復(fù)合式三效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)特性分析

胡磊 王曉

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 前言

CFC對臭氧層具有破壞性影響，而且壓縮式制冷在夏季用電高峰期間會造成供電緊張等現(xiàn)象。溴化鋰吸收式制冷是一種以溴化鋰-水為工質(zhì)對，以熱能作為驅(qū)動動力的吸收式制冷循環(huán)，系統(tǒng)以水做制冷劑，綠色環(huán)保，在替代CFC壓縮式制冷上有巨大的優(yōu)勢，但是壓縮式制冷在能量的利用效率上較溴化鋰吸收式制冷有明顯的優(yōu)勢[1]。目前單效或雙效的溴化鋰制冷機(jī)在效率上都無法與壓縮式制冷相比，而且單效和雙效溴冷機(jī)在使用高品位熱源作為驅(qū)動熱源時，在能源利用的角度上仍然是不經(jīng)濟(jì)的。為了進(jìn)一步提高COP，提出了三效吸收式循環(huán)[2]。由于三效循環(huán)比雙效循環(huán)多一個發(fā)生器，因此需要更高的發(fā)生溫度。三效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的高壓發(fā)生器中溴化鋰溶液溫度過高，易引起機(jī)組腐蝕[3]。因此需要降低高溫發(fā)生器出口溶液溫度，Jin-Soo Kim等[4]提出在三效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)中增加一個壓縮機(jī)，利用壓縮機(jī)將蒸汽壓縮來達(dá)到降低高溫發(fā)生器出口溶液溫度的目的。袁從杰等[5-6]提出在低溫發(fā)生器和中溫發(fā)生器之間增加壓縮機(jī)的新型串聯(lián)和并聯(lián)三效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)，有效的降低了高溫發(fā)生器出口溶液溫度。

本文主要研究在低溫發(fā)生器和冷凝器之間增加壓縮機(jī)的復(fù)合式三效循環(huán)，壓縮比和冷媒水溫度對系統(tǒng)性能的影響，并與普通三效循環(huán)進(jìn)行對比分析，主要從性能系數(shù)，高溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力等方面進(jìn)行對比分析。

1 復(fù)合式三效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)

本文以串聯(lián)三效 TC（Triple Condenser）循環(huán)[7]為研究對象，串聯(lián)三效TC循環(huán)如圖1所示。串聯(lián)三效TC循環(huán)中，冷劑水循環(huán)為：高溫發(fā)生器產(chǎn)生的高溫冷劑蒸汽進(jìn)入中溫發(fā)生器冷凝放熱，再降壓，與中溫發(fā)生器產(chǎn)生的中溫冷劑蒸汽混合進(jìn)入低溫發(fā)生器內(nèi)冷凝放熱，再降壓與低溫發(fā)生器產(chǎn)生的冷劑蒸汽混合進(jìn)入冷凝器中冷凝放熱，此時中溫和低溫發(fā)生器就像一個冷凝器，因此稱為TC循環(huán)。溴化鋰溶液循環(huán)為：吸收器中的稀溶液流經(jīng)低溫，中溫和高溫溶液熱交換器，并且串聯(lián)依次進(jìn)入高溫，中溫和低溫發(fā)生器，最終返回吸收器。三效循環(huán)中冷凝熱較小，冷卻水循環(huán)采用并聯(lián)方式流入冷凝器和吸收器可以提高循環(huán)的性能系數(shù)。

圖1 普通串聯(lián)三效TC循環(huán)方式示意圖

本文中復(fù)合式三效循環(huán)相較于普通三效循環(huán)就是在低溫發(fā)生器和冷凝器之間增加一個壓縮機(jī)，增加低溫發(fā)生器出口冷劑蒸汽的壓力，達(dá)到冷凝器的冷凝壓力。復(fù)合式三效循環(huán)如圖2所示，通過壓縮機(jī)提升低溫發(fā)生器產(chǎn)生的冷劑蒸汽的壓力和溫度，這樣就可以降低低溫，中溫和高溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力，緩解溴化鋰溶液的腐蝕。

圖2 復(fù)合式三效循環(huán)方式示意圖

2 模型建立

2.1 熱力計(jì)算

熱力計(jì)算的依據(jù)是循環(huán)內(nèi)各部件總質(zhì)量平衡、溴化鋰組分的質(zhì)量平衡和能量平衡。

總質(zhì)量平衡：

LiBr質(zhì)量平衡：

能量平衡：

式中：m為質(zhì)量流量，kg/s；ζ為溴化鋰溶液濃度，kg/kg；h為比焓，kJ/kg；下標(biāo)in表示流入，下標(biāo)out表示流出；Q為外界傳給系統(tǒng)的熱量，kW；W為壓縮機(jī)耗功，kW，普通三效循環(huán)時，W為0。

由于高溫溴化鋰溶液物性參數(shù)的缺乏，限制了三效溴化鋰吸收式制冷的研究，2001年Y.Kaita[8]提出可靠的高溫溴化鋰熱物性方程，本文中使用Y.Kaita提出的溴化鋰溶液的物性方程。

2.2 計(jì)算條件和假設(shè)

本文對三效和復(fù)合式三效循環(huán)進(jìn)行模擬分析，為了模擬分析復(fù)合式三效循環(huán)的特性，在仿真過程對循環(huán)給定相同的標(biāo)準(zhǔn)條件，在相同的制冷量，冷卻水溫度，冷凝溫度，吸收溫度和濃溶液濃度下進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算初始條件如表1所示，在計(jì)算壓縮比對循環(huán)性能的影響時取冷媒水進(jìn)口溫度為12℃，溶液熱交換器溫差為濃溶液出口溫度和稀溶液進(jìn)口溫度之差，其余溫差為高溫介質(zhì)出口溫度和低溫介質(zhì)出口溫度之差[9]。

表1 計(jì)算初始條件

在本研究中為了方便計(jì)算，做了以下假設(shè)：

1）忽略每個部件的熱損失，溶液泵和管件中壓力損失。

2）在發(fā)生器和吸收器中，溶液處于壓力和溶液溫度的平衡狀態(tài)。

3）冷凝器和蒸發(fā)器中的出口冷劑水和蒸汽都是飽和狀態(tài)。

4）用作中溫和低溫發(fā)生器熱源的冷劑蒸汽放熱后變?yōu)轱柡偷睦鋭┧?/p>

5）發(fā)生器出口蒸汽溫度按平均發(fā)生溫度計(jì)算。

6）復(fù)合式三效循環(huán)壓縮比為1時，按普通三效循環(huán)計(jì)算。

3 結(jié)果分析

參照普通三效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)性能系數(shù)的定義，COP1用下式計(jì)算：

復(fù)合式三效中壓縮機(jī)耗功是機(jī)械能，與熱源輸入熱能不是同一品位，COP1并不能準(zhǔn)確的表示復(fù)合式三效的性能，因此引入COP2表示復(fù)合式三效性能系數(shù)。

式中：Qv為制冷量，kW；QHTG為熱源輸入熱量，kW；W為壓縮機(jī)耗功，kW；η為熱能轉(zhuǎn)化成電能的效率，本文取0.35[11]；n為壓縮機(jī)的壓縮比；PCON為冷凝器的冷凝壓力，kPa；PLTG為低溫發(fā)生器的壓力，kPa。

3.1 壓縮比對循環(huán)性能的影響

3.1.1 壓縮比對各部件溫度和壓力的影響

循環(huán)中各部件壓力和出口溫度隨壓縮比的變化如圖3和圖4所示。圖3縱坐標(biāo)用以10為底對數(shù)坐標(biāo)表示，從圖3、4中可以看出，壓縮比增加，低溫，中溫和高溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力均降低。壓縮機(jī)出口蒸汽溫度則隨壓縮比的增加而增加。冷凝溫度不變，冷凝壓力不變，壓縮比增加，低溫發(fā)生器壓力降低，低溫發(fā)生器出口濃溶液濃度不變，溫度降低，進(jìn)一步導(dǎo)致高溫發(fā)生器和中溫發(fā)生器壓力和出口溶液溫度降低。冷凝壓力不變，壓縮機(jī)出口蒸汽壓力不變，壓縮機(jī)出口蒸汽溫度快速上升是壓縮比增加導(dǎo)致的。

圖3 各部件壓力隨壓縮比的變化

圖4 各部件出口溫度隨壓縮比的變化

3.1.2 壓縮比對循環(huán)耗能和COP1，COP2的影響

熱源輸入熱量QHTG和壓縮機(jī)耗功W隨壓縮比的變化如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著壓縮比的增加，壓縮機(jī)耗功增加，熱源輸入熱量逐漸降低。壓縮比增加，一方面單位質(zhì)量冷劑蒸汽增壓到冷凝壓力需要的壓縮功增加。另一方面中溫和高溫發(fā)生器發(fā)生溫度和壓力降低，發(fā)生條件變惡劣，產(chǎn)生的冷劑蒸汽的量降低，低溫發(fā)生器產(chǎn)生冷劑蒸汽的量增加，壓縮機(jī)壓縮的冷劑蒸汽質(zhì)量流量增加，因此壓縮機(jī)耗功增加。壓縮功替代了一部分熱能，熱源輸入的熱量降低。

圖5 耗能隨壓縮比的變化

復(fù)合式三效COP1和COP2隨壓縮比變化如圖6所示。壓縮機(jī)耗功隨壓縮比增加而增加，熱源輸入熱量隨壓縮比增加而減小，但壓縮機(jī)耗功增加速率比熱源輸入熱量減少的要快，復(fù)合式三效COP1和COP2降低。復(fù)合式三效壓縮比為1時，按普通三效循環(huán)計(jì)算，壓縮機(jī)耗功為0，因此在壓縮比為1時，復(fù)合式三效COP1和COP2相同。

圖6 COP1、COP2隨壓縮比的變化

壓縮比為3.5時，高溫發(fā)生器出口溶液溫度由218.9℃降低至183.6℃，有效的降低了高溫發(fā)生器出口溶液溫度。此時，熱源輸入熱量為297.1 kW，壓縮機(jī)耗功為18.4kW，壓縮機(jī)輸入功相對于制冷量是非常小的，僅占制冷量的3.68%。COP2由1.605降低至1.43，COP2稍有降低，但仍比單效和雙效的COP高?？梢钥闯鲈诘蜏匕l(fā)生器和冷凝器之間增加壓縮機(jī)可以有效的降低高溫發(fā)生器出口溶液溫度，緩解溴化鋰溶液的腐蝕，同時對系統(tǒng)性能不會有太大的影響。

3.2 冷媒水溫度對循環(huán)性能的影響

3.2.1 冷媒水溫度對高溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力的影響

普通三效和壓縮比為3.5的復(fù)合式三效高溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力隨冷媒水進(jìn)口溫度變化如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可以看出：普通三效與復(fù)合式三效高溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力隨冷媒水溫度的變化趨勢相同，冷媒水進(jìn)口溫度上升，普通三效和復(fù)合式三效高溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力均降低。蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力受冷媒水進(jìn)口溫度的影響，冷媒水進(jìn)口溫度上升，蒸發(fā)壓力上升，吸收壓力上升，吸收器出口稀溶液濃度降低，濃溶液濃度不變，低溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力不變，中溫發(fā)生器和高溫發(fā)生器出口溶液濃度降低，導(dǎo)致中溫發(fā)生器和高溫發(fā)生器的出口溶液溫度和壓力降低。

圖7 高溫發(fā)生器出口溶液溫度

圖8 高溫發(fā)生器壓力

3.2.2 冷媒水溫度對COP1和COP2的影響

普通三效和壓縮比為3.5的復(fù)合式三效COP1和COP2隨冷媒水進(jìn)口溫度變化如圖9所示。普通三效循環(huán)壓縮機(jī)耗功為0，COP1與COP2相同。從圖9可以得出三效循環(huán)的COP1和復(fù)合式三效循環(huán)的COP1和COP2均隨冷媒水進(jìn)口溫度的上升而上升。冷媒水進(jìn)口溫度上升，一方面蒸發(fā)溫度上升，吸收壓力上升，吸收器出口稀溶液濃度降低，濃溶液濃度不變，循環(huán)的放氣范圍變大，循環(huán)倍率變小。另一方面蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力上升，冷凝溫度和壓力不變時，節(jié)流閥節(jié)流損失變小，普通三效循環(huán)COP1增大。對于復(fù)合式三效循環(huán)除上述原因外，在制冷量不變時，冷媒水溫度上升，低溫發(fā)生器產(chǎn)生的冷劑蒸汽質(zhì)量流量減小，壓縮比不變，壓縮機(jī)耗功降低，因此復(fù)合式三效循環(huán)COP1和COP2均增加。適當(dāng)?shù)奶岣呃涿剿M(jìn)口溫度也可以降低三效和復(fù)合式三效循環(huán)高溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力，提高復(fù)合式三效循環(huán)的COP1和COP2。

圖9 COP1和COP2隨冷媒水溫度的變化

4 結(jié)論

通過建立復(fù)合式三效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的模型，模擬復(fù)合式三效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)性能參數(shù)隨壓縮比和冷媒水溫度的變化。

計(jì)算結(jié)果顯示在三效循環(huán)的低溫發(fā)生器和冷凝器之間增加壓縮機(jī)的復(fù)合式三效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)可以有效的降低高溫發(fā)生器出口溶液溫度。在壓縮比為3.5時，高溫發(fā)生器出口溶液溫度由218.9℃降至183.6℃，此時，壓縮機(jī)耗功為18.4 kW，僅占制冷量的3.68%。由此可以看出在三效循環(huán)中增加壓縮機(jī)，只需要消耗少量的機(jī)械能就可以有效的降低高溫發(fā)生器出口溶液溫度。

壓縮比不變，冷媒水進(jìn)口溫度上升，普通三效循環(huán)和復(fù)合式三效循環(huán)高溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力均降低，普通三效循環(huán)COP1，復(fù)合式三效循環(huán)COP1，COP2均上升。

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