无分凝器的氨水吸收式制冷循环系统研究

王安光，孙文哲

（上海海事大学 商船学院，上海201306）

1 引言

自从1859年法国Ferdinand Carre发明了氨/水工质对吸收式制冷机[1]，人们对氨水吸收式制冷系统的研究和改进就从未停止过。R.M.Lazzarin对Arkla公司生产的一台风冷式氨水制冷机组进行了性能研究；Adewusi和Zubair应用热力学第二定律研究了当某些设计参数发生改变时，单级式和双级式氨水吸收式制冷系统的性能。在我国，东南大学的杨思文从理论上研究了氨水吸收式制冷系统的性能，系统地阐述了氨水吸收式制冷机的基础和设计。北京化工大学的武向红对单级氨水吸收式制冷循环进行了模拟计算分析。在此基础上，本文对一种无分凝器的氨水吸收式制冷循环进行模拟计算分析[2～8]，并与常规循环系统进行对比。

2 系统结构及循环流程简介

图1为常规循环系统，其工作原理及流程显而易见。图2为无分凝器循环系统，其工作原理及流程为：由吸收器流出的浓氨水溶液经溶液泵加压，流经溶液热交换器与来自发生器的稀氨水溶液换热后，与精馏段流下的氨水溶液一起流入发生器，在此过程中与发生器中溶液蒸发出来的蒸汽接触，进行热质交换，使得溶液中氨浓度逐渐降低，而上升蒸汽中的氨浓度逐渐升高。经过与来自气液分离器的低温氨水溶液进行热质交换，温度继续降低，由于压力不变，精馏塔顶部氨蒸汽的浓度逐渐升高，这样，既达到了精馏的目的，又回收了精馏热，且避免了外界温度变化对精馏塔内部温度的影响，系统运行的稳定性大大提高。由精馏塔流出的氨蒸汽在冷凝器中冷凝为饱和液体，经过冷器实现过冷，增加了制冷量；后流经节流阀进入蒸发器。由蒸发器流出的氨水溶液的两相混合物在气液分离器中分离，溶液由溶液泵加压输送至精馏塔，蒸汽混合物流经过冷器，在吸收器中被来自精馏塔的稀氨水溶液吸收，以此完成循环。

图1 常规单级氨水吸收式制冷循环

图2 无分凝器的氨水吸收式制冷循环

3 条件假设

为对系统进行分析，设定及假设以下条件：设定制冷量为1 000kW；冷却水温度32℃；制冷温度－23℃；热源为th＝150℃的饱和蒸汽；发生过程中参与发生的溶液浓度不发生变化；从发生器中流出的稀溶液浓度不发生变化，并处于饱和状态；冷凝器出口氨液处于饱和态；蒸发温度滑移取2℃；溶液热交换器效率取95%，不考虑溶液泵的能耗。

4 数学模型

根据能量守恒和质量守恒建立各部件的热力学模型。无分凝器循环系统中：

精馏塔：

冷凝器：

过冷器：

节流阀：

蒸发器：

吸收器：

溶液热交换器：

性能系数：

蒸发器排液比：

常规循环系统与上述方法相同。

5 模拟计算

用C＋＋软件编程，通过调用氨水溶液物性参数计算程序“NH3H2O.h”，计算各状态点物性参数，进而计算系统中各部件的负荷和COP。结果见表1，2。

表1 各状态点参数模拟计算结果

表2 各部件负荷计算结果 kW

6 两种循环系统的比较

（1）在发生温度为150℃，冷却水进口温度32℃，蒸发温度为－23℃工况下，常规循环系统COP为0.345，无分凝器循环系统COP为0.328比前者低约4.9%，冷凝器负荷明显增加，发生器和吸收器热负荷略有增加。

（2）从系统的经济性方面考虑，无分凝器循环略逊一筹，但从系统运行的稳定性方面考虑，常规循环系统则比较逊色。与常规循环系统相比，无分凝器循环系统精馏所需的冷量完全由蒸发器排液提供，这样，既简化了冷却水系统和控制系统，又回收了精馏热，且避免了外界温度变化对精馏塔内部温度的影响，系统运行的稳定性大大提高。

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