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      無分凝器的氨水吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)研究

      2012-07-19 01:52王安光孫文哲
      綠色科技 2012年3期
      關鍵詞:吸收式精餾塔制冷機

      王安光,孫文哲

      (上海海事大學 商船學院,上海201306)

      1 引言

      自從1859年法國Ferdinand Carre發(fā)明了氨/水工質(zhì)對吸收式制冷機[1],人們對氨水吸收式制冷系統(tǒng)的研究和改進就從未停止過。R.M.Lazzarin對Arkla公司生產(chǎn)的一臺風冷式氨水制冷機組進行了性能研究;Adewusi和Zubair應用熱力學第二定律研究了當某些設計參數(shù)發(fā)生改變時,單級式和雙級式氨水吸收式制冷系統(tǒng)的性能。在我國,東南大學的楊思文從理論上研究了氨水吸收式制冷系統(tǒng)的性能,系統(tǒng)地闡述了氨水吸收式制冷機的基礎和設計。北京化工大學的武向紅對單級氨水吸收式制冷循環(huán)進行了模擬計算分析。在此基礎上,本文對一種無分凝器的氨水吸收式制冷循環(huán)進行模擬計算分析[2~8],并與常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)進行對比。

      2 系統(tǒng)結(jié)構及循環(huán)流程簡介

      圖1為常規(guī)循環(huán)系統(tǒng),其工作原理及流程顯而易見。圖2為無分凝器循環(huán)系統(tǒng),其工作原理及流程為:由吸收器流出的濃氨水溶液經(jīng)溶液泵加壓,流經(jīng)溶液熱交換器與來自發(fā)生器的稀氨水溶液換熱后,與精餾段流下的氨水溶液一起流入發(fā)生器,在此過程中與發(fā)生器中溶液蒸發(fā)出來的蒸汽接觸,進行熱質(zhì)交換,使得溶液中氨濃度逐漸降低,而上升蒸汽中的氨濃度逐漸升高。經(jīng)過與來自氣液分離器的低溫氨水溶液進行熱質(zhì)交換,溫度繼續(xù)降低,由于壓力不變,精餾塔頂部氨蒸汽的濃度逐漸升高,這樣,既達到了精餾的目的,又回收了精餾熱,且避免了外界溫度變化對精餾塔內(nèi)部溫度的影響,系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性大大提高。由精餾塔流出的氨蒸汽在冷凝器中冷凝為飽和液體,經(jīng)過冷器實現(xiàn)過冷,增加了制冷量;后流經(jīng)節(jié)流閥進入蒸發(fā)器。由蒸發(fā)器流出的氨水溶液的兩相混合物在氣液分離器中分離,溶液由溶液泵加壓輸送至精餾塔,蒸汽混合物流經(jīng)過冷器,在吸收器中被來自精餾塔的稀氨水溶液吸收,以此完成循環(huán)。

      圖1 常規(guī)單級氨水吸收式制冷循環(huán)

      圖2 無分凝器的氨水吸收式制冷循環(huán)

      3 條件假設

      為對系統(tǒng)進行分析,設定及假設以下條件:設定制冷量為1 000kW;冷卻水溫度32℃;制冷溫度-23℃;熱源為th=150℃的飽和蒸汽;發(fā)生過程中參與發(fā)生的溶液濃度不發(fā)生變化;從發(fā)生器中流出的稀溶液濃度不發(fā)生變化,并處于飽和狀態(tài);冷凝器出口氨液處于飽和態(tài);蒸發(fā)溫度滑移取2℃;溶液熱交換器效率取95%,不考慮溶液泵的能耗。

      4 數(shù)學模型

      根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒建立各部件的熱力學模型。無分凝器循環(huán)系統(tǒng)中:

      精餾塔:

      冷凝器:

      過冷器:

      節(jié)流閥:

      蒸發(fā)器:

      吸收器:

      溶液熱交換器:

      性能系數(shù):

      蒸發(fā)器排液比:

      常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)與上述方法相同。

      5 模擬計算

      用C++軟件編程,通過調(diào)用氨水溶液物性參數(shù)計算程序“NH3H2O.h”,計算各狀態(tài)點物性參數(shù),進而計算系統(tǒng)中各部件的負荷和COP。結(jié)果見表1,2。

      表1 各狀態(tài)點參數(shù)模擬計算結(jié)果

      表2 各部件負荷計算結(jié)果 kW

      6 兩種循環(huán)系統(tǒng)的比較

      (1)在發(fā)生溫度為150℃,冷卻水進口溫度32℃,蒸發(fā)溫度為-23℃工況下,常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)COP為0.345,無分凝器循環(huán)系統(tǒng)COP為0.328比前者低約4.9%,冷凝器負荷明顯增加,發(fā)生器和吸收器熱負荷略有增加。

      (2)從系統(tǒng)的經(jīng)濟性方面考慮,無分凝器循環(huán)略遜一籌,但從系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性方面考慮,常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)則比較遜色。與常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)相比,無分凝器循環(huán)系統(tǒng)精餾所需的冷量完全由蒸發(fā)器排液提供,這樣,既簡化了冷卻水系統(tǒng)和控制系統(tǒng),又回收了精餾熱,且避免了外界溫度變化對精餾塔內(nèi)部溫度的影響,系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性大大提高。

      [1]尉遲斌,盧世勛,周祖毅.實用制冷與空調(diào)工程手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

      [2]Schulz S.equations of state for the system ammonia-water for use with computers[J].Progress in Refrigeration Science and Technology,1973(2):431~436.

      [3]H T Chua,H K Toh,K C Ng.Thermodynamic modeling of an ammonia-water absorption chiller[J].International Journal of Refrigeration,2002(25):896~906.

      [4]Byongjoo Kima,Jongil Park.Dynamic simulation of a singleeffect ammonia-water absorption chiller[J].International Journal of Refrigeration,2007(30):535~545.

      [5]孔丁峰,柳建華.單級氨水吸收式制冷機試驗臺性能研究[J].流體機械,2010,39(5):56~62.

      [6]高田秋.吸收式制冷機[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987.

      [7]茅以惠,余國和.吸收式與蒸汽噴射式制冷機[M].北京:機械工業(yè)出版社,1985.

      [8]楊思文.氨水吸收式制冷機的基礎理論和設計[J].流體工程,1991(1):53~58.

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