低温热源驱动的单效／三段（SE／TS）吸收式制冷循环

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中图分类号： TH137；TIC511 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.08.013SE/TS Absorption Refrigeration Cycle Driven by Low Temperature Heat ResourcesYAO Yuan ，TIAN Yong-jun ，WANG Xian-long '(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion，CAS，Guangzhou 5 10640，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate，CAS，Guangzhou 5 10640，China)Abstract： A new type of absorption refrigeration cycle(Single-Effect/Three-stage Absorption Cycle)has been developed.Therefrigeration unit structure principle and thermodynamic cycle was described in detail，and based on the heat balance of the equip-ment are deduced formulas of heating load.By means of computer proam simulation，the new cycle has been analysed about re-frigerating perform ance compared with single·efect circulation.Th e results show that，in the condition of the same heat source tern-perature(<80C)，using SE/TS refrigeration cycle，compared with the SE cycle，the refrigeration，coeficient of performance in-creased，cooling water consumption decreased。

Key words： low temperature heat source；single-efect；perform ance analysis1 前言目前热水型溴化锂吸收式制冷机-般都是采用单效循环，单效循环对于热水温度较高的应用诚是比较合适的。在实际应用中，热水出口温度-般在 80℃以上才可获得较高 COP。因为当热水出口温度过低时(如 80℃以下)，发生终了的溴化锂溶液浓度不高，受吸收器冷却水温的限制，收稿日期： 2013-0l-22基金项目： 国家科技支撑计划项目(2012BAB12B00)在冷剂蒸汽压力不可能提高的客观条件下，造成吸收过程难以进行 。

对于大量存在的低于80C的热水如何利用，采用何种制冷循环比较合适-直是吸收式制冷领域研究和关注的问题。目前应用较多的技术方案是采用两级吸收式制冷循环。两级吸收式制冷机组采用2个发生器和 2个吸收器，分成高压低浓度溶液循环和低压高浓度溶液循环，其中间压力2013年第 41卷第 8期 流 体 机 械 59不受外界参数影响，既作为高压侧的吸收压力，又作为低压侧的冷凝压力。两级机组虽然可以利用低温热水，但热力系数 COP太低，仅为0.35左右，设备成本也大大增加。由于上述成本效益的原因，企业大多仍然采用 COP较高的单效吸收式制冷循环。但这种制冷循环由于外界客观条件的限制，可利用的热源水温度不能太低。本文提出- 种新型吸收式制冷循环--单效三段(SE/TS)吸收式循环，详细阐述该循环制冷机组的结构原理、热力循环，并根据热平衡推导出各设备热负荷计算式。通过计算机程序模拟计算，与单效循环机组进行制冷性能的对比分析。

2 单效/三段吸收式制冷循环单效/三段吸收式制冷机组的结构如图 1所示，循环原理如图2所示，其中的数字表示冷却水、冷冻水、热源水、溴化锂溶液在循环中的状态点。

A1～A3.吸收器，E1-E3.蒸发器图 1 单效/三段吸收式制冷机组结构示意图2 单效/三段吸收式制冷机组原理2.1 溴化锂溶液回路从吸收器 A1出来的稀溶液(状态点 2)在溶液泵的输送下进入溶液换热器 HE，与来 自发生器的高温浓溶液换热升温后(状态点 7)，进入发生器喷淋，热源水(状态点 13)进入发生器加热稀溶液后流出(状态点 14)，稀溶液被加热后在饱和压力 下发生出水蒸汽。因发生过程中溶液的温度和质量分数不断变化，发生出的冷剂蒸汽的温度也不断变化。与发生过程开始(状态点5)和终了(状态点4)相对应的冷剂蒸汽分别为状态点5 和状态点 4 。为简化起见，通常取平均温度 t作为发生出来的冷剂蒸汽的温度，因此状态点 3表示了P 压力下发生器发生出来的冷剂蒸汽状态。稀溶液发生完毕后变成浓溶液，流出发生器(状态点4)，进入溶液换热器，与来 自吸收器 A1的低温稀溶液换热降温后(状态点 8)，进入吸收器 A3降温(状态点6)后在-定饱和蒸汽压力下开始吸收水蒸气，A3中的饱和蒸汽压力由蒸发器E3的蒸发压力确定。浓溶液流出 A3后，浓度降低(状态点 9)，进入下-级吸收器 A2(状态点9 )，A2的冷却水水温较 Al低，浓溶液可继续吸收 A2中的水蒸气 ，溶液浓度进-步降低(状态点10)，A2中的饱和蒸汽压力由蒸发器 E2的蒸发压力确定。同理，浓溶液流出A2后，可继续在A1(状态点l0 )中吸收水蒸气，流出A1后浓度降低至最小(状态点 2)。由此即形成了2-7-5-4- 8-6-9-9 -10-10 -2的-个相对封闭的溶液循环回路。

2.2 冷剂水回路从发生器发生出来的水蒸气(状态点 3 )进入冷凝器后被冷却水冷却成液态(状态点 3)流出，分别进入蒸发器 E3，蒸发器 E2和蒸发器 E1，在 3个蒸发器中吸收冷冻水的热量后分别蒸发出水蒸气(状态点 1a ，状态点 lb ，状态点 1c ，)，不同状态的水蒸气进入相对应的吸收器。在蒸发器中没有被蒸发的冷剂水分别变成状态点 1a，1b和 1c，进人冷剂水泵再循环喷淋。

2.3 热源水回路热源水(状态点 13)进入发生器加热稀溶液后流出(状态点 l4)。

2.4 冷却水回路冷却水可选择串联或并联进入系统，如果选择串联形式，则可以节省冷却水量，同时亦节省泵功，但因为发生器的热源温度偏低，发生出的浓溶60 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.8，2013液浓度不高，吸收器必须在低温度下进行吸收，才能保证 3个吸收器与发生器的溴化锂溶液回路始终保持浓度差。因此本文采用冷却水并联方式进入冷凝器和 3个吸收器▲入冷凝器的冷却水的状态变化过程是 11-12，并联进人 3个吸收器的冷却水的状态变化过程也是 11-12。

2.5 冷媒水回路冷媒水串联依次进入蒸发器 El，蒸发器 E2和蒸发器 E3，冷剂水蒸发时从冷媒水吸收热量，使冷媒水在回路中不断降温，其状态变化过程是15-16-17-183 循环热负荷计算图 3示出根据该循环中吸收剂(溴化锂溶液)和制冷剂的状态点参数绘制的焓 -浓度图。

其中发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和溶液热交换器的热负荷可分别根据各自的热平衡求出。

435lalb1c3Ialllc质量分数图 3 循环 的熔-浓度 图3.1 发生器设进入发生器的稀溶液流量为 G ，质量分数为 。，比焓 h ，设热源水的加热量为 Q ，离开发生器的冷剂蒸汽量为D，比焓为h 。流出发生器的浓溶液量是(G -D)，质量分数和比焓分别为 ，和 h 。在稳定工况下，发生器的热平衡方程为：Q G。h7Dh3(G -D)h4令 G。/D0，Q /Dq ，则上式可改写为：q ：h3 (8-1)h4-0 73.2 冷凝器进入冷凝器的冷剂蒸汽量为 D，比焓 h ，它在冷凝器中被管内冷却水冷却凝结，流出后变为冷剂水，比焓为h，，设冷却水带走的热量为 ，从冷凝器中流出的冷剂水量为D，比焓为 h 。因此，进入冷凝器的热流量为Dh 。在稳定工况下，冷凝器的热平衡方程为：Q Dh3：Dh3令 Q /Dq ，则上式可改写为：q h3 -h33.3 蒸发器进入 E3蒸发器的冷剂水比焓为 h ，流量为D/3(冷剂水并联流出，分别进人 E3，E2，E1)，在蒸发器中被管内冷水加热而蒸发。设冷水放出的热流量为 Q 从蒸发器流出的冷剂蒸汽量为 D/3，(因冷剂水的再循环喷淋属于内部过程，不影响设备的热平衡，此处按冷剂水全部蒸发简化计算)比焓为h f O在稳定工况下，蒸发器 E3的热平衡方程为：Q。 (D/3)h3(D/3)h1令 Q /(D/3)q。，，则上式可改写为：q 3hl。 -h3同理，可推出蒸发器 E2、蒸发器 E1的单位热负荷 q。2hl6 h3，q。1hit"-h33.4 吸 收 器进入 A3吸收器的冷剂蒸汽比焓为 h， 流量为 D/3，在吸收器中被来 自溶液热交换器的浓溶液所吸收，浓溶液的流量为(G。-D)，比焓为 h 。

浓溶液被冷却水冷却，冷却水带走的热量设为，，即为A3吸收器的热负荷。浓溶液吸收冷剂蒸汽后成为稀溶液，流量为G -2D/3，比焓为h。。

在稳定工况下，A3吸收器的热平衡方程为：Qn3(G。-2D/3)h9 (D/3)h1。 (G -D)h8令 Q。 /(D/3)q 则上式可改写为：q 3h1。 3(口-1)h8-(3口-2)h9同理，可推出 A2吸收器、A1吸收器的单位热负荷分别为：q 2hl6 (3a-2)h9-(3a-1)h10q 1hie"(3a-1)hl0-3ah23.5 溶液热交换器在溶液热交换器中有两路溶液，-路是来自Al吸收器的稀溶液，流量为 G。，比焓为 h ，流出时比焓为 h，，另-路来 自发生器的浓溶液，流量为(G。-D)，比焓为 h ，流出时比焓为 h 。溶液热交换器的热负荷 Q 在稳定工况下，根据热平衡原理可分别用浓溶液侧和稀溶液侧的换热量表示 ：浓溶液侧：2013年第 41卷第 8期 流 体 机 械 61Q (G。-D)(h -h )稀溶液侧：Q G。(h -h2)令 Q /Dq ，则有：q (Ⅱ-1)(h -h8)q 口(h7-h2)4 循环特性对比分析本文根据单效吸收式制冷循环与单效/三段吸收式制冷循环的热平衡方程编辑计算机程序，对不同工况下的2种制冷循环的状态点参数进行数值模拟计算。根据模拟计算的结果，对采用上述两种循环的溴化锂机组运行参数的变化关系进行对比分析。本模拟计算设定的标准工况参数为：制冷量为 100kW，热水进 出口温度为 75～65℃，冷却水进出口温度为 28～33C，冷媒水进出口温度为 l6-10℃。

2种循环机组的设计参数均按上述给定值计算确定，下述对机组性能的对比分析均按此设计参数的变工况进行模拟计算。

4.1 制冷量与冷却水量的变化关系单效制冷机的冷凝器与吸收器为并联，各有- 路，单效三段吸收制冷机的 3个吸收器和 1个冷凝器各有 1个冷却水回路，也是并联。在模拟计算中，按制冷量从 50kW到 120kW，每 10kW设定-个工况，求出在该工况下的冷却水消耗总量。

宴咖l程 嚣Q050 90 130制冷量(kW)图 4 冷却水消耗量 的变 化由图4可以看出，2条曲线的变化轨迹基本相同，单效三段循环在同-制冷量 的工况下，所消耗的冷却水总量 比单效循环略少，制冷量越高，差值越大。这是因为虽然单效三段吸收式循环并联的冷却水回路多，但每段管路长度短，在保持同样温差的情况下所需的流量校4.2 制冷量与热水进 口温度的变化关系热源进口温度对溴化锂吸收式制冷机组的制冷性能有相当大的影响。-般来说，当加热热源温度减小时，发生器出口处的溴化锂浓溶液温度降低 ，使得生成的冷剂蒸气量减少，浓溶液浓度降低，放气范围减小，制冷量会随之减校对低温热水驱动的单效溴化锂机组来说，机组制冷量对热水进口温度尤其敏感。作者按热水进口温度 75- 67℃，依次降低 1℃，共8个工况点计算来该循环的制冷量，以此模拟机组制冷量随热水进口温度的变化而改变的情况，结果如图5所示。

l1O倒 70Q船 3067 72 7 7热水进 口温度(℃)图5 制冷量随热水进口温度的变化由图可以看出，单效循环和单效三段吸收循环的制冷量 都是随着热水进 口温度 的降低而降低，越接近低温，曲线斜率越大，说明随着热源进口温度的越来越低，2种循环的制冷量都急剧衰减，变化趋势基本相 同。在 相同的情况下，单效三段吸收循环获得的制冷量略高于单效循环， 越低，差值越高，说明在低温工况下，单效三段吸收循环的制冷性能优于单效循环。

4.3 热源进 口温度对热力 系数 COP的影响热力系数是衡量和比较机组热经济性的主要指标之-，代表了热利用效率的高低。对于单效制冷机，热力系数 COP单效Q。/Q ，即蒸发器的热负荷(制冷量)与发生器的热负荷(加热量)之比。

对于单效三段吸收式制冷机，其热力系数 coP：殷 (Q。 Q。，Q。 )/Q 。热源进口温度不仅对制冷量有重要影响，而且也是影响机组 coP的主要因素之-。作者按热水进口温度75-67℃，依次降低 1 oC，共 8个工况点来计算该循环的 coP，结果如图6所示。由图可以看出，单效循环的热力系数 coP和单效三段吸收式循环的 coP在热源进口温度降低的情况下也缓慢下降，但幅度不大，前者的变化保持在o.65～0.7范围内，后者略高，62 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.8，2013保持在 0.67～0.75之间。这是因为在同样热源进口温度下，单效三段吸收式循环所获得的制冷量略高，加热量不变的原因造成的。

0.80辍垛0.65蕞0.5O67 7l 75热水进口温度(℃)图6 热力系数随热水进口温度的变化5 结论(1)在制冷量相同时，单效三段吸收式制冷循环与单效制冷循环相比，虽然前者的冷却水回路多，但其冷却水的消耗总量要少于后者 3%左右，制冷量越大，其差值越大；(2)在热源水进口温度相同时，单效三段吸收式制冷循环与单效制冷循环相比，前者的制冷量要比后者多7%左右，热源进口温度越低，其差值越高 ；(3)在热源水进口温度相同时，单效三段吸收式制冷循环与单效制冷循环相比，前者的热力系数比后者略高 4%左右，其差值没有随温度变化而表现出-定规律。

综上所述，在利用低温热源水作为吸收式制冷机组的驱动热源时，如不考滤加工制造成本和运行控制成本的增加，单从制冷J陛能上讲，采用单效多段吸收式循环要优于单效循环。