基于GAX循环的喷射—吸收式氨水制冷循环研究

缪宝龙,孙文哲,韩笑生,段 龙,迟翠华

(上海海事大学,上海201306)

引言

随着世界经济的快速发展,人类已面临着日益严重的全球气候变暖和化石能源枯竭的威胁,节约能源、保护环境已越来越受人们的重视!因此,太阳能、地热和工业废热等低品位能源的利用已被人们所关注。而吸收式制冷,以其具有可直接利用低品位热源驱动、不使用对臭氧层有破坏作用的CFCs为工质等独特的优点,也越来越受到国际研究工作者的青睐。研究如何高效利用工业余热、太阳能和地热,采用吸收式制冷循环进行制冷,提高吸收式制冷循环的性能系数 (COP),减小制冷设备的体积,对加快CFC替代进程、节约能源具有重要的现实意义。目前最为常用的吸收式制冷系统为溴化锂吸收式制冷系统和氨水吸收式制冷系统。前者制冷温度由于受到制冷剂的限制,不能低于5℃,一般仅用于空调,后者的制冷温度范围非常大(10～-50℃),不仅可用于空调,而且更重要的是可用于0℃以下的普通制冷场合。因此,在冷冻冷藏业蓬勃发展的今天,对氨水吸收式制冷系统的研究无疑具有更加重大的意义。

1 传统吸收式制冷与喷射器的介绍

氨水吸收式制冷系统主要由四个热交换设备组成,即发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器,组成两个循环环路:制冷剂循环和吸收剂循环。它以氨水溶液的热力学特性为基础,即在常温下氨水溶液能够强烈地吸收氨蒸气,而在高温下又可以将氨蒸气释放出来,由热能驱动以实现制冷的目的。制冷剂循环,从发生器产生的高温高压氨蒸气流入冷凝器,在冷凝器中被冷却介质冷却成液态,然后经节流阀节流降压后流入蒸发器,在低压下蒸发吸热,吸取被冷却介质的热量产生制冷效果。吸收剂循环,从发生器流出的稀氨水溶液不断吸收蒸发器产生的低压氨蒸气,维持蒸发器内低压状态,稀溶液吸收氨蒸气后变成浓溶液经溶液泵升压后进入发生器,在发生器中被加热,产生氨蒸气,而剩下的稀氨水溶液返回吸收器再次吸收低压氨蒸气。

如图1所示,发生器-精馏塔包括发生器1、精馏器 (提馏段a和精馏段b)、分凝器c三部分。精馏过程如下:从吸收器流出的浓溶液由提馏段a进入精馏塔,与精馏段b流下的溶液一起沿提馏段流至发生器1,在此过程中与发生器中溶液蒸发出来的蒸气相接触,进行热、质交换,使得溶液浓度逐渐变稀,而上升蒸气的浓度逐渐变浓。产生的氨蒸气继续上升至精馏段b,与来自分凝器c的回流液进行热、质交换,浓度进一步提高,同时回流液浓度逐渐降低,最后,部分上升蒸气在精馏塔顶部的分凝器c中被冷凝成回流液后,产生比较纯的氨蒸气从塔顶排出。而在发生器-精馏塔底部则排出浓度为ξ1的稀溶液,被送入吸收器内吸收氨蒸气。

图1 氨水吸收式制冷循环流程图

从精馏塔顶排出的氨蒸气进入冷凝器4中冷凝,冷凝热 qk被冷却水带走。冷凝后的氨液在过冷器7中与来自蒸发器的氨蒸气进行热交换,成为过冷液体,再经节流阀节流,压力由冷凝压力 Pk降至蒸发压力P0,形成湿蒸气,然后进入蒸发器5吸收被冷却物体的热量 q0而蒸发,于是产生制冷效应。完成制冷后的氨蒸气在过冷器受热并进入吸收器3。同时从发生器-精馏塔底部出来的稀溶液,经过溶液热交换器6冷却和节流阀减压后,进入吸收器。稀溶液吸收氨蒸气后成为ξ2的浓溶液,经溶液泵升压,并在溶液热交换器中与来自发生器-精馏塔的稀溶液换热,最后在送入发生器-精馏塔内发生、精馏,如此进行循环。

喷射器是将不同压力的两股流体相互混合,并发生能量交换,以形成一股居中压力流体的装置。进入装置前压力高的流体叫工作流体,压力低的叫引射流体。提高引射流体的压力而不消耗机械能,这是喷射器最主要的根本性质。由于具有这种性质,在很多技术部门中,采用喷射器比采用机械的增压设备 (压缩机,泵,鼓风机,引风机等),使有可能得到更为简单可靠的技术解决办法。除了本身结构简单外,喷射器与各种设备连接的系统也很简单,制造也不复杂。这些使有可能在工程上的广泛技术领域中使用这些喷射器。

图2 喷射器的结构示意图及其中蒸汽压力和速度的变化过程

传统喷射式制冷由锅炉供给的压力较高的水蒸汽 (称为工作蒸汽)进入主喷射器中,在拉瓦尔喷嘴中绝热膨胀,利用这一高速汽流不断从蒸发器中抽汽,在其中保持较高的真空,即较低的蒸发压力。从制冷装置来的冷水,经节流减压后进入蒸发器,其中一部分蒸发并吸收其余水的热量而使之温度降低。降温后的冷水由泵输出,供给冷量之后反复使用。在喷射器中的工作蒸汽连同从蒸发器中抽吸的蒸汽,一起流经扩压管使压力升高到冷凝压力(仍为真空),进入冷凝器中与冷却水直接接触并凝结于冷却水中。冷凝器中的不凝性气体用一两级辅助喷射器抽除,以使冷凝器保持一定的真空度。

2 一种新的基于GAX循环的喷射—吸收式氨水循环

本文所研究的喷射—吸收式氨水制冷循环是基于喷射—吸收、GAX循环和能量分级利用的基本理论,提出的一种新型循环。循环中主要设备包括:高/低温发生器、精馏塔、冷凝器、蒸发器、GAX换热器、吸收器、喷射器以及溶液热交换器。具体流程见图3。

图3 喷射—吸收式氨水制冷循环流程图

与常规氨水吸收式制冷循环相比,该循环增加了喷射器、GAX换热器和一个发生器。如图所示,高温烟气依次通过高低温发生器,实现了热量的分级利用。由吸收器流出的浓氨水溶液经溶液泵加压后,先经过GAX换热器,吸收部分吸收热,再经过溶液热交换器,与来自高温发生器的高温稀溶液进行热量交换,然后流入低温发生器进行一次发生。高压浓溶液在低温发生器中经烟气加热后达到过热,流入精馏塔闪发分离,高浓度的氨蒸气上升进入精馏段与回流冷凝器冷凝下来的氨水溶液进行热质交换,温度逐渐降低,浓度逐渐升高直至达到99.8%以上。由塔顶流出的高浓度的氨蒸气进入冷凝器,冷凝为氨液,经膨胀阀节流后进入蒸发器蒸发制冷。精馏塔底部中等浓度的氨水溶液流入高温发生器,在高温烟气的加热下进行二次发生。产生的高温高压的氨蒸气流向喷射器,作为其工作蒸汽从喷嘴高速喷出,在喷嘴周围形成低压,引射蒸发器中的氨蒸气。两股蒸气在喷射器混合室混合,经扩压室增压后分成两路,一路进入GAX换热器,被来自高温发生器的稀溶液吸收;另一路进入吸收器,被来自GAX换热器的氨水溶液进一步吸收,最终形成浓溶液,以此循环往复。循环的h-ξ图如图4所示。

图4 喷射—吸收式氨水制冷循环的h-ξ图

本文所研究的制冷循环与常规循环相比,增加了喷射器、GAX换热器和一个发生器。其精馏、冷凝、节流过程、溶液泵输送溶液的过程与常规循环一致,但发生过程、喷射—吸收过程、GAX换热过程、稀/浓溶液热交换过程与常规循环有所不同,需特别考虑。

1)发生过程

该循环采用两级发生,提高了能量的利用率。两级发生加上喷射器的引入,使得循环的放气范围大大增加,更有利于采用GAX循环。由于吸收器流出的浓溶液浓度较高,循环中6、7、8点溶液一般均为过热状态,其对应的饱和两相态均在h-ξ图上标出 (a-饱和蒸汽,b-饱和溶液)。由溶液热交换器流出的过热浓溶液 (7状态ξr),经低温发生器加热后,进一步过热,在精馏塔内闪发分离,精馏塔底部中等浓度的溶液 (9状态 ξw′)进入高温发生器二次发生,产生的浓度较低的蒸汽充当喷射器的工作蒸汽,这一点与常规喷射—吸收式制冷循环不同。常规循环一般采用一部分精馏塔出口高浓度的氨蒸气作为喷射器工作蒸汽,这样造成了精馏热的浪费。

2)喷射—吸收过程

在常规循环中,出溶液换热器12状态的稀溶液经溶液节流阀节流后进入吸收器与来自喷射器的氨蒸汽进行混合吸收,吸收放出的热量由冷却水带走,理想情况下,吸收终了状态可达到吸收压力Pa和进吸收器冷却水温度下的饱和溶液,其浓度为 ξr。

在本文所研究的循环中,吸收终了5状态的浓溶液在GAX换热器中获取部分吸收热,有助于提高循环的性能COP。由理论分析可知,12状态稀溶液经节流阀,压力降至Pa,状态为12a(在hξ图上12与12a状态点重合),12a状态稀溶液和4状态氨蒸汽等压绝热混合所达到的状态为过ξr等浓度线与12a-4连线的交点13a,13a状态点的相应温度t13a是在GAX换热器内可能达到的最高温度。该循环吸收过程的等压放热过程被分为两个过程,先对GAX换热器进行放热,温度降低后,再对冷却水进行放热,成为低温低压的饱和浓溶液。

3)GAX换热过程

在该循环中,吸收终了的浓溶液 (5状态)经溶液泵加压后进入GAX换热器,吸收一部分吸收热,从而提高溶液热交换器入口处的浓溶液焓值(从状态点5提高到状态点6),因此可提高进入发生器的浓溶液 (状态点7)的焓值,减少发生器的发生热Qg,进而提高循环的热力系数。本循环的GAX换热器采用逆流式换热,所以GAX换热器出口状态点6的温度 t6必然比吸收器内可能达到的最高温度 t13a低,在此假设:GAX热端换热温差tGAX=t13a-t6≥5℃。图4中5a-6即为浓溶液在GAX换热器中加热过程。

4)稀/浓溶液热交换过程

在溶液热交换器中,发生终了温度较高的11状态稀溶液与GAX换热器流出的6状态温度较低的浓溶液进行热交换,使发生器、吸收器的热负荷大大减少,从而提高热力系数。与常规循环不同的是,由于GAX循环的引入,使得溶液热交换器的负荷比常规循环大大减小。图4中,11-12为稀溶液的冷却过程,6-7为浓溶液的加热过程。

3 前景展望

目前以及之前很长一段时间,氨水吸收制冷一般都用于大型的制冷系统,但传统的氨水吸收式制冷系统,因其系统中的设备多,体积大,钢材消耗量大,制冷循环的COP值较低,而在我国应用得不多。如何克服氨水吸收式制冷系统的缺点,提高氨水吸收式制冷系统的COP值,是在我国推广应用氨水吸收式制冷系统进行低品位能源制冷的关键所在。在这个提倡节能减排、保护环境的时代,氨水吸收式制冷重新被提上日程,尤其是其在冷冻、冷藏、空调等领域的应用问题,对氨水吸收式制冷系统提出了更高的要求,采用GAX循环、引入喷射器形成复合循环,已是众多学者共同研究的主题,氨水吸收式制冷系统广泛应用于冷冻冷藏和空调领域,已势在必行。

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