蒸发吸收热交换式−吸收式制冷循环性能分析.pdf

第 37 卷 第 1 期2024 年 03 月Vol.37 No.1Mar.2024盐城工学院学报（自然科学版）Journal of Yancheng Institute of Technology(Natural Science Edition)蒸发吸收热交换式吸收式制冷循环性能分析郭晓红 1，王旭 2，李阳 3，刘春花 1 1.山东华宇工学院 能源与建筑工程学院，山东 德州 253034；2.太原学院 建筑与环境工程系，山西 太原 030032；3.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255000摘要：为了优化吸收式制冷循环性能，对一种蒸发吸收热交换式-吸收式制冷循环进行了热力学分析。选择高压冷凝温度T8和蒸发吸收热交换器出口温差TEAX为自变量，研究了TEAX与中压节流温度T12的对应关系，分析了T8对TEAX取值范围的影响；考察了循环中溶液放气范围的变化，分析了TEAX对制冷剂流量、循环制冷量和循环利用效率的影响。结果表明：当高温发生器出口温度和TEAX一定时，存在最佳T8使循环利用效率取极大值；最佳T8随TEAX增加而逐渐增大，对应的循环利用效率极大值逐渐减小。关键词：吸收式制冷；EAX循环；溴化锂；模拟；性能分析中图分类号：TB61 文献标志码：A 文章编号：1671 -5322（2024）01 -0007 -06吸收式制冷技术通常以自然存在的水或氨等为制冷剂，用于各种低品位热能利用的场合，以减少化石燃料消耗和温室气体排放。作为一种节能环保的制冷技术，越来越受到人们的重视1。为了有效利用不同温度等级的热源，人们提出 了 吸 收 式 制 冷 循 环（absorption refrigeration cycle，ARC）2技术。最基本的ARC是单效循环，驱动热源温度通常大于85，其能源利用效率为0.60.83-4。由于单效循环利用效率较低，研究人员进而提出双效循环。双效循环驱动热源温度为130160，利用效率为1.01.45-6。由于在单效循环的最高发生温度和双效循环的最低发生温度之间存在明显的热源利用空白，基于能量梯级利用原则，研究人员提出了1.n效ARC7-8。1.n效ARC的能源利用效率较单效循环高，但控制循环高效运行的难度增加，而且还存在效率较低的问题。由于循环内部参数的合理调节是循环安全高效运行的关键9，为了提高1.n效循环效率及安全性能，本文以Hong等8提出的1.n效ARC为研究对象，建立循环数学模型，并选取高压冷凝温度T8和蒸发吸收热交换器出口温差TEAX为自变量，探究其对循环性能的影响规律，为循环的优化运行控制提供理论指导。1循环流程介绍图1为文献 8 提出的蒸发吸收热交换式溴化锂ARC原理图，虚线表示蒸气流动，实线表示液体流动。由图1可知，蒸发吸收热交换式溴化锂ARC工作原理为：低压吸收器出口的稀溶液经过溶液泵1后，经热交换器1进入高温发生器；高温发生器中的稀溶液经吸热产生高压水蒸气和浓溶液，其中浓溶液经过热交换器1后经节流元件1流回低压吸收器，经吸收蒸发器产生的蒸汽后再次变为稀溶液，而高温发生器产生的高压水蒸气一部分流入低温发生器，经冷凝产生低压水蒸气后，与高压水蒸气经节流元件2降至冷凝压doi：10.16018/32-1650/n.202401002收稿日期：2023-04-25基金项目：山东省自然科学基金面上项目资助项目（ZR2020ME157）。作者简介：郭晓红（1995），女，安徽阜阳人，助教，硕士，主要研究方向为工业污染物控制及吸收式制冷技术在余热回收中的应用。通信作者：刘春花（1984），女，山东德州人，副教授，硕士，主要研究方向为新能源开发与利用。第 37 卷盐城工学院学报（自然科学版）力的另一部分汇合，进入冷凝器冷凝成饱和液体，形成制冷剂，再通过节流元件3节流至EAXE；EAXE 中的制冷剂在吸收 EAXA 中的热量后，部分液态水在EAXE中变成蒸汽，流入气液分离器进行气液分离；气液分离器分离出的气相流入高压吸收器，液相经节流元件4节流至蒸发器，经蒸发后产生的蒸汽一部分流入低压吸收器，另一部分流入EAXA；高压吸收器出口稀溶液经过溶液泵2流入热交换器2后，流进低温发生器冷却，变成浓溶液后再依次经热交换器2、热交换器3、节流元件 5，至蒸发压力后流入 EAXA；EAXA 中的浓溶液在吸收蒸发器分离出的部分水蒸气后变成稀溶液，再由溶液泵3流入热交换器3，再流进高压吸收器与经气液分离器分离出的气相在高压吸收器里汇合。图 2 为上述循环对应的温度-压力关系图。由图2可知，上述循环共有4个压力水平，分别是发生压力PHTG、冷凝压力PC、中间节流压力PEAXE、蒸发压力PE。与常规ARC循环相比，上述循环多出中间节流压力PEAXE，以对流入蒸发器的制冷剂进行预冷，提高循环性能。2数学模型2.1循环热力学模型为使循环流程简化，对图1的蒸发吸收热交换式吸收式制冷循环进行以下合理假设。（1）系统在稳态下运行；（2）忽略管道压降和向环境散热；（3）不考虑溶液泵功率，且溶液泵和节流阀均为等焓过程；（4）各发生器、吸收器出口溶液均为饱和溶液；（5）从低压吸收器和高压吸收器流出的溶液温度相等，均为40；（6）冷凝器出口为饱和液体，蒸发器出口为饱和水蒸气；（7）进入高温发生器的热源温度比流出高温发生器的溶液高10。（8）低温发生器流出溶液的温度比进入溶液的温度高10；（9）热交换器 1 冷端（流股 2 和 5）温差为10，热交换器2的冷端（流股21和24）换热温差为10，热交换器3冷端（流股25和28）换热温差为5；（10）EAXA出口溶液与EAXE出口制冷剂间温差不小于4。根据以上假设，以及能量守恒、质量守恒和组分守恒，建立方程组9为 min+mr，in-mout-mr，out=0minxin-moutxout=0minhin+mr，inhr，in-mouthout-mr，outhr，out+Q=0 ，(1)式中：m为溶液质量流量，kg/s；mr为水蒸气质量流量，kg/s；x为溶液中溴化锂质量分数，%；h为溶EAXE蒸发吸收热交换器蒸发器；EAXA蒸发吸收热交换器吸收器。图1 蒸发吸收热交换式吸收式制冷循环原理图Fig.1 Schematic diagram of evaporative absorption heat exchangeabsorption refrigeration cycleHTG高温发生器；LPA低压吸收器；LTG低温发生器；HPA高压吸收器；C冷凝器；E蒸发器。图2 蒸发吸收热交换式吸收式制冷循环的温度压力图Fig.2 Temperaturepressure diagram of evaporative absorption heat exchangeabsorption refrigeration cycle8郭晓红，等：蒸发吸收热交换式吸收式制冷循环性能分析第 1 期液比焓，kJ/kg；hr为制冷剂比焓，kJ/kg；Q为各部件换热量，kW；下标in和out表示各部件的进出口。运用式（1）建立系统主要部件的热力学模型，如表1所示。循环制冷的利用效率为循环制冷=QE/QHTG，(2)式中：QE为系统制冷量，kW；QHTG为输入系统的热量，kW。根据假设条件和表1的热力学模型，当高温发生器、冷凝器、蒸发器、低压吸收器和高压吸收器等部件出口温度一定时，循环仍然存在两个自由度，分别为高压冷凝温度T8（高温发生器出口蒸气放热冷凝为饱和水的温度）和 EAXA 与EAXE的出口温差TEAX，因为高压冷凝温度T8能直接影响高温发生器的放气范围，而TEAX则会影响EAXE与EAXA热耦合环节的传热量和低温发生器的放气范围。TEAX表达式为TEAX=T27-T13，（3）式中：T27为 EAXA 出口溶液的温度，；T13为EAXE出口气液混合物的温度，。由假设条件（10）可知，TEAX最小值为 4。由于TEAX表示部件 EAXAEAXE 的传热性能，TEAX越小，传热性能越好。因此，若TEAX减小到0，则EAXAEAXE的传热性能达到最佳。2.2模型验证为建模及分析方便，将低压吸收器出口溶液流量0.3 kg/s、高温发生器出口溶液温度130、冷凝器出口温度40、蒸发器出口温度5 等指标输入至热力学模型，并用VB软件进行热力学模拟，结果如表 2所示。模拟时，纯水的性质由REFPROP 9.010得到，LiBrH2O溶液的性质由文献 11 得到。为便于比较，将文献 8 相关数据也列入表2。由表2可知，本模型和文献 8 的最大偏差率为3.85%，平均偏差率为2.76%，这是由于纯水物性参数计算不同而形成的；模型结果与文献 8很接近，可认为所构建的数学模型是可靠的。3结果和讨论3.1蒸发吸收热交换器出口温差对中压节流温度的影响图 3为高压冷凝温度 T8分别为 76、78、80 时，中压节流温度T12（制冷剂经节流元件3节流后表1 循环主要部件热力学模型Table 1 Thermodynamic model of the main components of the cycle主要部件高温发生器低温发生器冷凝器EAXE气液分离器蒸发器低压吸收器EAXA高压吸收器控制方程 m6x6=mr，7x7+m1x1，m6=mr，7+m1，m6h6+QHTG=mr，7hr，7+m1h1 mr，7x7+m22x22=mr，8x8+m23x23+mr，30 x30，mr，7hr，7+m22h22=mr，8hr，8+m23h23+mr，30hr，30，mr，7=mr，8 mr，10hr，10=mr，11hr，11+QC，mr，10=mr，11 mr，12hr，12+QEAXE=mr，13hr，13，mr，12=mr，13 mr，13hr，13=mr，14hr，14+mr，19hr，19，mr，13=mr，14+mr，19 mr，15hr，15+QE=mr，16hr，16，mr，15=mr，16 mr，17x17+m3x3=m4x4，mr，17+m3=m4，mr，17hr，17+m3h3=m4h4+QLPA mr，18x18+m26x26=m27x27，mr，18hr，18+m26h26=m27h27+QEAXA，mr，18+m26=m27，QEAXA=QEAXE mr，19x19+m29x29=m20 x20，mr，19+m29=m20，mr，19hr，19+m29h29=m20h20+QHPA注：表中下标数字同图1。表2 模型和文献数据对比Table 2 Comparison of model and literature date序号1234高压发生温度THTG/115120125130冷凝温度TC/40蒸发温度TE/5低压吸收温度TLPA/40利用效率本文0.750.880.951.02文献 80.780.900.981.04偏差率/%3.852.223.061.929第 37 卷盐城工学院学报（自然科学版）的温度）随蒸发吸收热交换器出口温差TEAX变化的图形。由图3可知，当高压冷凝温度T8一定时，T12随TEAX的增加而逐渐呈线性减小，且TEAX每增加 1，T12约减小 0.7；同时，随着 T8增加，TEAX的取值范围逐渐增大，对应的 T12取值范围也逐渐增大，当 T8=76 时，T12的取值范围为17.920.8，当 T8增加到 80 时，T12的取值范围增大到14.421.7。3.2蒸发吸收热交换器出口温差对制冷剂流量的影响饱和制冷剂液体从冷凝器流出，经节流元件3节流后进入EAXE，一部分液态制冷剂在管侧吸热形成气体，从而形成气液混合物；该气液混合物经气液分离器分离，其气相流入高压吸收器，液相流入蒸发器进行制冷。图4为高压冷凝温度T8为78 时，制冷剂质量流量mr，30（低温发生器出口制冷剂水蒸气量）、mr，19（气液分离器气液分离后气相制冷剂的量）和高压吸收器出口饱和溶液质量百分数x20随TEAX变化的图形。由图4可知，在高压冷凝温度T8为78 时，mr，30和 mr，19均随TEAX的增大而逐渐减小，而 x20随TEAX的增大而增大。这是因为随着TEAX的增大，低温发生器与高压吸收器之间的溶液质量百分数之差逐渐减小，导致低温发生器放气范围减小，而高温发生器放气范围不变，使得mr，30和mr，19均减小；另一方面，随着TEAX的增大，T12逐渐减小，对应的压力水平 PEAXE逐渐降低，PEAXE与PHPA在相同的压力下，PHPA也降低，导致x20增大。3.3蒸发吸收热交换器出口温差对制冷量QE和利用效率的影响图 5为高压冷凝温度 T8分别为 76、78、80 时，循环制冷量QE和利用效率随TEAX变化的图形。由图5可知，当高压冷凝温度T8一定时，循环制冷量QE和利用效率均随TEAX的增加而减小，且减小趋势逐渐增大；当TEAX一定时，T8越大，QE越小，但的变化则有点复杂。这是由于高温发生器出口溶液温度T1一定时，随着T8的增加，高温发生器工作压力PHTG升高，使其放气范围减小，导致产生的水蒸气量mr，7减小，从而QHTG也减小；同时，低温发生器出口溶液饱和浓度x23随T8的增大而增大，使得低温发生器与高压吸收器的溶液质量百分数差值增大，导致产生的水蒸气mr，30增大，但由于mr，7占主导作用，故总制冷剂流量mr，11减少，使得QE减小。随着T8的进一步增加，QE减小速率增大，根据公式（2），曲线的变化由QE与QHTG减小的幅度决定，从而产生较为复杂的情形。3.4高压冷凝温度对循环利用效率的影响图6为TEAX分别为4、6、8 时，循环利用效率 随高压冷凝温度 T8变化的图形。由图 6 可知，当TEAX一定时，随T8的增加呈先增大后减小的趋势，存在一个极大值；当T8一定时，的极大值随TEAX的增加而逐渐减小；T8越高，TEAX对的影响越小。这是由于当TEAX一定时，随着T8图3 不同高压冷凝温度下TEAX对中压节流温度的影响Fig.3 Effects of TEAX on medium pressure throttle temperature at different high pressure condensation temperatures图4 TEAX对气液分离器出口制冷剂流量和高压吸收器出口溶液浓度的影响Fig.4 Effect of TEAX on refrigerant flow rate at the outlet of gasliquid separator and solution concentration at the outlet of high pressure absorber10郭晓红，等：蒸发吸收热交换式吸收式制冷循环性能分析第 1 期的增加，总制冷剂蒸汽量mr，11减少，导致QE和QHTG均减小，但QE减小速率较慢，使得呈增加趋势；但随着T8的进一步提高，QE减小速率增大，当它超过QHTG减小速率时，转为下降趋势，从而使得存在极大值，该极大值即为高温发生器出口温度T1和TEAX一定时，循环所能取到的最大利用效率。当TEAX增大时，从EAXA进入EAXE的热量减少，导致EAXAEAXE内部换热效果逐渐减弱，极大值也逐渐减小。在本文设计工况下，当高温发生器出口温度为130，TEAX为4、6、8 时，对应的最佳高压冷凝温度T8分别为76、76.5、77.5，对应的极大值分别为0.983、0.950和0.910。4结论通过对蒸发吸收热交换式-吸收式制冷循环的模拟，分析了高压冷凝温度 T8和部件 EAXAEAXE出口温差TEAX对循环性能的影响，得出如下结论。（1）TEAX与中压节流温度T12一一对应，以保证循环稳定运行。（2）TEAX越小，EAXAEAXE传热性能越好，循环利用效率越高，因此可通过降低TEAX来提高循环性能。（3）当高温发生器出口温度一定时，随着T8的增加，高温发生器放气范围减小，产生制冷剂蒸汽量减小，使得循环的总预冷量QEAXE、制冷量QE和利用效率均随T8的增加而逐渐减小。（4）当高温发生器出口温度和TEAX一定时，存在一个最佳的T8使循环利用效率取得极大值，该最佳T8随TEAX的增加而逐渐增大，对应的利用效率极大值则逐渐减小；T8越大时，对利用效率的影响越弱。因此在系统设计中应注意T8与TEAX的匹配，使循环性能达到最优。参考文献：1 AYOU D S，CORONAS A.New developments and progress in absorption chillers for solar cooling applications J.Applied Sciences，2020，10（12）：4073.2 张柯，马海晶，孙红磊，等.基于方差分析法对变效溴化锂吸收式制冷循环的参数评估 J.制冷学报，2022，43a 制冷量QEb 利用效率图5 不同高压冷凝温度下TEAX对QE和的影响Fig.5 Effects of TEAX on QE and at different high pressure condensing temperature图6 不同的EAXAEAXE出口温差下高压冷凝温度T8对的影响Fig.6 Effects of high pressure condensing temperature T8 on at different EAXAEAXE outlet temperature difference11第 37 卷盐城工学院学报（自然科学版）（4）：137-144.3 ALOBAID M，HUGHES B，CALAUTIT J K，et al.A review of solar driven absorption cooling with photovoltaic thermal systems J.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2017，76：728-742.4 KHAN M S A，BADAR A W，TALHA T，et al.Configuration based modeling and performance analysis of single effect solar absorption cooling system in TRNSYS J.Energy Conversion and Management，2018，157：351-363.5 ALAHMER A，AJIB S.Solar cooling technologies：state of art and perspectives J.Energy Conversion and Management，2020，214：112896.6 BAGHERI B S，SHIRMOHAMMADIR，MAHMOUDIS M S，et al.Optimization and comprehensive exergy-based analyses of a parallel flow double-effect water-lithium bromide absorption refrigeration system J.Applied Thermal Engineering，2019，152：643-653.7 WANG J Z，ZHENG D X.Performance of one and a half-effect absorption cooling cycle of 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Shanxi 030032，China；3.School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo Shandong 255000，ChinaAbstract:In order to optimize the performance of absorption refrigeration cycle,a thermodynamic analysis is carried out on an evaporative absorption heat exchange-absorption refrigeration cycle.The high pressure condenser temperature T8 and the temperature difference TEAX in the outlet of evaporative absorption heat exchanger were chosen as independent variables.The corresponding relationship between TEAX and medium pressure throttling temperature T12 is studied,and the influence of T8 on the value range of TEAX is analyzed.The change of solution degassing range in the cycle was investigated,and the influence of TEAX on refrigerant flow,cycle cooling capacity QE and was analyzed.When the outlet temperature of the high temperature generator and TEAX are constant,there is an optimal T8 to maximize the cycle.With the increase of TEAX,the optimal T8 increases gradually,and the corresponding maximum decreases gradually.Keywords：absorption refrigeration；EAX cycle；lithium bromide；imitate；performance analysis（责任编辑：李华云）12