吸收式制冷系统应用于高温热害隧道降温的理论分析研究

覃宇含, 孟祥林, 苏留锋, 孙亮亮, *, 袁艳平

(1. 西南交通大学机械工程学院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031)

0 引言

世界各国在修建深埋长大的隧道、深井开采矿井时,都曾遇到过不同程度的热害问题[1-2]。例如: 尼格隧道存在高水温和高岩温问题,涌水温度最高达到63.4 ℃,岩温最高达到88.8 ℃[3]。桑竹岭隧道在施工过程中沿线多处温度达到45 ℃以上, 探温孔内温度高达89 ℃,居我国围岩温度之首[4]。何平等[5]根据沃卡热泉、雅鲁藏布江边热泉分布的平面位置、标高以及其成因分析,推测桑竹岭隧道CK175+500段洞身附近地下热水温度高于76 ℃。拉月隧道区内水热活动活跃,在进口端及沿线东南侧的河流两岸均有温度18.5～91.5 ℃的温泉出露[6]。隧道在施工过程中由于出现高岩温和高水温2大热害问题,对隧道衬砌施工[7-8]、人员安全[9-10]等造成威胁,恶化施工环境,导致施工难度增大。

针对以上提到的隧道高温热害问题采取了很多热害防治措施。例如: 彭琪[6]针对拉月隧道可能遭遇到的高温热害问题,提出通风降温、人工制冷降温以及个体防护等一系列处理措施。Lin等[11]针对尼格隧道搭建了高地热隧道高温综合控制系统。严健等[12]针对桑竹岭隧道提出采用顶部加密施工通风管,中部设置冷水喷洒器洒水,底部边墙两侧设置冰墙的立体综合降温技术。朱宇等[13]针对高地温隧道,提出隧道温度在45 ℃以下时,热干岩型隧道只采用通风降温,湿热型隧道需对高温热水进行封堵及排放;当温度超过45 ℃时,还需另外采取隔热、冰块制冷、洒水喷雾、局部制冷等措施。李建高等[14]针对不同隧道的高地温情况,选取不同的降温组合方案。

《铁路工程不良地质勘察规程》[15]表明: 地温大于37 ℃时,需要采用人工制冷措施进行降温。目前隧道工程中人工机械制冷降温措施多采用蒸汽压缩式制冷机组[16-17],而吸收式制冷机组在隧道施工过程中却鲜有应用[18-19]。

本文针对高地温隧道施工过程中出现的高温热害问题,提出采用吸收式制冷机组作为辅助降温措施,并设计采用隧道高温涌水作为溴化锂吸收式制冷机组的热源。为了验证以隧道涌水为热源的吸收式制冷循环作为隧道降温措施的可行性,本文利用EES(engineering equation solver工程方程求解器)建立单效溴化锂吸收式制冷循环和2级溴化锂吸收式制冷循环的热力学模型,通过理论计算分析该方案的可行性。

1 溴化锂吸收式制冷循环

将隧道高温涌水作为吸收式制冷系统的热源,先收集隧道高温涌水,处理后送至吸收式制冷机组,是否采用沉淀池、净水装置等水处理设备需要结合隧道涌水实际的水质情况考虑。制冷机组产生的冷冻水通过管道输送至空冷器,再通过空冷器输送冷风,从而实现对隧道工作面、休息室和设备硐室降温的目的,具体示意见图1。图中的吸收式制冷系统主要包括2种循环形式,分别是单效溴化锂吸收式制冷循环和2级溴化锂吸收式制冷循环。

1.1 单效溴化锂吸收式制冷循环

单效溴化锂吸收式制冷循环(以下简称为单效循环)流程如图2所示。该系统内部的工作回路由2个回路组成,分别是: 1)溴化锂溶液回路,包括溴化锂浓溶液管路(红色管路)和溴化锂稀溶液管路(粉色管路); 2)制冷剂回路(黑色回路)。

图1 隧道涌水作为吸收式制冷系统的热源示意图

图2 单效溴化锂吸收式制冷循环流程图

1.2 2级溴化锂吸收式制冷循环

2级溴化锂吸收式制冷循环(以下简称为2级循环)流程见图3,其制冷循环的工作过程也可看作由溴化锂溶液回路和制冷剂回路组成。和单效循环相比,2级循环包含低压循环和高压循环,在蒸发温度和冷凝温度一定的情况下,其启动所需的发生温度更低,从而降低了循环对热源温度的要求,使得低温热源驱动溴化锂吸收式制冷循环成为可能。

图3 2级溴化锂吸收式制冷循环流程图

1.3 热力学计算模型

由于2级循环采用的是复叠式结构,其主要部件与单效循环相同。基于能量守恒与质量守恒原理,对单效循环和2级循环中的主要部件建立热力学模型。对于2种循环的分析基于以下假设[20-21]:

1)2个循环在稳态状态下运行;

2)系统处于热平衡状态;

3)不计管道阻力,忽略蒸发器和吸收器间、发生器和冷凝器间的压力差;

4)发生器出口的溴化锂浓溶液、吸收器出口的溴化锂稀溶液、冷凝器出口的液态制冷剂水、蒸发器出口的制冷剂水蒸汽均处于饱和状态;

5)不考虑泵的能耗与节流阀的节流损失,仅考虑泵和节流阀为等焓过程;

6)对于2级循环,高/低压发生温度相同,高/低压吸收温度相同[22]。

针对吸收式制冷系统的主要部件(包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、热交换器),建立热力学模型,见表1。

表1 吸收式制冷循环的主要部件数学模型

2 模拟计算模型

2.1 模拟计算过程

EES通过调用内部溴化锂溶液的物性参数关系准确地表达出循环过程中各点的工况,通过能量守恒方程和质量守恒方程对特定的循环构建基于方程的模型程序。本文基于各个部件的控制方程,利用EES分别对单效循环和2级循环建立基于热力学方程的模型程序进行模拟分析。假设2种循环在以下具体条件下工作:

1)高温隧道涌水通过发生器降低5 ℃,发生器的浓溶液出口温度比高温隧道涌水出口温度降低5 ℃[23]。

2)单效循环吸收器出口处的稀溶液流量以及2级循环低压吸收器出口处的稀溶液流量为m1=1kg/s; 2级循环高、低压侧稀溶液质量流量比为5/6。

5)由于在实际机组设计及运行时冷却水先经过吸收器后经过冷凝器,故一般冷凝温度均比吸收温度高,故设定冷凝温度tc比吸收温度ta高5 ℃,即tc=ta+5 ℃。

根据冷凝温度和蒸发温度调用EES内置的数据查得高压侧压力和低压侧压力,根据各个点的压力和温度或者浓度调用EES内部的LiBr-H2O和水的物性参数计算关系式,来确定各点的状态,从而确定各个换热器的换热量,计算出整个循环的性能系数。

单效循环的循环性能系数

(1)

2级循环的循环性能系数

(2)

系统的循环倍率

(3)

式(1)—(3)中: Qg1为2级循环中低压发生器从热源吸收的热量,kW; Qg2为2级循环中高压发生器从热源吸收的热量,kW; Xr为出发生器的浓溶液的质量分数,kg/kg; Xa为进发生器的稀溶液的质量分数,kg/kg。

2.2 EES数值模拟计算结果分析

2.2.1 变热源温度分析

当冷凝温度为35 ℃、吸收温度为30 ℃时,分析单效循环和2级循环的性能系数随热源温度的变化规律,结果如图4所示。对于单效和2级循环,随着热源温度的升高,系统的性能系数逐渐增大,但是增加的速率逐渐降低,这是由于随着热源温度的升高,溶液的循环倍率降低的趋势逐渐变缓。单效及2级溴化循环倍率的变化趋势分别如图5和图6所示。图中,te为蒸发温度,a1和a2分别为2级循环中高压和低压侧溶液循环倍率。

图4 2种溴化锂吸收式循环的COP曲线

图5 单效溴化锂吸收式循环的循环倍率曲线

图6 2级溴化锂吸收式循环的循环倍率曲线

根据图4结果发现: 蒸发温度为5 ℃、热源温度超过55 ℃时,虽然可以驱动循环运行,但是当热源温度在55 ℃附近时,吸收式制冷循环的COP较低。故当蒸发温度为5 ℃时,只能利用60 ℃以上的隧道涌水驱动溴化锂吸收式制冷循环; 当热源温度在60～75 ℃时采用2级循环,当热源温度在75 ℃以上时采用单效循环。

同时发现,提高蒸发温度可以降低热源温度、提高性能系数。当蒸发温度提高至10 ℃时,可利用55 ℃的隧道涌水驱动溴化锂吸收式制冷循环; 当温度在55～70 ℃时,可以采用2级循环; 热源温度在70 ℃以上时,可以采用单效循环。考虑隧道中所提供的冷冻水温度主要是为了满足工作面所需要的冷量以及除湿要求,可以一定程度上将蒸发温度提高到15 ℃,此时利用50 ℃以上的热源来驱动循环,以达到利用高地温隧道开采中所能提供的隧道涌水来驱动吸收式制冷循环的目的。根据图4结果显示:当蒸发温度为15 ℃、热源温度在50～63 ℃时,可以采用2级循环; 热源温度在63 ℃以上时,可以采用单效循环。

2.2.2 变蒸发温度分析

为了研究蒸发温度对于2种循环性能系数的影响,在冷凝温度为35 ℃、吸收温度为30 ℃的情况下,调整蒸发温度,单效及2级循环COP结果分别如图7和图8所示。

图7 单效循环COP随着蒸发温度变化曲线

图8 2级循环COP随着蒸发温度变化曲线

可以发现: 蒸发温度升高,COP有所提高,并且在低热源温度情况下,如果蒸发温度过低,会导致2种循环效率过低甚至不能运行。由于隧道涌水温度相对常规热源温度较低,且针对特殊的隧道环境其冷冻水需求温度可适当比常规环境的冷冻水需求温度7 ℃高,所以想要利用隧道涌水温度来驱动溴化锂吸收式制冷机组,可以考虑适当提高蒸发温度,从而降低驱动循环所需的热源温度,达到利用隧道施工过程中出现的高温涌水来驱动溴化锂吸收式制冷机组的目的。根据图8结果显示: 当热源温度为55 ℃、蒸发温度为10 ℃时,2级循环性能系数在0.4左右,此时能够利用低至55 ℃的隧道涌水来驱动2级循环,但是如果蒸发温度继续降低至10 ℃以下,系统的性能系数过低,所以55 ℃的隧道涌水无法被利用。

2.2.3 变冷凝温度分析

为了研究冷凝温度对于2种循环性能系数的影响,在蒸发温度分别为15 ℃和10 ℃的前提下,调整冷凝温度,设定冷凝温度比吸收温度高5 ℃,结果如图9和图10所示。

图9 单效循环COP随着冷凝温度变化曲线

图10 2级循环COP随着冷凝温度变化曲线

较低的热源温度在冷却条件良好时性能占优,COP更高,这表明在低冷凝温度工况下,循环能够在更低的热源温度下启动。因此,在本文基础上,如需利用更低温度的隧道涌水,可以考虑降低冷凝温度。而高热源温度虽然在冷却条件良好时性能并不具备优势,但对冷却条件的工况适应性较为优异,可以在更广的冷凝温度范围内运行。

由图10可知,当蒸发温度为15 ℃、热源温度为55 ℃、冷凝温度达到38 ℃左右,或当蒸发温度为10 ℃、热源温度为55 ℃、冷凝温度达到36 ℃左右,2级循环就无法运行。可以发现,低蒸发温度对冷却条件要求更高,对冷凝温度与吸收温度的变化更为敏感。

3 可行性分析

国内外部分隧道建设过程中遇高温突涌水情况如表2所示。

表2 国内外隧道建设过程中遇高温突涌水情况

设定蒸发温度te为15 ℃,将第2.2节的计算结果与实际隧道涌水情况进行匹配,发现表2所列的隧道从理论上均能考虑采用本文所提的隧道涌水为热源驱动吸收式制冷循环制冷的方案,其中尼格隧道和桑竹岭隧道能够考虑采用单效循环形式,其余采用2级循环形式。

4 结论与讨论

1)当蒸发温度为5 ℃时,可利用60 ℃以上的隧道涌水驱动溴化锂吸收式制冷循环;当热源温度在60～75 ℃时,可以采用2级溴化锂吸收式制冷循环; 当热源温度在75 ℃以上时,可以采用单效溴化锂吸收式制冷循环。

2)提高蒸发温度,能够在降低热源温度的同时提高COP,故提高蒸发温度可以利用更大温度范围的隧道涌水。通过模拟结果发现,当蒸发温度提高到15 ℃时,50 ℃左右的隧道涌水可以作为热源驱动溴化锂吸收式制冷循环;当隧道涌水温度在50～63 ℃时,可以采用2级溴化锂吸收式制冷循环;当隧道涌水温度在63 ℃以上,可以采用单效溴化锂吸收式制冷循环。

3)当冷凝温度降低,性能系数提高,较低的热源温度在冷却条件良好时性能占优,这表明降低冷凝温度能使制冷循环在更低温度的隧道涌水下启动,但随着冷凝及吸收温度的提高,性能系数下降更明显;而高热源温度可以在更大的冷凝温度范围内运行。

4)调研国内外出现高温涌水的隧道并根据本文计算结果匹配对应的吸收式制冷循环形式。尼格隧道和桑竹岭隧道可考虑采用单效循环形式,其余可考虑采用2级循环形式。

下一步将结合隧道实际施工情况,分析使用隧道涌水作为吸收式制冷循环热源所能达到的制冷效果及经济效益等。同时,将研究更多降低所需热源水温度的方式,以利用更大温度范围的隧道涌水。