薛相美,劉道平

(1.佛山市高級(jí)技工學(xué)校,佛山528200;2.上海理工大學(xué),上海200093)

1 前 言

能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重,對(duì)制冷空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能要求和對(duì)環(huán)境的無(wú)害化要求越來(lái)越高。節(jié)能不僅表現(xiàn)在能量的量上,還表現(xiàn)在能量的質(zhì)上;即不僅要提高制冷空調(diào)系統(tǒng)的能源利用效率、提高系統(tǒng)的COP,還要利用大量低品位熱源。常規(guī)蒸汽壓縮式制冷空調(diào)設(shè)備不僅利用高品位的電能,而且使用的氯氟烴制冷工質(zhì)還破壞大氣臭氧層、產(chǎn)生溫室效應(yīng)使地球溫度升高。從20世紀(jì)70年代末發(fā)現(xiàn)臭氧層破壞機(jī)理之后,各國(guó)的研究人員一直在尋找性能良好的替代制冷工質(zhì),但到目前為止還沒(méi)有令人滿意的替代方案。因此對(duì)于使用氨、水等天然工質(zhì)的吸收式制冷系統(tǒng)的研究也就受到重視,引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

常規(guī)吸收式制冷雖然也利用低品位熱源,但是需要溶液泵來(lái)實(shí)現(xiàn)吸收器和發(fā)生器之間溶液的循環(huán),溶液泵的運(yùn)轉(zhuǎn)則需要高品位的電能,因此常規(guī)吸收式制冷循環(huán)還沒(méi)有完全擺脫對(duì)高品位電能的依賴,對(duì)于還沒(méi)有電力供應(yīng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)法使用吸收式制冷裝置。同時(shí),由于工質(zhì)對(duì)的腐蝕性,溶液泵的故障是常規(guī)吸收式制冷裝置不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要原因,溶液泵的故障在整個(gè)裝置各個(gè)部件中所占的比例是相當(dāng)高的[1]。因此使用氣泡泵代替溶液泵實(shí)現(xiàn)吸收制冷的無(wú)泵循環(huán)不僅有利于吸收式制冷在家用領(lǐng)域的應(yīng)用,而且提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 單壓吸收制冷

無(wú)泵吸收式制冷主要包括單壓吸收式制冷和雙壓吸收式制冷。單壓吸收制冷使用氨、水、丁烷等為工質(zhì),系統(tǒng)沒(méi)有節(jié)流部件,整個(gè)系統(tǒng)的壓力近似相等;雙壓吸收制冷使用溴化鋰、水為工質(zhì)對(duì),由于節(jié)流部件的存在,系統(tǒng)分為高壓區(qū)和低壓區(qū)。

單壓吸收式制冷包括擴(kuò)散吸收式制冷和愛(ài)因斯坦制冷循環(huán)兩種形式。擴(kuò)散吸收式制冷從20世紀(jì)20年代出現(xiàn)以后就得到廣泛的研究,愛(ài)因斯坦循環(huán)在20世紀(jì)90年代才引起人們的重視。

2.1 擴(kuò)散吸收制冷技術(shù)

擴(kuò)散吸收制冷利用氨為制冷劑、水為吸收劑,氫 (或氦)作為壓力平衡劑。對(duì)擴(kuò)散吸收制冷的研究主要在工質(zhì)的替代,系統(tǒng)各部件的優(yōu)化設(shè)計(jì),以及利用太陽(yáng)能等低品位能源的利用運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響等方面。

為了克服氨-水沸點(diǎn)相差較小,系統(tǒng)精餾熱損失大的缺點(diǎn),王寒棟[2]通過(guò)理論分析認(rèn)為NH3-NaSCN擴(kuò)散吸收系統(tǒng)的性能優(yōu)于NH3-H2O系統(tǒng),建立了NH3-NaSCN擴(kuò)散吸收試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置的COP為0.214,溶液熱交換器的布置對(duì)系統(tǒng)的性能影響較大,防止發(fā)生溫度過(guò)高造成溶液結(jié)晶等問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究。

為了降低發(fā)生溫度,A.Koyfman[3]等設(shè)計(jì)了使用DMA(二甲基乙酰胺)-R22連續(xù)工作的氣泡泵試驗(yàn)裝置,試驗(yàn)裝置的最大平均發(fā)生溫度低于90℃,為使用太陽(yáng)能等低品位熱能提供了可能。

武永強(qiáng)等[4]指出擴(kuò)散吸收式熱泵在較低蒸發(fā)溫度下仍具有較高的COP,具體分析了系統(tǒng)壓力、濃溶液濃度、稀溶液濃度、發(fā)生溫度等參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)COP的影響,模擬結(jié)果顯示熱泵性能優(yōu)于壓縮式熱泵和單級(jí)氨吸收式熱泵。

J.Chen[5]通過(guò)對(duì)擴(kuò)散吸收裝置原型機(jī)的能量分析發(fā)現(xiàn)精餾器的精餾熱損失是影響系統(tǒng)性能的重要因素,為了利用精餾熱設(shè)計(jì)出一種新的發(fā)生器/氣泡泵,經(jīng)試驗(yàn)COP提高近50%。

陸蕾穎等[6]對(duì)傳統(tǒng)的擴(kuò)散吸收制冷裝置進(jìn)行了改進(jìn),在發(fā)生器和冷凝器之間增設(shè)帶有氣液分離功能的精餾裝置。在環(huán)境溫度25～35℃、溶液濃度25%～35%、充注壓力1.3～1.8 MPa、加熱功率220～320 W的范圍內(nèi),試驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)不僅提高進(jìn)入冷凝器的氨氣的純度,而且還降低了冷凝器負(fù)荷。試驗(yàn)結(jié)果還表明,壓力的增加有利于蒸發(fā)溫度的降低,溶液的濃度的提高則有利于加大制冷量;發(fā)生器的加熱功率和提升管的結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行有著顯著的影響。

李啟奈[7]則進(jìn)一步分析了氣泡泵的熱負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)制冷量的影響,認(rèn)為氣泡泵的熱負(fù)荷與發(fā)生器的熱負(fù)荷之比φ在20%～40%之間時(shí)系統(tǒng)的制冷量最大,當(dāng)φ降低至某一數(shù)值時(shí),制冷量急驟下降,裝置不能繼續(xù)工作。

為了充分利用各種低品位能源,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究。L Lin等[8]利用汽車尾氣廢熱作為熱源驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散吸收冰箱。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)功率9.5kW,擴(kuò)散吸收冰箱冷藏室容積51升,冷凍室容積6升;試驗(yàn)用冰箱原來(lái)可以使用直流電、交流電和液化石油氣作為能源,使用液化石油氣時(shí),輸入功率186W,使用交流230V輸入105W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載大于50%時(shí),制冷裝置能夠正常工作,其中在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷75%時(shí),系統(tǒng)的COP最高,凍結(jié)室內(nèi)的溫度也最低達(dá)到-24.9℃;同時(shí)與使用液化石油氣、交流電、直流電作能源的比較結(jié)果表明,使用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣時(shí)系統(tǒng)的COP高于使用交流電、直流電作能源時(shí)的COP,但低于使用液化石油氣作能源時(shí)的COP。

一般的擴(kuò)散吸收裝置的制冷量在40～200W,為了實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散吸收制冷裝置的大制冷量,Uli Jakob等[9]設(shè)計(jì)了以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)熱源、制冷量為2.5kW的擴(kuò)散吸收制冷裝置,真空管集熱器出口溫度127℃,蒸發(fā)溫度5℃,冷凝溫度45℃。實(shí)際運(yùn)行裝置的制冷量可以達(dá)到1.5kW,系統(tǒng)的COP在0.1～0.3之間。該裝置的另外一個(gè)特點(diǎn)就是冷凝器、溶液熱交換器等使用標(biāo)準(zhǔn)件,以便以后的商業(yè)化;經(jīng)過(guò)優(yōu)化裝置從800kg降低到240kg,高度從3.7m降低到2.4米。

2.2 愛(ài)因斯坦制冷循環(huán)

愛(ài)因斯坦[10]等提出的單壓吸收制冷循環(huán),使用氨做壓力平衡劑,水做吸收劑,丁烷做制冷劑,將冷凝器和吸收器合為一個(gè)部件。與擴(kuò)散吸收制冷壓力平衡劑氫氣依靠密度差實(shí)現(xiàn)循環(huán)不同,愛(ài)因斯坦循環(huán)的壓力平衡劑氨在發(fā)生器、蒸發(fā)器、冷凝器/吸收器之間依靠熱能的驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制循環(huán)。因此愛(ài)因斯坦制冷循環(huán)有可能實(shí)現(xiàn)較大的制冷量。二十世紀(jì)九十年代開始引起人們的注意。

Delano[11]第一個(gè)對(duì)愛(ài)因斯坦循環(huán)進(jìn)行了系統(tǒng)研究:建立了愛(ài)因斯坦循環(huán)的熱力學(xué)模型,分析了發(fā)生溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)COP的影響,通過(guò)熱力學(xué)第二定律對(duì)各部件的不可逆損失分析表明,發(fā)生器是影響系統(tǒng)性能的重要部件;利用P-T方程和P-R混合準(zhǔn)則,分析了各種工質(zhì)對(duì)愛(ài)因斯坦循環(huán)的影響;根據(jù)理論分析所制造的概念型制冷裝置證明了愛(ài)因斯坦制冷循環(huán)的可行性,系統(tǒng)壓力 310kPa,蒸發(fā)溫度-1.1℃,冷凝溫度21℃,系統(tǒng)COP 0.17。

Schaefer[12]研究了愛(ài)因斯坦循環(huán)用于熱泵時(shí)的系統(tǒng)性能。利用對(duì)應(yīng)態(tài)法則研究了系統(tǒng)工質(zhì)參數(shù)變化對(duì)COP的影響,結(jié)果表明發(fā)生溫度在495K時(shí),系統(tǒng)性能最高,在425～575K之間變化時(shí)系統(tǒng)性能變化不大,冷凝溫度325K,蒸發(fā)溫度295K時(shí)系統(tǒng)COP為1.5;利用P-T方程和P-R混合準(zhǔn)則研究愛(ài)因斯坦循環(huán)替代工質(zhì),結(jié)果表明氨-水-丙烷和甲胺-水-戊烷可以作為替代工質(zhì),而系統(tǒng)的COP影響不大;對(duì)氣泡泵的計(jì)算表明在沉浸比0.2時(shí),提升管最佳直徑為8.6mm。

K.Mejbri[13]在愛(ài)因斯坦制冷循環(huán)基礎(chǔ)上增加空冷精餾器和液體熱交換器,模擬分析了愛(ài)因斯坦循環(huán)的性能。系統(tǒng)參數(shù)為:系統(tǒng)壓力5bar,冷凝溫度30℃,蒸發(fā)溫度5℃,發(fā)生溫度125℃,系統(tǒng)COP為0.183。K.Mejbri同時(shí)指出了愛(ài)因斯坦循環(huán)的局限,即由于冷凝壓力限制不適合熱帶和亞熱帶地區(qū);由于氨-水的沸點(diǎn)相差較小,進(jìn)入蒸發(fā)器的氨混有水蒸汽進(jìn)一步限制了蒸發(fā)溫度不能太低;建議使用進(jìn)一步研究Rojey提出的循環(huán),即以二氧化碳為壓力平衡劑,二乙醇胺作吸收劑,丁烷作制冷劑。

White[14]利用空氣提升理論研究了基于愛(ài)因斯坦制冷循環(huán)的氣泡泵性能,指出提升管內(nèi)的兩相流在由彈狀流向塊狀流過(guò)渡時(shí),氣泡泵的效率最高。根據(jù)兩相流理論和試驗(yàn)結(jié)果提出了由彈狀流向塊狀流轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)則,空氣和水試驗(yàn)結(jié)果表明,制冷量 100W、溶液輸送量在0.00025～0.0025kg/s范圍,氣泡泵直徑在2～6mm時(shí)氣泡泵性能效率最高,即在輸送相同質(zhì)量的液體所需要的加熱功率最小。

3 無(wú)泵溴化鋰吸收制冷

溴化鋰吸收式制冷實(shí)現(xiàn)泵循環(huán)的關(guān)鍵在于提高氣泡泵的性能以及適合小型系統(tǒng)的冷凝器、吸收器、蒸發(fā)器。

吳玉瑩[15]分析了直燃型無(wú)泵溴化鋰吸收式空調(diào)器在我國(guó)的發(fā)展前景,根據(jù)熱力學(xué)第一定律建立了無(wú)泵式溴化鋰吸收式制冷機(jī)的熱力學(xué)系統(tǒng)模型和仿真算法,進(jìn)行變工況系統(tǒng)運(yùn)行特性的模擬計(jì)算,得到無(wú)泵溴化鋰吸收式制冷機(jī)在變工況時(shí)的運(yùn)行特性。模擬結(jié)果顯示,蒸發(fā)器入口回風(fēng)溫度變化對(duì)蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)器出口送風(fēng)溫度影響較大,適當(dāng)增大蒸發(fā)器入口回風(fēng)溫度和增大蒸發(fā)器入口風(fēng)量可以降低系統(tǒng)溶液的濃度,可減小系統(tǒng)結(jié)晶現(xiàn)象的發(fā)生。

周永紅[16]確定了小型太陽(yáng)能氣泡泵吸收式制冷機(jī)制冷循環(huán)中各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù),進(jìn)行各設(shè)備的熱負(fù)荷和傳熱面積計(jì)算,確定了各換熱設(shè)備的傳熱管數(shù)、熱水進(jìn)出口配管、冷卻水進(jìn)口配管、冷媒水進(jìn)口配管的內(nèi)徑尺寸,為開發(fā)小型吸收式制冷機(jī)提供了一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

毛本平等[17]設(shè)計(jì)了一臺(tái)制冷量6978W熱水啟動(dòng)的無(wú)泵吸收空調(diào)機(jī),并研究了熱水溫度、蒸發(fā)溫度等對(duì)系統(tǒng)性能的影響,認(rèn)為風(fēng)冷冷凝器、風(fēng)冷吸收器、直燃發(fā)生器是無(wú)泵吸收制冷裝置進(jìn)入小型空調(diào)機(jī)行業(yè)的關(guān)鍵。

李躍智等[18]認(rèn)為立式降膜吸收器不僅可以減小機(jī)組尺寸有利于小型化,而且立式降膜吸收的傳熱傳質(zhì)優(yōu)于臥式;同時(shí)指出添加辛醇可以強(qiáng)化吸收器的傳熱傳質(zhì),添加溶液量0.04%的辛醇可以使傳熱系數(shù)提高60%～140%。

鄭宏飛等[19]對(duì)溴化鋰吸收式制冷機(jī)的氣泡泵進(jìn)行了試驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)出弦月形通道的液體提升管,其外管外徑在20～50mm范圍,壁厚為1.2mm。內(nèi)管厚度為1mm,外徑在10～40mm范圍。實(shí)驗(yàn)表明,弦月形提升管具有較強(qiáng)的提升功能,濃溶液出口高度為1550mm的提升管,當(dāng)浸沒(méi)高度為530mm時(shí),它的凈提升高度為1020mm,是稀溶液浸沒(méi)高度的近2倍。即使在650mm的浸沒(méi)高度下,凈提升高度也有900mm,是浸沒(méi)的1.37倍。

方甲闖等[20]設(shè)計(jì)了一種多管弦月形通道氣泡泵,對(duì)其提升性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和分析。在給定運(yùn)行條件下,研究了運(yùn)行溫度和壓力、加熱水和冷卻水流量以及稀溶液浸沒(méi)高度等對(duì)溶液提升量和冷劑水產(chǎn)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,多管弦月形通道溶液提升泵具有起動(dòng)溫度低、運(yùn)行溫度范圍大、運(yùn)行連續(xù)穩(wěn)定等顯著特點(diǎn)。

谷雅秀等[21]研究了氣液分離器中加設(shè)二次發(fā)生器對(duì)無(wú)泵溴化鋰吸收式制冷裝置的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用二次發(fā)生器后,冷劑水產(chǎn)量提高近1.68倍,制冷量提高了近1.38倍,系統(tǒng)的熱源溫度降低5℃;但加設(shè)二次發(fā)生器同時(shí)使冷凝壓力提高、使提升管的輸液量減小。試驗(yàn)裝置還改良了蒸發(fā)器和吸收器結(jié)構(gòu),在降膜蒸發(fā)器和吸收器盤管表面敷10目的不銹鋼絲網(wǎng),借助于網(wǎng)狀材料的毛細(xì)作用,從而增強(qiáng)降膜表面的持液性、增強(qiáng)降膜能力,從而強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)。

Marcus等[22]研究了H2O-LiBr工質(zhì)對(duì)氣泡泵的震蕩問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)隨著氣泡泵提升管內(nèi)徑的減小、氣泡泵提升管高度的減小、加熱功率的增大、驅(qū)動(dòng)靜壓頭的增加,氣泡泵震蕩周期越短。

R.Saravanan等[23,24]根據(jù)流體靜力學(xué)原理分析了各種工質(zhì)物性對(duì)氣泡泵性能的影響,發(fā)現(xiàn)H2OLiBr+LiI、 H2O-LiBr+ZnBr2+LiCl、H2O-LiBr+Li+ZnCl2工質(zhì)對(duì)的熱物性適合氣泡泵溶液循環(huán)的吸收制冷裝置。Saravanan.R設(shè)計(jì)了一個(gè)制冷量為50W的空冷溴化鋰吸收制冷裝置,環(huán)境溫度40℃、發(fā)生器溫度85℃時(shí)系統(tǒng)的COP為0.38,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣泡泵和發(fā)生器采用電加熱方式時(shí),外界溫度對(duì)系統(tǒng)的性能影響不明顯。

I.W.Eame[25]利用發(fā)生器與吸收器的壓力差提出了一種新型的液體提升方式,利用發(fā)生器內(nèi)的氣體的壓力能實(shí)現(xiàn)將溴化鋰溶液從發(fā)生器輸送到吸收器。系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。

工作過(guò)程為:在輸送液體階段,閥1、閥2關(guān)閉,在外界熱源的作用下,發(fā)生器內(nèi)的壓力升高,液體克服重力作用通過(guò)提升管進(jìn)入吸收器。在輸送液體結(jié)束時(shí),閥1、閥2打開,系統(tǒng)開始解吸階段;發(fā)生器壓力降低到冷凝壓力,吸收器內(nèi)的稀溶液通過(guò)回液管進(jìn)入發(fā)生器,直到發(fā)生器液位達(dá)到開始階段。送入吸收器的溶液量由閥的關(guān)閉時(shí)間決定。由于吸收過(guò)程是連續(xù)的,制冷過(guò)程也是連續(xù)的。這種布置方式的一個(gè)特點(diǎn)是吸收器布置在發(fā)生器的上部,從而可以減小驅(qū)動(dòng)壓頭。

圖1 利用壓力能實(shí)現(xiàn)溶液循環(huán)的吸收制冷原理圖

理論分析表明,這種循環(huán)系統(tǒng)的COP為0.61～0.64,與常規(guī)吸收式制冷系統(tǒng)的COP相當(dāng),發(fā)生溫度比常規(guī)系統(tǒng)的要高7.1℃;提升管管徑越小、發(fā)生器容器直徑越大系統(tǒng)的COP越大。

4 結(jié)束語(yǔ)

能夠利用各種低品位熱能、使用對(duì)環(huán)境友好、對(duì)大氣臭氧層無(wú)破壞的工質(zhì),是無(wú)泵吸收制冷引起關(guān)注的原因。

氣泡泵是無(wú)泵吸收制冷系統(tǒng)的動(dòng)力發(fā)生部件,其性能決定了系統(tǒng)能否正常運(yùn)行,研究適合制冷量1kW～10kW的氣泡泵是無(wú)泵吸收制冷技術(shù)研究的關(guān)鍵;無(wú)泵吸收制冷系統(tǒng)依靠重力和熱能驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的循環(huán),對(duì)阻力要求嚴(yán)格,因此冷凝器、吸收器和蒸發(fā)器在空氣冷卻條件下、在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高的傳熱,減小流動(dòng)阻力也就成為研究的重點(diǎn);無(wú)泵吸收制冷系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化,也是要考慮的重要因素。

但是無(wú)泵吸收式制冷技術(shù)的市場(chǎng)化不僅涉及到技術(shù)問(wèn)題,而且還與人們的消費(fèi)觀念、環(huán)保節(jié)能意識(shí)有關(guān),同時(shí)國(guó)家在能源政策方面的引導(dǎo)也有很大的關(guān)系,因此真正實(shí)現(xiàn)無(wú)泵吸收制冷技術(shù)能夠進(jìn)入家用領(lǐng)域,還有很多工作要做。

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