壓吸收制冷循環,使用氨做壓力平衡劑,水做吸收劑,丁烷做制冷劑,將冷凝器和吸收器合為一個部件。與擴散吸收制冷壓力平衡劑氫氣依靠密度差實現循環不同,愛因斯坦循環的壓力平衡劑氨在發生器、蒸發器、冷凝器/吸收器之間依靠熱能的驅動來實現強制循環。因此愛因斯坦制冷循環有可能實現較大的制冷量。二十世紀九十年代開始引起人們的注意。

Delano[11]第一個對愛因斯坦循環進行了系統研究:建立了愛因斯坦循環的熱力學模型,分析了發生溫度、冷凝溫度、蒸發溫度等參數對系統COP的影響,通過熱力學第二定律對各部件的不可逆損失分析表明,發生器是影響系統性能的重要部件;利用P-T方程和P-R混合準則,分析了各種工質對愛因斯坦循環的影響;根據理論分析所制造的概念型制冷裝置證明了愛因斯坦制冷循環的可行性,系統壓力 310kPa,蒸發溫度-1.1℃,冷凝溫度21℃,系統COP 0.17。

Schaefer[12]研究了愛因斯坦循環用于熱泵時的系統性能。利用對應態法則研究了系統工質參數變化對COP的影響,結果表明發生溫度在495K時,系統性能最高,在425～575K之間變化時系統性能變化不大,冷凝溫度325K,蒸發溫度295K時系統COP為1.5;利用P-T方程和P-R混合準則研究愛因斯坦循環替代工質,結果表明氨-水-丙烷和甲胺-水-戊烷可以作為替代工質,而系統的COP影響不大;對氣泡泵的計算表明在沉浸比0.2時,提升管最佳直徑為8.6mm。

K.Mejbri[13]在愛因斯坦制冷循環基礎上增加空冷精餾器和液體熱交換器,模擬分析了愛因斯坦循環的性能。系統參數為:系統壓力5bar,冷凝溫度30℃,蒸發溫度5℃,發生溫度125℃,系統COP為0.183。K.Mejbri同時指出了愛因斯坦循環的局限,即由于冷凝壓力限制不適合熱帶和亞熱帶地區;由于氨-水的沸點相差較小,進入蒸發器的氨混有水蒸汽進一步限制了蒸發溫度不能太低;建議使用進一步研究Rojey提出的循環,即以二氧化碳為壓力平衡劑,二乙醇胺作吸收劑,丁烷作制冷劑。

White[14]利用空氣提升理論研究了基于愛因斯坦制冷循環的氣泡泵性能,指出提升管內的兩相流在由彈狀流向塊狀流過渡時,氣泡泵的效率最高。根據兩相流理論和試驗結果提出了由彈狀流向塊狀流轉變的準則,空氣和水試驗結果表明,制冷量 100W、溶液輸送量在0.00025～0.0025kg/s范圍,氣泡泵直徑在2～6mm時氣泡泵性能效率最高,即在輸送相同質量的液體所需要的加熱功率最小。

3 無泵溴化鋰吸收制冷

溴化鋰吸收式制冷實現泵循環的關鍵在于提高氣泡泵的性能以及適合小型系統的冷凝器、吸收器、蒸發器。

吳玉瑩[15]分析了直燃型無泵溴化鋰吸收式空調器在我國的發展前景,根據熱力學第一定律建立了無泵式溴化鋰吸收式制冷機的熱力學系統模型和仿真算法,進行變工況系統運行特性的模擬計算,得到無泵溴化鋰吸收式制冷機在變工況時的運行特性。模擬結果顯示,蒸發器入口回風溫度變化對蒸發溫度和蒸發器出口送風溫度影響較大,適當增大蒸發器入口回風溫度和增大蒸發器入口風量可以降低系統溶液的濃度,可減小系統結晶現象的發生。

周永紅[16]確定了小型太陽能氣泡泵吸收式制冷機制冷循環中各狀態點參數,進行各設備的熱負荷和傳熱面積計算,確定了各換熱設備的傳熱管數、熱水進出口配管、冷卻水進口配管、冷媒水進口配管的內徑尺寸,為開發小型吸收式制冷機提供了一定的理論和實踐基礎。

毛本平等[17]設計了一臺制冷量6978W熱水啟動的無泵吸收空調機,并研究了熱水溫度、蒸發溫度等對系統性能的影響,認為風冷冷凝器、風冷吸收器、直燃發生器是無泵吸收制冷裝置進入小型空調機行業的關鍵。

李躍智等[18]認為立式降膜吸收器不僅可以減小機組尺寸有利于小型化,而且立式降膜吸收的傳熱傳質優于臥式;同時指出添加辛醇可以強化吸收器的傳熱傳質,添加溶液量0.04%的辛醇可以使傳熱系數提高60%～140%。

鄭宏飛等[19]對溴化鋰吸收式制冷機的氣泡泵進行了試驗研究,設計出弦月形通道的液體提升管,其外管外徑在20～50mm范圍,壁厚為1.2mm。內管厚度為1mm,外徑在10～40mm范圍。實驗表明,弦月形提升管具有較強的提升功能,濃溶液出口高度為1550mm的提升管,當浸沒高度為530mm時,它的凈提升高度為1020mm,是稀溶液浸沒高度的近2倍。即使在650mm的浸沒高度下,凈提升高度也有900mm,是浸沒的1.37倍。

方甲闖等[20]設計了一種多管弦月形通道氣泡泵,對其提升性能進行了實驗研究和分析。在給定運行條件下,研究了運行溫度和壓力、加熱水和冷卻水流量以及稀溶液浸沒高度等對溶液提升量和冷劑水產量的影響。實驗結果表明,多管弦月形通道溶液提升泵具有起動溫度低、運行溫度范圍大、運行連續穩定等顯著特點。

谷雅秀等[21]研究了氣液分離器中加設二次發生器對無泵溴化鋰吸收式制冷裝置的影響。實驗結果表明采用二次發生器后,冷劑水產量提高近1.68倍,制冷量提高了近1.38倍,系統的熱源溫度降低5℃;但加設二次發生器同時使冷凝壓力提高、使提升管的輸液量減小。試驗裝置還改良了蒸發器和吸收器結構,在降膜蒸發器和吸收器盤管表面敷10目的不銹鋼絲網,借助于網狀材料的毛細作用,從而增強降膜表面的持液性、增強降膜能力,從而強化傳熱傳質。

Marcus等[22]研究了H2O-LiBr工質對氣泡泵的震蕩問題,發現隨著氣泡泵提升管內徑的減小、氣泡泵提升管高度的減小、加熱功率的增大、驅動靜壓頭的增加,氣泡泵震蕩周期越短。

R.Saravanan等[23,24]根據流體靜力學原理分析了各種工質物性對氣泡泵性能的影響,發現H2OLiBr+LiI、 H2O-LiBr+ZnBr2+LiCl、H2O-LiBr+Li+ZnCl2工質對的熱物性適合氣泡泵溶液循環的吸收制冷裝置。Saravanan.R設計了一個制冷量為50W的空冷溴化鋰吸收制冷裝置,環境溫度40℃、發生器溫度85℃時系統的COP為0.38,試驗發現當氣泡泵和發生器采用電加熱方式時,外界溫度對系統的性能影響不明顯。

I.W.Eame[25]利用發生器與吸收器的壓力差提出了一種新型的液體提升方式,利用發生器內的氣體的壓力能實現將溴化鋰溶液從發生器輸送到吸收器。系統原理圖見圖1。

工作過程為:在輸送液體階段,閥1、閥2關閉,在外界熱源的作用下,發生器內的壓力升高,液體克服重力作用通過提升管進入吸收器。在輸送液體結束時,閥1、閥2打開,系統開始解吸階段;發生器壓力降低到冷凝壓力,吸收器內的稀溶液通過回液管進入發生器,直到發生器液位達到開始階段。送入吸收器的溶液量由閥的關閉時間決定。由于吸收過程是連續的,制冷過程也是連續的。這種布置方式的一個特點是吸收器布置在發生器的上部,從而可以減小驅動壓頭。

圖1 利用壓力能實現溶液循環的吸收制冷原理圖

理論分析表明,這種循環系統的COP為0.61～0.64,與常規吸收式制冷系統的COP相當,發生溫度比常規系統的要高7.1℃;提升管管徑越小、發生器容器直徑越大系統的COP越大。

4 結束語

能夠利用各種低品位熱能、使用對環境友好、對大氣臭氧層無破壞的工質,是無泵吸收制冷引起關注的原因。

氣泡泵是無泵吸收制冷系統的動力發生部件,其性能決定了系統能否正常運行,研究適合制冷量1kW～10kW的氣泡泵是無泵吸收制冷技術研究的關鍵;無泵吸收制冷系統依靠重力和熱能驅動實現工質的循環,對阻力要求嚴格,因此冷凝器、吸收器和蒸發器在空氣冷卻條件下、在有限的空間內實現高的傳熱,減小流動阻力也就成為研究的重點;無泵吸收制冷系統運行參數的調整和優化,也是要考慮的重要因素。

但是無泵吸收式制冷技術的市場化不僅涉及到技術問題,而且還與人們的消費觀念、環保節能意識有關,同時國家在能源政策方面的引導也有很大的關系,因此真正實現無泵吸收制冷技術能夠進入家用領域,還有很多工作要做。

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