吸收式制冷系統應用于高溫熱害隧道降溫的理論分析研究

覃宇含, 孟祥林, 蘇留鋒, 孫亮亮, *, 袁艷平

(1. 西南交通大學機械工程學院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031)

0 引言

世界各國在修建深埋長大的隧道、深井開采礦井時,都曾遇到過不同程度的熱害問題[1-2]。例如: 尼格隧道存在高水溫和高巖溫問題,涌水溫度最高達到63.4 ℃,巖溫最高達到88.8 ℃[3]。桑竹嶺隧道在施工過程中沿線多處溫度達到45 ℃以上, 探溫孔內溫度高達89 ℃,居我國圍巖溫度之首[4]。何平等[5]根據沃卡熱泉、雅魯藏布江邊熱泉分布的平面位置、標高以及其成因分析,推測桑竹嶺隧道CK175+500段洞身附近地下熱水溫度高于76 ℃。拉月隧道區內水熱活動活躍,在進口端及沿線東南側的河流兩岸均有溫度18.5～91.5 ℃的溫泉出露[6]。隧道在施工過程中由于出現高巖溫和高水溫2大熱害問題,對隧道襯砌施工[7-8]、人員安全[9-10]等造成威脅,惡化施工環境,導致施工難度增大。

針對以上提到的隧道高溫熱害問題采取了很多熱害防治措施。例如: 彭琪[6]針對拉月隧道可能遭遇到的高溫熱害問題,提出通風降溫、人工制冷降溫以及個體防護等一系列處理措施。Lin等[11]針對尼格隧道搭建了高地熱隧道高溫綜合控制系統。嚴健等[12]針對桑竹嶺隧道提出采用頂部加密施工通風管,中部設置冷水噴灑器灑水,底部邊墻兩側設置冰墻的立體綜合降溫技術。朱宇等[13]針對高地溫隧道,提出隧道溫度在45 ℃以下時,熱干巖型隧道只采用通風降溫,濕熱型隧道需對高溫熱水進行封堵及排放;當溫度超過45 ℃時,還需另外采取隔熱、冰塊制冷、灑水噴霧、局部制冷等措施。李建高等[14]針對不同隧道的高地溫情況,選取不同的降溫組合方案。

《鐵路工程不良地質勘察規程》[15]表明: 地溫大于37 ℃時,需要采用人工制冷措施進行降溫。目前隧道工程中人工機械制冷降溫措施多采用蒸汽壓縮式制冷機組[16-17],而吸收式制冷機組在隧道施工過程中卻鮮有應用[18-19]。

本文針對高地溫隧道施工過程中出現的高溫熱害問題,提出采用吸收式制冷機組作為輔助降溫措施,并設計采用隧道高溫涌水作為溴化鋰吸收式制冷機組的熱源。為了驗證以隧道涌水為熱源的吸收式制冷循環作為隧道降溫措施的可行性,本文利用EES(engineering equation solver工程方程求解器)建立單效溴化鋰吸收式制冷循環和2級溴化鋰吸收式制冷循環的熱力學模型,通過理論計算分析該方案的可行性。

1 溴化鋰吸收式制冷循環

將隧道高溫涌水作為吸收式制冷系統的熱源,先收集隧道高溫涌水,處理后送至吸收式制冷機組,是否采用沉淀池、凈水裝置等水處理設備需要結合隧道涌水實際的水質情況考慮。制冷機組產生的冷凍水通過管道輸送至空冷器,再通過空冷器輸送冷風,從而實現對隧道工作面、休息室和設備硐室降溫的目的,具體示意見圖1。圖中的吸收式制冷系統主要包括2種循環形式,分別是單效溴化鋰吸收式制冷循環和2級溴化鋰吸收式制冷循環。

1.1 單效溴化鋰吸收式制冷循環

單效溴化鋰吸收式制冷循環(以下簡稱為單效循環)流程如圖2所示。該系統內部的工作回路由2個回路組成,分別是: 1)溴化鋰溶液回路,包括溴化鋰濃溶液管路(紅色管路)和溴化鋰稀溶液管路(粉色管路); 2)制冷劑回路(黑色回路)。

圖1 隧道涌水作為吸收式制冷系統的熱源示意圖

圖2 單效溴化鋰吸收式制冷循環流程圖

1.2 2級溴化鋰吸收式制冷循環

2級溴化鋰吸收式制冷循環(以下簡稱為2級循環)流程見圖3,其制冷循環的工作過程也可看作由溴化鋰溶液回路和制冷劑回路組成。和單效循環相比,2級循環包含低壓循環和高壓循環,在蒸發溫度和冷凝溫度一定的情況下,其啟動所需的發生溫度更低,從而降低了循環對熱源溫度的要求,使得低溫熱源驅動溴化鋰吸收式制冷循環成為可能。

圖3 2級溴化鋰吸收式制冷循環流程圖

1.3 熱力學計算模型

由于2級循環采用的是復疊式結構,其主要部件與單效循環相同。基于能量守恒與質量守恒原理,對單效循環和2級循環中的主要部件建立熱力學模型。對于2種循環的分析基于以下假設[20-21]:

1)2個循環在穩態狀態下運行;

2)系統處于熱平衡狀態;

3)不計管道阻力,忽略蒸發器和吸收器間、發生器和冷凝器間的壓力差;

4)發生器出口的溴化鋰濃溶液、吸收器出口的溴化鋰稀溶液、冷凝器出口的液態制冷劑水、蒸發器出口的制冷劑水蒸汽均處于飽和狀態;

5)不考慮泵的能耗與節流閥的節流損失,僅考慮泵和節流閥為等焓過程;

6)對于2級循環,高/低壓發生溫度相同,高/低壓吸收溫度相同[22]。

針對吸收式制冷系統的主要部件(包括發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、熱交換器),建立熱力學模型,見表1。

表1 吸收式制冷循環的主要部件數學模型

2 模擬計算模型

2.1 模擬計算過程

EES通過調用內部溴化鋰溶液的物性參數關系準確地表達出循環過程中各點的工況,通過能量守恒方程和質量守恒方程對特定的循環構建基于方程的模型程序。本文基于各個部件的控制方程,利用EES分別對單效循環和2級循環建立基于熱力學方程的模型程序進行模擬分析。假設2種循環在以下具體條件下工作:

1)高溫隧道涌水通過發生器降低5 ℃,發生器的濃溶液出口溫度比高溫隧道涌水出口溫度降低5 ℃[23]。

2)單效循環吸收器出口處的稀溶液流量以及2級循環低壓吸收器出口處的稀溶液流量為m1=1kg/s; 2級循環高、低壓側稀溶液質量流量比為5/6。

5)由于在實際機組設計及運行時冷卻水先經過吸收器后經過冷凝器,故一般冷凝溫度均比吸收溫度高,故設定冷凝溫度tc比吸收溫度ta高5 ℃,即tc=ta+5 ℃。

根據冷凝溫度和蒸發溫度調用EES內置的數據查得高壓側壓力和低壓側壓力,根據各個點的壓力和溫度或者濃度調用EES內部的LiBr-H2O和水的物性參數計算關系式,來確定各點的狀態,從而確定各個換熱器的換熱量,計算出整個循環的性能系數。

單效循環的循環性能系數

(1)

2級循環的循環性能系數

(2)

系統的循環倍率

(3)

式(1)—(3)中: Qg1為2級循環中低壓發生器從熱源吸收的熱量,kW; Qg2為2級循環中高壓發生器從熱源吸收的熱量,kW; Xr為出發生器的濃溶液的質量分數,kg/kg; Xa為進發生器的稀溶液的質量分數,kg/kg。

2.2 EES數值模擬計算結果分析

2.2.1 變熱源溫度分析

當冷凝溫度為35 ℃、吸收溫度為30 ℃時,分析單效循環和2級循環的性能系數隨熱源溫度的變化規律,結果如圖4所示。對于單效和2級循環,隨著熱源溫度的升高,系統的性能系數逐漸增大,但是增加的速率逐漸降低,這是由于隨著熱源溫度的升高,溶液的循環倍率降低的趨勢逐漸變緩。單效及2級溴化循環倍率的變化趨勢分別如圖5和圖6所示。圖中,te為蒸發溫度,a1和a2分別為2級循環中高壓和低壓側溶液循環倍率。

圖4 2種溴化鋰吸收式循環的COP曲線

圖5 單效溴化鋰吸收式循環的循環倍率曲線

圖6 2級溴化鋰吸收式循環的循環倍率曲線

根據圖4結果發現: 蒸發溫度為5 ℃、熱源溫度超過55 ℃時,雖然可以驅動循環運行,但是當熱源溫度在55 ℃附近時,吸收式制冷循環的COP較低。故當蒸發溫度為5 ℃時,只能利用60 ℃以上的隧道涌水驅動溴化鋰吸收式制冷循環; 當熱源溫度在60～75 ℃時采用2級循環,當熱源溫度在75 ℃以上時采用單效循環。

同時發現,提高蒸發溫度可以降低熱源溫度、提高性能系數。當蒸發溫度提高至10 ℃時,可利用55 ℃的隧道涌水驅動溴化鋰吸收式制冷循環; 當溫度在55～70 ℃時,可以采用2級循環; 熱源溫度在70 ℃以上時,可以采用單效循環。考慮隧道中所提供的冷凍水溫度主要是為了滿足工作面所需要的冷量以及除濕要求,可以一定程度上將蒸發溫度提高到15 ℃,此時利用50 ℃以上的熱源來驅動循環,以達到利用高地溫隧道開采中所能提供的隧道涌水來驅動吸收式制冷循環的目的。根據圖4結果顯示:當蒸發溫度為15 ℃、熱源溫度在50～63 ℃時,可以采用2級循環; 熱源溫度在63 ℃以上時,可以采用單效循環。

2.2.2 變蒸發溫度分析

為了研究蒸發溫度對于2種循環性能系數的影響,在冷凝溫度為35 ℃、吸收溫度為30 ℃的情況下,調整蒸發溫度,單效及2級循環COP結果分別如圖7和圖8所示。

圖7 單效循環COP隨著蒸發溫度變化曲線

圖8 2級循環COP隨著蒸發溫度變化曲線

可以發現: 蒸發溫度升高,COP有所提高,并且在低熱源溫度情況下,如果蒸發溫度過低,會導致2種循環效率過低甚至不能運行。由于隧道涌水溫度相對常規熱源溫度較低,且針對特殊的隧道環境其冷凍水需求溫度可適當比常規環境的冷凍水需求溫度7 ℃高,所以想要利用隧道涌水溫度來驅動溴化鋰吸收式制冷機組,可以考慮適當提高蒸發溫度,從而降低驅動循環所需的熱源溫度,達到利用隧道施工過程中出現的高溫涌水來驅動溴化鋰吸收式制冷機組的目的。根據圖8結果顯示: 當熱源溫度為55 ℃、蒸發溫度為10 ℃時,2級循環性能系數在0.4左右,此時能夠利用低至55 ℃的隧道涌水來驅動2級循環,但是如果蒸發溫度繼續降低至10 ℃以下,系統的性能系數過低,所以55 ℃的隧道涌水無法被利用。

2.2.3 變冷凝溫度分析

為了研究冷凝溫度對于2種循環性能系數的影響,在蒸發溫度分別為15 ℃和10 ℃的前提下,調整冷凝溫度,設定冷凝溫度比吸收溫度高5 ℃,結果如圖9和圖10所示。

圖9 單效循環COP隨著冷凝溫度變化曲線

圖10 2級循環COP隨著冷凝溫度變化曲線

較低的熱源溫度在冷卻條件良好時性能占優,COP更高,這表明在低冷凝溫度工況下,循環能夠在更低的熱源溫度下啟動。因此,在本文基礎上,如需利用更低溫度的隧道涌水,可以考慮降低冷凝溫度。而高熱源溫度雖然在冷卻條件良好時性能并不具備優勢,但對冷卻條件的工況適應性較為優異,可以在更廣的冷凝溫度范圍內運行。

由圖10可知,當蒸發溫度為15 ℃、熱源溫度為55 ℃、冷凝溫度達到38 ℃左右,或當蒸發溫度為10 ℃、熱源溫度為55 ℃、冷凝溫度達到36 ℃左右,2級循環就無法運行。可以發現,低蒸發溫度對冷卻條件要求更高,對冷凝溫度與吸收溫度的變化更為敏感。

3 可行性分析

國內外部分隧道建設過程中遇高溫突涌水情況如表2所示。

表2 國內外隧道建設過程中遇高溫突涌水情況

設定蒸發溫度te為15 ℃,將第2.2節的計算結果與實際隧道涌水情況進行匹配,發現表2所列的隧道從理論上均能考慮采用本文所提的隧道涌水為熱源驅動吸收式制冷循環制冷的方案,其中尼格隧道和桑竹嶺隧道能夠考慮采用單效循環形式,其余采用2級循環形式。

4 結論與討論

1)當蒸發溫度為5 ℃時,可利用60 ℃以上的隧道涌水驅動溴化鋰吸收式制冷循環;當熱源溫度在60～75 ℃時,可以采用2級溴化鋰吸收式制冷循環; 當熱源溫度在75 ℃以上時,可以采用單效溴化鋰吸收式制冷循環。

2)提高蒸發溫度,能夠在降低熱源溫度的同時提高COP,故提高蒸發溫度可以利用更大溫度范圍的隧道涌水。通過模擬結果發現,當蒸發溫度提高到15 ℃時,50 ℃左右的隧道涌水可以作為熱源驅動溴化鋰吸收式制冷循環;當隧道涌水溫度在50～63 ℃時,可以采用2級溴化鋰吸收式制冷循環;當隧道涌水溫度在63 ℃以上,可以采用單效溴化鋰吸收式制冷循環。

3)當冷凝溫度降低,性能系數提高,較低的熱源溫度在冷卻條件良好時性能占優,這表明降低冷凝溫度能使制冷循環在更低溫度的隧道涌水下啟動,但隨著冷凝及吸收溫度的提高,性能系數下降更明顯;而高熱源溫度可以在更大的冷凝溫度范圍內運行。

4)調研國內外出現高溫涌水的隧道并根據本文計算結果匹配對應的吸收式制冷循環形式。尼格隧道和桑竹嶺隧道可考慮采用單效循環形式,其余可考慮采用2級循環形式。

下一步將結合隧道實際施工情況,分析使用隧道涌水作為吸收式制冷循環熱源所能達到的制冷效果及經濟效益等。同時,將研究更多降低所需熱源水溫度的方式,以利用更大溫度范圍的隧道涌水。