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两种三效溴化锂吸收式制冷循环

作者:    发布于:2016-1-28 11:08:51    文字:【】【】【

近年来,随着环境问题的日益严峻,溴化锂吸收式制冷机组以其节电、环保等优点引起人们越来越多的关注。由于现有的双效溴化锂吸收式制冷机组在能源的综合利用率方面还远低于电压缩式制冷机组,为了在更广阔的领域与电压缩式机组相竞争,开发高效节能的直燃型三效吸收式机组势在必然。 目前,制约三效溴化锂吸收式机组发展的一个主要难题是如何解决由高温引起的高温发生器腐蚀问题。为了解决该问题,本文在前人工作的基础上进一步研究了直燃增压型三效溴化锂吸收式制冷循环。研究内容主要包括:1、采用模块化编程的方式拟合溴化锂溶液在高温区的物性参数;2、通过改变增压器位置,组建四种增压吸收式循环,并分别进行了计算机仿真模拟;3、对仿真结果进行可行性分析,从能量利用的角度对循环进行分析,提出节能建议。 仿真结果表明:按传统方式设计的三效溴化锂吸收式制冷机组的COP可达1.59,比双效吸收式机组的COP数值(约1.2)高30%左右。增压型三效溴化锂吸收式机组能够保证以COP略微降低(约降低4.4%)为代价,将高温发生器的溶液出口温度由217.6℃降低到190℃以下,温降幅度明显,有效减缓了腐蚀现象。高温发生器的温降程度随增压器增压比的增加而提高。分析数据显示:在等温降条件下,Ⅰ型循环效率下降较快,Ⅲ型循环效率下降较慢。
     在循环优化计算的基础上,对基本型直燃式串联三效溴化锂吸收式制冷循环和带蒸汽压缩装置的三效制冷循环进行了对比分析。分析结果显示,在选择合适的蒸汽压缩比提前下,带蒸汽压缩装置的三效制冷循环可以获得比基本的直燃型串联三效溴化锂吸收式制冷循环更高的循环COP值,并可将最高溶液温度降低至低于200e,是一种颇具市场前景的制冷循环。
吸收式制冷机是一种以热能为动力,制冷剂与吸收剂为工质对的制冷设备。它也是使用CFC制冷剂的压缩式制冷设备的最佳替代者之一。目前市场上几乎所有的吸收式制冷机都是以单效或双效循环为基础,它们所存在的一个较大的问题就是COP偏低,其中,单效机的COP约为017,仅适用于以废热或太阳能为热源,而不宜采用高温热源;双效机的效率有较大幅度提高,但其COP也只有112,仍然难于与压缩式制冷机竞争。因此,为了更合理有效地使用高品位热源,提高机组的COP,人们在双效循环的基础上,又提出了三效循环。
     自1985年以来,人们提出了大量的三效循环,如三级冷凝/三级发生(3C3D)循环(Vouchi etal,1985)、双冷凝器耦合(DCC)循环(Miyoshi et al,1985; Biermann and De Vault,1992; De Vault andGrossman,1992)及双环耦合三效循环(De Vault,1988)等。据文献分析,双冷凝器耦合的串联改进流程(DCCSA)和双冷凝器耦合的并联流程(DC-CP)较为符合我国国情,其中并联循环的COP比串联循环更高(可达11825),但是它的控制调节复杂,并且存在高压发生器中溶液温度过高的问题,而这些都直接影响到三效制冷机的市场化。
     本文认为,由于串联循环相对简单的调节控制特性,在较好解决高压发生器中溶液温度过高问题的基础之上,串联型三效循环必将获得广阔的市场前景。由此,本文通过优化计算,对比分析了基本型串联三效循环和一个新型的带蒸汽压缩装置的串联三效循环(J1S.KIM,1999)。模拟计算结果显示,后者在溶液最高温度低于200e的情况下,可获得较高的COP(1176),是一个有巨大市场化价值的三效制冷循环。
两种三效循环简介
    2.1 基本型直燃式串联三效溴化锂吸收式制冷循环
    图1为一个基本型串联三效溴化锂吸收式制冷循环的流程图。它主要由三个发生器、一个冷凝器、一个蒸发器和一个吸收器组成。溴化锂溶液从吸收器流出经过低温、中温、高温热交换器进入高压发生器,在高压发生器中由燃料加热直至沸腾,蒸发出的冷剂水蒸气进入中压发生器作为其发生的热源,同时,高压发生器中经过发生浓缩的溶液流入中压发生器做进一步的发生。然后,中压发生器发生的蒸气和在中压发生器中冷凝的高压发生蒸气一起进入低压发生器,作为低压发生器的加热热源,而中压发生器中的溶液流入低压发生器做最后的浓缩。最后,所有的冷剂蒸气经冷凝器冷凝后进入蒸发器蒸发,低压发生器中的浓溶液流入吸收器作为吸收剂吸收蒸发器中产生的冷剂蒸汽,这样完成了一个制冷循环。这种循环的特点在于较充分地利用了冷剂蒸汽的冷凝潜热,较之单、双效机组而言可产生更多的冷剂蒸汽。图2是该循环的i-N图。

 图3和图4分别是带蒸汽压缩装置的直燃式串联三效溴化锂吸收式制冷循环的流程和i-N图。该循环是对基本型串联三效溴化锂吸收式制冷循环的一个改进,它与基本型串联三效溴化锂吸收式制冷循环的不同之处只是:它在原有循环的基础上增加了一个蒸气压缩装置,中压发生器发生得到的水蒸气需经压缩后再送入低压发生器。这种带有蒸气压缩装置的三效溴化锂吸收式制冷循环的优点在于:由于引入蒸气压缩装置,高压发生器和中压发生器的发生温度得以降低,缓解了高温溴化锂水溶液对金属材料的腐蚀;而且,虽然高压发生器和中压发生器的发生温度低,发生条件差,蒸气发生量少,但经过压缩进入低压发生器的水蒸气具有较高的温度和压力,有利于改善低压发生器的发生条件,并提高循环的COP值。
 3 循环热力计算及其优化
    在一般的循环热力设计计算中,我们根据经验设定稀溶液浓度Xa、循环最高温度T4H和中压发生器、冷凝器、蒸发器、高温溶液热交换器、中温溶液热交换器、低温热交换器的端部温差(DTGM、DTC、DTE、DTXH、DTXM、DTXL)以及循环放气范围DXL,再结合已知初始条件就可以求解出循环的各个状态的参数。显然,这样得到的设计结果并不一定是最佳结果。为了可信地比较上述两种循环,本文用坐标轮换法分别对它们进行了优化计算。
    在对带蒸汽压缩的串联三效溴化锂吸收式制冷循环的优化计算中,本文将上述的T4H、DTGM、DTC、DTXH、DTXM、DTXL、DXL及高压发生器中稀溶液放气量与DXL的比值EXH、中压发生器中中间浓度溶液放气量与DXL的比值EXM、蒸气压缩装置压缩比CY一共10个参数作为优化变量,目标函数为COP115/FSUM,其中,COP为循环的性能系数(为突出其重要性,对其115次方加权),FSUM为系统总共的换热面积。这样,整个优化计算过程也就是求解下述函数:
OBJ=COP1.5/FSUM=maxf(T4H, DTGM, DTC, DTXH, DTXM,DTXL,DXL,EXH,EXM,CY)
    优化计算的初始条件如下:制冷量为1163kW,冷却水进口温度为32℃,冷却水流量为330m3/h,冷媒水进口温度为12℃,出口温度为7℃。
    基本型串联三效溴化锂吸收式制冷循环的优化计算与带蒸汽压缩的串联三效循环的优化计算的区别只在于它的待优化变量只有9个,少了压缩装置的压缩比,其它的条件完全相同。
    在模拟计算中,使用了一些假设,利用各部件及系统的能量平衡、质量平衡和溴化锂质量平衡方程迭代得到优化结果。
    4 优化结果比较分析
    经过优化计算,在给定初始条件下,本文得到两种循环形式目标函数最优情况下的各状态参数。表1是两个循环的优化结果,表2是两个循环的一些主要参数的比较。

由表2可以看出,经过优化,带压缩装置的串联三效溴化锂吸收式制冷循环可以获得比基本型串联三效循环更高的COP,提高了能源的利用率;并且,由于压缩装置的引入,各个发生器的温度得以明显降低,特别是大幅度地降低了循环最高溶液温度(高压发生器出口溶液温度),这就避免了高温溴化锂溶液的强腐蚀问题,不必选用过于昂贵的材料,同时,整个系统的换热面积有一定程度的减小,这都直接有利于减小初投资。由此可见:
    (1)从系统结构上看,带蒸汽压缩装置的串联三效溴化锂吸收式制冷循环只比基本型串联三效循环多了一个压缩部件,并没有太多地增加系统结构的复杂程度。
    (2)从系统的运行特性上看,带蒸汽压缩装置的串联三效溴化锂吸收式制冷循环由于蒸汽压缩部件的引入,使得循环最高溶液温度降低到低于200e,有效地避免了溴化锂溶液在高温下对设备的强腐蚀问题。
    (3)从系统经济性来看,根据优化结果,带蒸汽压缩装置的串联三效溴化锂吸收式制冷循环COP比基本型串联三效循环的COP高,并且与并联三效循环也具可比性。其较高的循环COP可以提高能源的利用率,还由于热负荷的降低也使得换热面积的减少。这些都将直接导致系统经济性的提高,并由此推动它的市场化,因此具有良好的市场发展前景。