氨水吸收-噴射復合制冷循環的性能分析

許健勇，杜塏，江巍雪，馬昕宇

（東南大學能源與環境學院，江蘇南京210096）

0 引言

當代的能源危機和環境污染促進了對清潔能源的開發和低品位能源的再利用。太陽能作為一種天然能源，具有長遠的研究和應用價值[1-5]。吸收式制冷具有直接利用太陽能或廢氣廢熱等低品位熱源就能驅動、對環境友好等優點。研究如何高效利用工業余熱、太陽能，對加快CFCs工質替代進程、節約能源具有重要的意義[6]。氨水吸收式制冷系統相比溴化鋰吸收式制冷系統，可用于0 ℃以下的普通制冷場合，因而具有更廣泛的應用空間。但氨水吸收式制冷系統的性能系數隨著驅動熱源溫度的降低而降低，甚至于無法實現循環，特別在常見的太陽能集熱器集熱溫度不超過100 ℃的條件下[7]，其應用受到一定的限制。

通過分析常規單級氨水吸收式制冷循環可知，在給定的制冷溫度和環境溫度下，為保證循環具有一定的性能系數，發生溫度必須要達到一定品位的要求。這是因為氨水吸收式制冷循環系統必須使得發生終了的氨水溶液濃度要比吸收終了的氨水濃度小于一定的數值，此差值稱之為系統放氣范圍。通常情況下，系統放氣范圍越大，系統的性能系數也越高。由分析可知：在一定熱源溫度下，發生終了的飽和氨水濃度主要受發生壓力即冷凝壓力（不考慮設備間的流動阻力）的影響，該濃度隨冷凝壓力的提高而增大，放氣范圍隨之減??；在給定的環境溫度條件下，發生終了的飽和氨水濃度主要受熱源溫度的影響，該濃度隨熱源溫度的降低而增濃，放氣范圍隨之減小。因此，發生終了的飽和氨水濃度是發生溫度和發生壓力二元函數。在給定的冷卻水溫度條件下，驅動熱源溫度降低，發生終了飽和氨水濃度升高，進而使得系統放氣范圍減小，當放氣范圍減小到一定值后，系統性能系數無法得到保證，甚至于循環無法實現。

為了解決上述問題，本文提出一種利用低品位熱能驅動的氨水吸收-噴射復合制冷系統，使發生器的壓力不直接取決于冷凝壓力，而利用低品位熱源加熱經過泵加壓的冷凝氨液，使之汽化成高壓飽和蒸汽作為噴射器的工作蒸汽，利用噴射器引射發生器產生的氨蒸汽提升壓力排至冷凝器冷凝。這樣使得發生器工作壓力降低，因此發生終了的氨水濃度降低，系統放氣范圍得以提高，從而使得氨水吸收式制冷循環能在更低的熱源溫度下運行。本文在構建氨水吸收-噴射復合制冷循環的基礎上，闡述了其工作原理，通過模擬計算，對新循環和常規單級氨水吸收式制冷循環驅動熱源溫度作了對比分析。最后計算分析了新循環性能系數隨熱源溫度、制冷溫度和冷卻水溫度變化規律。

1 系統構建

系統的循環如圖1所示，蒸發器（A）的氨蒸汽經過冷器（B）進入吸收器（C），從低壓發生器（E）出來的低濃度氨溶液與從吸收器出來的高濃度氨溶液在溶液熱交換器（D）中進行熱交換，最后進入吸收器。儲液器（K）中的氨液一路經過溶液泵（L）升壓進入高壓發生器（H）中，吸收低品位熱汽化得到的高壓氨蒸汽作為噴射器（I）的工作蒸汽，將精餾塔（F）塔頂出來的低壓氨蒸汽引射升壓排至冷凝器（J）中，另一路經過冷器和節流閥進入蒸發器（A）中。系統循環各狀態點在焓-濃（h-x）圖上表示如圖2(a)；近似為純氨部分（假設精餾塔出口氨蒸汽濃度為100%）的工作循環各狀態點在壓-焓（P-h）圖上的表示如圖2(b)。

圖1 設計系統循環圖

圖2 循環圖各狀態點

2 系統模擬計算與分析

2.1 模擬計算條件設定

1）常見太陽能集熱器集熱溫度不超過100 ℃[7]，模擬計算取高低壓發生器的熱源溫度≤100 ℃；

2）節流閥前氨液取過冷度8 ℃，精餾塔頂部出口氨蒸汽的溫度與冷卻水進口溫度差為8 ℃；

3）近似認為精餾塔出口制冷劑氨的濃度為100%，且流量設為1 kg/s，系統以單位制冷劑質量計算；

4）取噴射器工作蒸汽壓力為熱源溫度下純氨飽和壓力，取噴射器出口與引射蒸汽進口壓力比（稱為噴射器壓縮比）為2，噴射器膨脹比（工作蒸汽進口與引射蒸汽進口壓力比值）隨之而定；通過對噴射系數的研究[8-12]以及氨制冷劑在噴射式制冷中的應用研究[13-17]內容可推斷，噴射系數在壓縮比為2以及膨脹比值在范圍為5～10內，近似按線性變換取值為0.25～0.60；

5）溶液熱交換器的換熱效率為0.95；

6）蒸發終了、吸收終了、發生終了、冷凝終了的狀態均為飽和狀態；

7）忽略系統各部件以及循環管路的壓降和漏熱。

2.2 模擬計算方法

根據模擬計算設定的條件，按照循環確定計算各部件熱負荷所需的狀態點參數，利用EES計算軟件模擬新循環和常規單級氨水吸收式制冷循環在相同工況條件下所需熱源溫度的比較，以及熱源溫度（th）、制冷溫度（t0）、冷卻水溫度（tw）變化對新系統循環性能系數（Coefficient of Performance，COP）和溶液循環倍率（f）的影響。

性能系數：

式中：

q0—蒸發器制冷量，kW；

qL—低壓發生器熱負荷，kW；

qG—高壓發生器熱負荷，kW；

wL—溶液泵L的功耗，kW；

wM—溶液泵M的功耗，kW；

μ—熱電轉換效率，本文取0.35。

模擬計算程序框圖如圖3所示。

2.3 模擬計算結果和分析

2.3.1 新循環和常規循環對比分析

圖4顯示了在t0=-6 ℃、tw=25 ℃時，在同樣的放氣范圍（xf）內，新循環（在上述噴射器設定工況條件下）和常規單級氨水吸收式制冷循環所需的熱源溫度值的變化關系。隨著放氣范圍的增大，所需的熱源溫度都呈線性升高趨勢。當放氣范圍區間從0.1增加到0.193，新循環的熱源溫度從75 ℃增加至95 ℃，而常規循環的熱源溫度則從102.7 ℃增加至124 ℃，兩者平均溫差在28 ℃。這說明新循環在滿足放氣要求情況下，可以大幅降低所必需的熱源溫度值。

圖3 模擬計算程序框圖

圖4 新循環和常規循環所需的熱源溫度值（t0=-6 ℃，tw=25 ℃）

圖5顯示了在放氣范圍xf= 0.06時，新循環和常規單級氨水吸收式制冷循環在不同制冷溫度下運行所需要的最低熱源溫度。當系統的放氣范圍小于一定值或者為負值時，則系統不能循環工作，通常將放氣范圍等于0.06作為滿足系統設計要求的臨界值。隨著制冷溫度升高，兩者所需要的最低熱源溫度都呈降低趨勢。因為蒸發壓力隨著制冷溫度升高而增大，在給定冷卻水溫度下，吸收終了的氨水濃度提高；在保證最低放氣范圍條件下，發生終了的氨水濃度也隨之增大，而發生壓力因冷凝壓力確定而不變，所以熱源溫度逐漸降低。當tw=25 ℃、t0=-15 ℃時，th=79.84 ℃，可推斷出利用太陽能驅動新循環，可以達到更低的制冷溫度。所以新循環適合在低熱源溫度下工作，而且制冷區間相對比較大。

新循環相比常規單級氨水吸收式制冷循環在系統部件方面只多了溶液泵、高壓發生器和噴射器，在沒有增加制冷循環復雜程度的前提下，大大降低了制冷循環運行所需的熱源溫度。更重要的是解決了當熱源溫度低到一定值后，常規單級氨水吸收式制冷循環無法工作的問題。

圖5 不同制冷溫度所需要的最低熱源溫度（xf = 0.06）

2.3.2 熱源溫度的影響

圖6顯示了在t0=-5 ℃時，系統循環性能系數COP和溶液循環倍率隨熱源溫度th的變化規律。從圖中可以看出，隨著熱源溫度的升高，COP值逐漸增大。這是因為在相同冷卻水溫度下，噴射器的排出壓力就確定了，低壓發生器壓力也就確定不變，隨著熱源溫度升高，發生終了的氨水濃度降低，進而溶液循環倍率降低（圖中溶液循環倍率的走勢也可以反映出來），低壓發生器的熱負荷減??；同時熱源溫度的升高提高了純氨的飽和壓力，即噴射器的工作蒸汽壓增大了，噴射系數隨著膨脹比的增大而提高，完成單位流量低壓氨蒸汽的引射所需的高壓氨蒸汽流量減小，則高壓發生器的熱負荷也有減小，所以系統循環性能系數提高。

2.3.3 制冷溫度的影響

圖7顯示了在tw=25 ℃時，制冷溫度對系統循環性能系數和溶液循環倍率的影響，從圖中可以看出，隨著制冷溫度的升高，COP值隨之增大，溶液循環倍率隨之減小。當冷卻水溫度一定，制冷溫度升高時，從壓-焓圖上得到氨制冷劑蒸發始末狀態點的焓差增大，則單位制冷量增大。同時蒸發壓力的增加提高了吸收終了的氨水濃度，降低了溶液循環倍率，減小了低壓發生器的熱負荷；在一定熱源溫度和冷卻水溫度下，氨的飽和壓力和冷凝壓力不變，即確定了壓縮比和膨脹比，噴射系數也隨之確定，高壓發生器的熱負荷不變，所以COP值增大。

圖6 循環性能系數COP和溶液循環倍率f隨熱源溫度th的變化（t0=-5 ℃）

圖7 循環性能系數COP和溶液循環倍率f隨制冷溫度t0的變化（tw=25 ℃）

2.3.4 冷卻水溫度的影響

圖8顯示了在t0為-5 ℃時，COP值隨冷卻水溫度的升高而減小，溶液循環倍率隨冷卻水溫度升高而增大。當制冷溫度一定，冷卻水溫度升高時，從壓-焓圖上得到氨制冷劑蒸發始末狀態點的焓差減小，則單位制冷量降低。隨著冷凝壓力的升高，低壓發生器的壓力隨之增大，則發生終了的氨水濃度提高，溶液循環倍率增大，低壓發生器的熱負荷增大；同一熱源溫度，純氨的飽和壓力不變，則噴射器的工作蒸汽壓一定，膨脹比隨著低壓發生壓力的增大而減小，噴射系數隨之減小，完成單位流量低壓氨蒸汽的引射所需的高壓氨蒸汽流量增大，高壓發生器的熱負荷增加，所以COP值減小。

圖8 循環性能系數COP和溶液循環倍率f隨冷卻水溫度tw的變化（t0=-5 ℃）

3 結論

1）本文通過模擬計算和分析熱源溫度、制冷溫度、冷卻水溫度對新循環性能的影響，得到熱源溫度和冷卻水溫度對新循環性能系數的影響更為明顯，因為其變化同時影響高壓和低壓發生器熱負荷。通過在相同的放氣范圍內對比新循環和常規單級氨水吸收式制冷循環所需的熱源溫度，得到兩者的溫差比較大，新循環更適合在較低的熱源溫度下工作。當tw=25 ℃、t0=-15 ℃，xf=0.06時，th=79.84 ℃，推斷出利用太陽能驅動新循環，可以達到更低的制冷溫度，制冷區間相對較大，這對利用太陽能驅動新循環運行具有重要的意義。

2）新循環中噴射器的噴射系數主要受壓縮比和膨脹比的影響，當壓縮比較小時，可以獲得較高的噴射系數，而當壓縮比較高時，噴射系數往往較低，即便提高膨脹比，噴射系數提高也不明顯。在給定熱源溫度下，若降低低壓發生器壓力，則有利于提高放氣范圍，降低溶液循環倍率；若保證一定放氣范圍，則降低低壓發生器壓力可以降低熱源溫度，但是會增大壓縮比，不利于氣體引射；而若降低壓縮比，在給定冷卻水溫度下，則會提高低壓發生器壓力，對熱源溫度的需求更高，系統改進也逐漸失去了意義。綜合考慮后，本文選取了合適的壓縮比對循環進行研究，在研究的工況范圍內，噴射系數主要影響高壓發生器的熱負荷。結果顯示，高壓發生器的熱負荷對系統性能系數的影響不可忽視。

3）目前針對噴射器的理論研究還不成熟，而噴射器對于本循環系統的影響不可忽視。雖然在模擬計算過程中，結合文獻采用了相對合理的估值，但其對于本系統的影響以及本循環系統的實際運行效果仍需要進一步研究。

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