氨精餾純度對氨水吸收式制冷系統性能的影響分析

孫淑娟，杜塏

（東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210096）

0 引言

目前，節約能源和環境保護已經成為全球范圍內重點關注的兩大課題。從我國能源利用效率來看，對工業余熱、廢熱、太陽能、地熱能等低品位能源的利用和轉化還處于較低的水平，而工業生產對電能的需求卻持續增長，我國能源供需矛盾正在日益加劇。氣候變暖和臭氧層破壞也正在對人類賴以生存的環境造成巨大的損害。實現CFCs、HCFCs和HFCs等制冷工質的替代，采用ODP和GWP較低的制冷工質來實現制冷將是保護環境的重要方法之一[1-5]。

氨作為天然制冷劑之一，其ODP和GWP均為0，在保護環境方面具有獨特的優勢[6]。氨水吸收式制冷是一種以熱能為驅動的成熟的制冷技術，其中氨為制冷劑，水為吸收劑，其最大的特點在于可以利用工業余熱、廢熱、太陽能、地熱能等低品位熱能來實現低于0 ℃的冷量轉化，有利于我國的能源利用趨于合理化，對節能減排具有重要的意義[7-8]。

早在1860年，法國的CARRE就提出了氨-水這一工質對的吸收式制冷機，由于其自身設備尺寸較大、熱效率較低，且當時蒸汽壓縮式制冷機正蓬勃發展，所以氨水吸收式制冷機的研究和發展一度處于緩慢的階段[3]。直到1987年保護臭氧層的《蒙特利爾議定書》的發布[9]，環境問題再次成為世界關注的焦點，氨水吸收式制冷機因其對環境無損害且能有效利用低品位熱能的優良性質，重新被研究者所重視。

在該工質對的應用過程中，需要著重考慮的一個關鍵因素是氨與水的標準沸點相差133.4 ℃，相對于溴化鋰工質對來說，其沸點差值相差8.71倍，因此在發生過程中水的蒸氣壓相比于氨的蒸氣壓并不是微不足道的，這就導致發生階段產生的氨蒸氣中總是會殘存一小部分水蒸氣[10]。盡管相對于氨蒸氣來說，這部分水蒸氣量很少，但這少量（以ppm計）的水蒸氣對氨水吸收式制冷機性能的影響常常被忽視[11]。

方志云等[12]通過實驗分析了回流比、塔板開孔率、溢流堰高度、液氣比等因素對氨精餾純度及系統性能系數COP的影響。孔丁峰等[13]通過實驗對進料狀態、發生溫度、回流比等操作參數進行了優化，得到使系統性能最優的最佳發生溫度和最佳回流比。

上述已有研究大都是關注各種操作條件和部件結構對精餾濃度和系統性能的影響，并不能直接反映制冷劑精餾濃度對系統各方面性能的影響。

本文采用逆向思維，針對氨水吸收式制冷循環精餾純度對系統性能的影響進行理論研究，分析了氨的精餾濃度對蒸發壓力、吸收終了濃溶液濃度、制冷量和COP的影響，直觀反映氨精餾純度對氨水吸收式制冷系統性能的影響規律。

1 系統構建

如圖1所示，主要的組成部件有精餾塔(A)、冷凝器(B)、過冷器(C)、蒸發器(D)、吸收器(E)、溶液熱交換器(F)、溶液泵(H)和節流閥(G,I)。整個制冷循環可以分為制冷劑循環和溶液循環兩部分。精餾塔頂出口的氨蒸汽和水蒸氣的混合物經部分回流后進入冷凝器，冷凝成氨液后經過冷器、節流閥進入蒸發器中，氨液從被冷卻對象中吸熱蒸發，變為氨蒸汽，產生冷量，實現制冷；產生的氨蒸汽經過冷器后進入吸收器，被經溶液熱交換器來的精餾塔底的稀溶液吸收，形成濃的氨水溶液，通過溶液泵進入溶液熱交換器與來自精餾塔底部的稀溶液換熱，溫度升高，從精餾塔進料口進入精餾塔，經過提餾段和精餾段完成精餾提純的過程，重新產生氨蒸汽，從而實現整個循環過程[14-15]。

圖2為系統循環的焓-濃（h-w）圖。P0、Pg分別表示蒸發壓力和發生壓力，t0、tw、tg分別表示蒸發溫度、冷卻水溫度和熱源溫度，ww、ws、wg分別表示稀溶液濃度、濃溶液濃度和氨蒸汽濃度。

圖1 單級氨水吸收式制冷機的流程圖

圖2 單級氨水吸收式制冷循環的h-w圖

2 系統模擬計算與分析

2.1 模擬計算條件設定

為了確定氨精餾純度對系統性能的影響，在質量守恒、物料守恒和能量守恒的基礎上建立了一種穩態的數學模型，模型建立在以下假設的基礎上：

1）忽略系統循環管路的壓力損失；

2）系統向環境中的漏熱可以忽略；

3）發生終了的稀溶液、冷凝終了的冷凝液體、蒸發終了的蒸汽、吸收終了的濃溶液均認為是飽和狀態；精餾塔內部的氣液流動總是處于對應的氣液飽和狀態[16]。

2.2 模擬計算方法

整個氨水吸收式制冷系統是由一系列的單元設備連接而成的，所以在用Aspen Plus軟件進行模擬時，可以將整個系統的模擬建立在對各個單元設備模型化的基礎上[2]。根據文獻[17]中對多種物性模型預測氨-水體系氣液平衡準確性的比較結果，本研究選用PR-BM物性模型。

本文模擬過程中涉及到的基本操作條件見表1。

表1 氨水吸收式制冷系統的基本操作參數

根據系統熱力學計算，可以得到以下公式[18]：

式中：

qG——發生器的單位熱負荷，kJ/kg；

qR——回流冷凝器單位熱負荷，kJ/kg；

h5——精餾塔頂出口氨氣的比焓，kJ/kg；

h2——精餾塔釜出口稀溶液的比焓，kJ/kg；

h1——進精餾塔的濃溶液的比焓，kJ/kg；

f——溶液循環倍率；

w5——精餾塔頂出口氨氣的質量濃度；

w2——精餾塔釜出口稀溶液的質量濃度；

w4——進精餾塔的濃溶液的質量濃度。

蒸發器單位制冷量：

式中：

qE——蒸發器單位熱負荷，kJ/kg；

h8——蒸發器出口氨蒸汽的比焓，kJ/kg；

h7——蒸發器進口氨液的比焓，kJ/kg。

性能系數：

2.3 模擬計算結果和分析

2.3.1 氨精餾純度對蒸發壓力的影響

由圖3可以看出，隨著氨精餾純度的降低，在蒸發溫度保持不變的前提下，蒸發壓力逐漸變小。這是因為根據康諾瓦洛夫定律，較高蒸汽壓的組分在氣相中的摩爾分數將大于其在液相中的摩爾分數，當蒸發器進口氨液不純時，隨著系統的運行，氨液中氨組分將越來越少，從而飽和溫度越來越高，即制冷劑的蒸發溫度越來越高[19-20]。如果要維持制冷溫度的恒定，只能降低蒸發壓力。通過計算得出蒸發壓力隨著氨精餾純度的變化如圖3。

忽略管道阻力的變化，即穩定工況下，蒸發壓力與吸收壓力差值不變，所以在實際工業生產中，可以通過一些措施降低吸收壓力從而降低蒸發壓力，比如調整吸收器的冷卻水溫度、提高流經吸收器的冷卻水流量、降低稀溶液濃度、增加稀溶液進入吸收器的流量等。但這些措施會導致系統運行成本增加，所以實際生產中還需權衡利弊，謹慎操作。

圖3 在蒸發溫度不變的條件下蒸發壓力隨氨精餾純度的變化

2.3.2 氨精餾純度對吸收終了溶液濃度的影響

在制冷溫度、熱源溫度和冷卻水溫度不變的工況下，圖4顯示了隨著氨精餾純度的提高，吸收器吸收終了溶液濃度越來越高。在吸收器中吸收過程的主要推動力是吸收液表面該氣體的飽和蒸汽壓與氣相主體的壓差。當氨精餾純度提高時，由圖3可知蒸發壓力升高，即吸收器中氣相主體壓力升高，因此吸收推動力增大，導致吸收速率提高，從而使得吸收器吸收終了的溶液濃度提高。

上述過程在圖2所示的氨水溶液焓-濃度圖上也可以得到證實：在給定的冷卻水溫度，即圖中tw線位置不變的情況下，當蒸發壓力由圖中P01增大到虛線表示的P02時，二者交點所對應的濃度值變大，即吸收終了溶液濃度得到提高。

由圖4還可以看出，當氨精餾純度從0.72提高到0.99時，吸收終了濃溶液的質量流量從30.3 kg/h降到14.8 kg/h左右，這對于實際系統來說，可以減少液體循環量，降低溶液泵的耗功，有利于系統的維護和使用壽命的延長[21]。

圖4 吸收終了溶液濃度和質量流量隨氨精餾純度的變化

2.3.3 氨精餾純度對發生器熱負荷的影響

圖5顯示了隨著氨精餾純度的降低，發生器熱負荷逐漸增加。發生器是通過塔釜的高溫熱源加熱吸收終了的濃溶液產生氨氣和水蒸氣的混合氣體，然后經提餾段和精餾段得到近似于純氨的氣體，這個過程就是濃溶液中的氨從液相向氣相轉移的過程[22]。隨著氨精餾純度的降低，由前面圖4的分析可知，在不做任何補救措施的情況下，吸收終了濃溶液濃度降低，則精餾塔進料濃度降低，進料溶液中氨的分壓力降低，此時要想使氨氣源源不斷地從溶液中解吸出來，就需要提高溶液的溫度，以使溶液中氨的分壓力大于氣相中氨氣的壓力，獲得傳質推動力，因此就需要從高溫熱源吸收更多的熱量，即發生器熱負荷隨著氨精餾純度的降低而增加。

另外，氨精餾純度的降低使得吸收終了的溶液濃度降低，導致溶液的放氣范圍減小，溶液循環倍率增大，這也導致了發生器熱負荷的增加。

圖5 發生器熱負荷隨氨精餾純度的變化

2.3.4 氨精餾純度對系統COP的影響

圖6顯示了系統COP隨氨精餾純度的提高而逐漸增加的趨勢。隨著氨精餾純度的提高，發生器熱負荷逐漸減小，而系統制冷量不變，根據式(4)可知，系統COP逐漸增加。

圖6 系統COP隨氨精餾純度的變化

3 結論

通過模擬計算得到不同氨精餾純度下，氨水吸收式制冷系統的各性能參數的變化規律，說明了精餾塔頂氨氣不純會對系統產生不利影響；隨著氨精餾純度的降低，蒸發壓力降低，吸收壓力降低，導致吸收終了溶液濃度減小，放氣范圍減小，系統循環倍率變大，最終導致發生器的單位熱負荷增大，系統COP降低。

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