何麗娟，袁致林，龐赟佶，王 征，高 嵩

（1.內蒙古科技大學能源與環(huán)境學院，內蒙古包頭 014010；2.倫敦大學學院機械工程學系，倫敦WC1E 7JE）

新型低品位熱驅動CO2-［em im］［Tf2N］吸收制冷循環(huán)性能

何麗娟1，袁致林1，龐赟佶1，王 征2，高 嵩1

（1.內蒙古科技大學能源與環(huán)境學院，內蒙古包頭 014010；2.倫敦大學學院機械工程學系，倫敦WC1E 7JE）

針對傳統(tǒng)低品位驅動的吸收制冷系統(tǒng)不能連續(xù)工作且制冷效率低的缺陷，本文依據(jù)熱力學第二定律和能量梯級利用原理，提出了一種新型雙低品位熱驅動CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷系統(tǒng)。在闡述雙低品位熱驅動CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷系統(tǒng)工作原理的基礎上，建立了制冷系統(tǒng)各部件的數(shù)學模型，計算并分析系統(tǒng)高低溫發(fā)生制冷劑配比、高壓箱體壓力以及冷卻水入口溫度等操作參數(shù)，對新系統(tǒng)熱力學性能的影響規(guī)律。模擬結果表明：雙低品位熱驅動新型吸收制冷系統(tǒng)不僅可以連續(xù)工作，而且具有較高的制冷效率。與傳統(tǒng)CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)的制冷因數(shù)提高了48.5%。

雙低品位熱源；CO2-［emim］［Tf2N］；吸收制冷；傳熱傳質；循環(huán)性能

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球氣候變暖和化石能源枯竭問題成為人類關注的焦點。因此，太陽能等低品位熱源的熱利用受到國內外學者廣泛關注。吸收式制冷技術可直接利用低品位能源，并且具有較高的能量轉換效率。常用的吸收制冷工質分為水系、氨系、氟利昂系、醇系和自然工質系，其中氯氟烴（CFCs）和氫氯氟烴（HCFCs）等人工制冷工質會引起溫室效應，故自然工質制冷劑成為解決環(huán)境問題的關鍵［1－2］。文獻［3］提出CO2（R744）是一種具有零臭氧消耗潛能值（ODP）和較低全球變暖潛能值（GWP）特性的自然工質，其黏度小、傳熱損失小、化學性質穩(wěn)定，CO2大多用于壓縮制冷系統(tǒng)，在吸收制冷系統(tǒng)中鮮有報導。隨著對CO2吸收劑的深入研究，離子液體的出現(xiàn)解決了吸收制冷工質對的問題。離子液體具有良好的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、低揮發(fā)性、無毒性和環(huán)境友好性［4－5］。

文獻［6－7］對以CO2-［bmim］［PF6］作為制冷工質對的吸收制冷系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，模擬結果表明：當制冷溫度為278 K、冷凝溫度為313 K時，吸收制冷系統(tǒng)的制冷因數(shù)為0.11。文獻［8－9］計算分析了一種CO2-［bmim］PF6吸收制冷系統(tǒng)的熱力性能，模擬結果表明：當蒸發(fā)壓力為4 MPa、制冷溫度為278 K時，吸收制冷系統(tǒng)的性能因數(shù)COP為0.49。上述吸收制冷系統(tǒng)的制冷因數(shù)相對較低，原因在于CO2在離子液體［bmim］［PF6］中溶解度較小，溶解過程中反應熱過高，這些因素限制CO2－離子液體吸收制冷系統(tǒng)熱力因數(shù)的提高。文獻［10－11］對離子液體［em im］［Tf2N］（1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲基磺酰亞胺）和CO2氣液平衡（VLE）數(shù)據(jù)進行了測量，測量結果表明：與離子液體［em im］［PF6］和［bm im］［PF6］相比，［em im］［Tf2N］對CO2氣體具有極好的吸收能力。當CO2摩爾分數(shù)為12.3%～59.3%、溫度為310～450 K、壓力≤15 MPa的條件下，CO2溶解度最高可達到約60%（摩爾分數(shù)），因此，咪唑型離子液體［emim］［Tf2N］對CO2的溶解度較大。

針對CO2-離子液體吸收制冷系統(tǒng)性能因數(shù)COP低的問題，依據(jù)熱力學第二定律和能量梯級利用原理，本文提出一種新型雙低品位熱驅動的CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷循環(huán)，有效利用新型雙低品位熱驅動吸收制冷系統(tǒng)實現(xiàn)高低品位冷量的轉換，當高溫低品位熱源供應不足時，新型吸收制冷系統(tǒng)仍可高效制冷。

1 新型低品位熱驅動CO2-［em im］［Tf2N］吸收式制冷循環(huán)的工作原理與特點

圖1為新型雙低品位熱驅動CO2-［em im］［Tf2N］吸收制冷循環(huán)流程原理圖。發(fā)生器1中制冷劑富液被溫度在100～120℃的低品位高溫熱源汽化為高壓過熱狀態(tài)制冷劑蒸汽，作為工作氣體在氣體冷卻器中被冷凝成制冷劑液體后分成兩路。一路經(jīng)節(jié)流閥2節(jié)流后，低溫低壓的制冷劑經(jīng)噴淋器均勻噴淋于蒸發(fā)器上產生低溫低壓制冷劑蒸汽，在吸收蒸發(fā)器2被來自發(fā)生器2的制冷劑貧液吸收成為制冷劑富液，被溶液泵泵入發(fā)生器2，被溫度為50～90℃的低品位低溫熱源加熱，汽化成較高壓較高溫度制冷劑蒸汽，作為補充氣體分兩支。一支當?shù)推肺桓邷責嵩礈囟忍?，發(fā)生器1發(fā)生量不足時，制冷劑蒸汽經(jīng)閥門3作為循環(huán)的補充汽源，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作；另一支經(jīng)閥門4與來自吸收蒸發(fā)器2的低壓制冷劑蒸汽混合進入吸收器1中，在高壓條件下被吸收，以降低循環(huán)倍率，提高系統(tǒng)的性能因數(shù)COP。另一路經(jīng)氣體冷卻器冷凝后的制冷劑液體經(jīng)閥門1進入換熱器，換熱后成為過冷液體，在吸收蒸發(fā)器2中吸熱蒸發(fā)為低壓制冷劑蒸汽，與來自發(fā)生器2的另一支氣態(tài)制冷劑混合進入吸收器1，被來自發(fā)生器1的制冷劑貧液在高壓條件下吸收放熱，熱量被冷卻水帶走，制冷劑富液被溶液泵泵入發(fā)生器1，重復上述循環(huán)。

圖1 新型雙低品位熱驅動CO2-［em im］［Tf2N］吸收制冷循環(huán)流程原理圖

該雙低品位熱驅動新型CO2-［emim］［Tf2N］吸收式制冷系統(tǒng)具有以下特點：

（Ⅰ）應用能量梯級利用原理，利用吸收蒸發(fā)器將能量耦合起來，減少了兩者在放熱和吸熱過程中的能量損失，減少系統(tǒng)的外部能源輸入，提高制冷循環(huán)的性能因數(shù)COP。

（Ⅱ）利用品位不同的能源作為聯(lián)合驅動熱源加熱，產生相應品位的能量，可保證CO2吸收制冷系統(tǒng)在單熱源供熱減少時的持續(xù)工作能力，擴展了CO2跨臨界吸收制冷循環(huán)的應用范圍。

（Ⅲ）利用熱交換器過冷來自氣體冷卻器的部分制冷工質，進一步增強吸收器的吸收效果。

2 新型循環(huán)部件數(shù)學建模

新型循環(huán)部件數(shù)學模型由控制方程組成，控制方程基于質量守恒定律、能量守恒定律建立，并將吸收制冷循環(huán)中工質的溫度、壓力、焓、質量流量等作為傳遞函數(shù)。為簡化理論模型，作如下假設：

（Ⅰ）循環(huán)中氣體和液體的解吸或吸收的終了狀態(tài)處于相平衡狀態(tài)。

（Ⅱ）吸收器出口稀溶液與發(fā)生器出口濃溶液均為飽和態(tài)。

（Ⅲ）忽略沿程阻力。

（Ⅳ）忽略管壁和容器壁的熱容量、散熱損失。

（Ⅴ）忽略工質在節(jié)流過程中的節(jié)流損失。

（Ⅵ）忽略發(fā)生器中熱源的傳熱溫差，即認為發(fā)生器中流體的溫度為熱源溫度。

（Ⅶ）不考慮溶液泵的功耗。

循環(huán)各部件溶液總質量守恒方程和溶質質量守恒方程分別為［12］：

除溶液泵外，新型吸收制冷循環(huán)各部件能量守恒方程可寫成：

循環(huán)一些部件的數(shù)學模型如下：

式中：Q為熱負荷或制冷量，kW；m為質量流量，kg／s；COP為性能因數(shù)；h為焓，k J／kg；x為溶液質量分數(shù)，%；下標c表示氣體冷卻器；e表示蒸發(fā)器；ha表示高溫側發(fā)生器；hg表示高溫發(fā)生器 1；hhe表示高溫側溶液換熱器；i表示進口；la表示吸收蒸發(fā)器；lg表示低溫側發(fā)生器 2；lhe表示低溫側溶液換熱器；o表示出口；數(shù)字表示圖中各狀態(tài)點。

3 模擬結果分析與討論

由程序模擬計算，相同模擬條件為：冷卻水質量流量為0.1 kg／s，載冷劑質量流量為0.05 kg／s，系統(tǒng)的溶液循環(huán)量為0.06 kg／s。

3.1 高低溫發(fā)生制冷劑配比對新循環(huán)性能的影響

高低溫發(fā)生制冷劑配比定義為高溫發(fā)生器制冷劑質量流量（Mhg）與低溫發(fā)生器制冷劑質量流量（Mlg）的比值，即Mhg／Mlg。

當冷卻水入口溫度為23℃、載冷劑入口溫度為5℃、高溫發(fā)生溫度為110℃、低溫發(fā)生溫度為80℃、高低溫發(fā)生制冷劑配比為0.1～30.0時，雙品位熱驅動新吸收制冷系統(tǒng)的性能因數(shù)COP和制冷量隨高低溫發(fā)生制冷劑配比的變化趨勢如圖2所示。圖2中，下標N表示新系統(tǒng)，下同。

由圖2可知：新系統(tǒng)的制冷量和COP隨高低溫發(fā)生制冷劑配比的增加而增加，制冷溫度則隨之降低。當?shù)蜏貍戎评鋭┱羝h(huán)量保持不變時，高溫側制冷劑蒸汽循環(huán)量隨高低溫發(fā)生制冷劑配比增加而增加，新系統(tǒng)中制冷劑蒸汽循環(huán)量增加，故新循環(huán)的COP和制冷量增加，制冷溫度隨之降低。模擬結果表明：當Mhg／Mlg＞15時，COP和制冷量的增幅放緩。因此，高低溫制冷劑配比對新循環(huán)性能影響較大，為保證系統(tǒng)高效運行，高低溫制冷劑配比應在合理范圍內。在相同模擬條件下，高低溫制冷劑配比為10時，新系統(tǒng)具有較高的制冷效率。

3.2 高壓箱體壓力對新循環(huán)性能的影響

當?shù)蜏責嵩礈囟葹?0℃、冷卻水入口溫度為23℃、載冷劑入口溫度為5℃時，高壓箱體壓力為8～12 MPa，新循環(huán)的制冷量和COP隨系統(tǒng)高壓箱體壓力的變化曲線如圖3所示。

圖2 高低溫發(fā)生制冷劑配比對系統(tǒng)COP和制冷量的影響

圖3 高壓箱體壓力對系統(tǒng)COP和制冷量的影響

雙品位熱驅動新循環(huán)的高壓箱體壓力就是高溫發(fā)生器1和氣體冷卻器所在箱體的壓力。由圖3可知：隨著高壓壓力的升高，新型吸收制冷系統(tǒng)制冷量和COP均減小。因為二元混合體系所處溫度為定值時，CO2在離子液體中的液相摩爾分數(shù)隨著壓力的增加而增加，故系統(tǒng)中制冷劑蒸汽循環(huán)量隨之減小，導致新型吸收制冷系統(tǒng)的COP和制冷量減小，而新型吸收制冷系統(tǒng)制冷溫度隨著高壓箱體壓力的增加而增加。

3.3 冷卻水入口溫度對吸收制冷循環(huán)特性的影響

當高溫熱源溫度為110℃、低溫熱源溫度為80℃、載冷劑入口溫度為5℃、高低溫發(fā)生制冷劑配比為3.0、冷卻水入口溫度為19～27℃時，新型吸收制冷系統(tǒng)的制冷量和COP隨冷卻水入口溫度的變化曲線如圖4所示。圖4中，下標TR表示傳統(tǒng)吸收制冷系統(tǒng)。

傳統(tǒng)CO2-［em im］［Tf2N］吸收制冷系統(tǒng)和雙低品位熱驅動新型CO2-［emim］［Tf2N］制冷系統(tǒng)的COP和制冷量隨冷卻水入口溫度變化的影響規(guī)律如圖4所示。由圖4可知：隨冷卻水入口溫度的增加，傳統(tǒng)吸收制冷系統(tǒng)和雙低品位熱驅動新型吸收制冷系統(tǒng)COP變化趨勢相同，新系統(tǒng)的COP和制冷量都隨冷卻水溫度的升高而降低。當發(fā)生壓力為定值時，冷凝壓力隨著冷凝溫度增加而增加，高壓箱體的壓力逐漸增大，造成系統(tǒng)的COP下降。因此，冷凝溫度越高對系統(tǒng)的循環(huán)性能影響越不利，降低冷凝溫度有利于提高系統(tǒng)性能。

由圖4可知：新型吸收制冷系統(tǒng)的COP明顯高于傳統(tǒng)吸收制冷系統(tǒng)，新循環(huán)COP的變化范圍為0.30～0.68，而傳統(tǒng)循環(huán)COP變化范圍僅為0.30～0.35，進一步證明了雙低品位熱驅動吸收制冷系統(tǒng)可高效制冷思路的正確性。新系統(tǒng)的制冷溫度和蒸發(fā)壓力皆隨冷卻水入口溫度的增加而增加，說明冷卻水溫度升高不利于新系統(tǒng)的高效運行。

圖4 冷卻水入口溫度對COP和制冷量的影響

4 結論

本文提出新型雙低品位熱驅動CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷系統(tǒng)的新流程，建立雙低品位熱驅動CO2-［em im］［Tf2N］吸收制冷系統(tǒng)各部件的數(shù)學模型，由計算程序模擬計算可得到以下結論：

（1）依據(jù)熱力學原理和能量梯級利用原理，提出了一種雙熱源驅動CO2-［em im］［Tf2N］新型吸收制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過能量耦合達到提升低品位熱驅動吸收制冷系統(tǒng)制冷效率的目的。

（2）高低溫制冷劑配比、高壓箱體的壓力和冷卻水的入口溫度都是保證系統(tǒng)高效運行的重要影響因素。當高低溫制冷劑配比Mhg／Mlg為10時，新系統(tǒng)具有較高的制冷效率。

（3）與傳統(tǒng)CO2-［emim］［Tf2N］吸收制冷系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)的COP增加幅度為48.5%。

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TB616

A

1672－6871（2015）05－0025－05

國家自然科學基金項目（51106068）；內蒙古自然科學基金項目（2011BS0710）；產學研基金項目（PY－2012）

何麗娟（1973－），女，河北唐山人，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為低品位熱利用和熱泵系統(tǒng).

2015－03－27