何麗娟 朱超群 楊 彬 王麗芳 張少華 肖卓楠

(1內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 包頭 014010；2內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院 包頭 014030)

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新型雙溫驅(qū)動吸收制冷循環(huán)性能

何麗娟1朱超群1楊 彬2王麗芳1張少華2肖卓楠1

(1內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 包頭 014010；2內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院 包頭 014030)

針對跨臨界CO2壓縮制冷系統(tǒng)制取冷量以消耗高品位能量為代價的問題，本文依據(jù)能量梯級利用原理，提出雙溫低品位熱源驅(qū)動的新型CO2-[emim][Tf2N]吸收式制冷循環(huán)的新流程，在構(gòu)建該制冷循環(huán)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，搭建測試雙溫驅(qū)動吸收制冷循環(huán)性能的實(shí)驗(yàn)裝置，利用模擬和實(shí)驗(yàn)方法分析了操作參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。在定流量的條件下，研究驅(qū)動熱源溫度、冷卻水入口溫度以及載冷劑入口溫度等操作參數(shù)對新系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明雙溫驅(qū)動新型吸收制冷系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)高效制冷，而且最低制冷溫度可達(dá)到-15.2 ℃，研究結(jié)果為CO2-離子液體制冷系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)計(jì)算提供實(shí)用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

雙溫低品位熱源；CO2-[emim][Tf2N]；吸收制冷系統(tǒng)；傳熱傳質(zhì)；系統(tǒng)性能

吸收制冷系統(tǒng)可被地?zé)岷吞柲艿鹊推肺荒茉打?qū)動，有效節(jié)省高品位能源，因此成為制冷領(lǐng)域的重要研究方向之一[1]。制冷工質(zhì)CO2是一種對環(huán)境友好的自然工質(zhì)，具有傳熱損失小、節(jié)流損失小、單位容積制冷量大等優(yōu)點(diǎn)[2-5]，而CO2大多在壓縮制冷機(jī)中作為制冷工質(zhì)，以消耗高品位能量制取冷量。隨著對離子液體的深入研究[6-9]，解決了吸收制冷系統(tǒng)中可利用CO2做制冷工質(zhì)的問題。

Sen M等[10-11]分別采用CO2-[bmim]PF6(1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽)作為吸收式制冷循環(huán)的制冷工質(zhì)對，當(dāng)制冷溫度為278 K，冷凝溫度為313 K時系統(tǒng)COP是0.11。羅二倉等[12-14]采用CO2-[bmim]PF6作為新型吸收工質(zhì)對，模擬結(jié)果表明該吸收制冷循環(huán)的熱力性能并不理想，制冷溫度為5 ℃、COP僅為0.49。

針對上述離子液體的溶解度不高的問題，Kim Y S等[15]、Schilderman A M等[16]、Yokozeki A等[17]、Meysam M等[18]對離子液體[emim][Tf2N](1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲基磺酰亞胺)和CO2的VLE數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測，研究表明[emim][Tf2N]對CO2氣體具有極好的吸收能力。當(dāng)CO2摩爾分?jǐn)?shù)為12.3%～59.3%、溫度為310～450 K、壓力≤15 MPa的條件下，CO2溶度最高可達(dá)到約60%(摩爾分?jǐn)?shù))，CO2在離子液體[emim][Tf2N]中的溶度隨著壓力的增加及溫度的降低而增加，因此，咪唑型離子液體 [emim][Tf2N]對CO2的溶解度較大，在吸收處理CO2方面具有極好的潛力。故本文選用CO2-[emim][Tf2N]作為新制冷系統(tǒng)的吸收制冷工質(zhì)對。

為了降低溶液溫度和增強(qiáng)溶液吸收能力，依據(jù)能量梯級利用原理，提出一種雙溫低品位熱驅(qū)動新型CO2-[emim][Tf2N]吸收式制冷循環(huán)，該系統(tǒng)以低品位熱驅(qū)動吸收制冷循環(huán)制取的低品位冷量置換高品位冷量，冷量品位實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，提高吸收制冷系統(tǒng)性能。

1 雙溫驅(qū)動新型CO2-[emim][Tf2N]吸收制冷循環(huán)

圖1是雙溫?zé)狎?qū)動新型CO2-[emim][Tf2N]吸收式制冷系統(tǒng)流程原理圖。制冷劑富液在發(fā)生器1中吸收溫度在100～130 ℃低品位熱源的熱量氣化為高壓過熱的制冷劑蒸氣，進(jìn)入氣體冷卻器被冷卻水冷凝成制冷劑液體，制冷劑液體分為兩路，一路經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓，低溫低壓的制冷劑液體進(jìn)入蒸發(fā)器，在此蒸發(fā)制冷，制冷劑蒸氣被吸收蒸發(fā)器的制冷劑貧液吸收，成為低溫側(cè)的制冷劑富液，經(jīng)溶液泵加壓后泵入發(fā)生器2，在此被溫度在60～90 ℃的低品位熱源汽化成壓力和溫度較高的制冷劑蒸氣，分兩支，當(dāng)輸入發(fā)生器1的熱量不足以維持系統(tǒng)正常運(yùn)行時，將來自發(fā)生器2的一支制冷劑蒸氣量作為補(bǔ)充氣源經(jīng)閥門1引入氣體冷卻器；另一支與來自吸收蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣匯合后進(jìn)入吸收器1，被來自發(fā)生器1的制冷劑貧液吸收，成為高溫側(cè)的制冷劑富液，不僅提高了吸收器的吸收壓力和系統(tǒng)中制冷劑質(zhì)量流量，還降低了循環(huán)倍率，提高了系統(tǒng)的COP。另一路制冷劑液體進(jìn)入過冷器，換熱后成為過冷液體，在吸收蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱被汽化為低壓制冷劑蒸氣，與另一支來自發(fā)生器2的氣態(tài)制冷劑匯合，在吸收器1被來自發(fā)生器1制冷劑貧液吸收成為制冷劑富液，經(jīng)溶液泵加壓后泵入發(fā)生器1，之后重復(fù)上述循環(huán)。

吸收-壓縮制冷系統(tǒng)還有一些輔助設(shè)備、若干測試儀器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。其中數(shù)據(jù)采集是利用Agilent34970A數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元以及PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，采集系統(tǒng)的溫度、流量等操作參數(shù)。為確保溫度測量精度，所有銅-康銅熱電偶以及鉑電阻均在氣液相平衡實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行標(biāo)定，精度為±0.1 ℃[10]；采用德魯克精度為±0.04% FS的壓力傳感器測量壓力；采用美國EESIFLO公司生產(chǎn)的EESIFLO6000便攜式超聲波流量計(jì)和AMERSION F025P150C型質(zhì)量流量計(jì)測量制冷劑質(zhì)量流量，其中AMERSION流量計(jì)測量精度為0.2級；EESIFLO6000流量計(jì)測量液體體積流量的最高精度為0.5級，最高量程流速為25 m2/s，最小讀數(shù)為0.01 m2/s。

圖1 雙溫?zé)狎?qū)動的新型吸收式制冷循環(huán)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of the new absorption refrigeration system driven by double hot source

2 構(gòu)建新型吸收制冷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

依據(jù)能量和質(zhì)量守恒原理，建立雙溫CO2-[emim][Tf2N]吸收制冷循環(huán)熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型，分析操作參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，制冷系統(tǒng)各部件的熱力學(xué)模型表示如下：

∑mi-∑mo=0

(1)

∑mixi-∑moxo=0

(2)

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下式：

Q+∑mihi-∑moho=0

(3)

新型吸收制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)：

(4)

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基于雙溫?zé)狎?qū)動新型CO2-[emim][Tf2N]吸收式制冷系統(tǒng)的工作原理和數(shù)值模擬，自行搭建測試CO2-[emim][Tf2N]吸收式制冷系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)臺。設(shè)定冷卻水流量和載冷劑流量值，在指定范圍內(nèi)調(diào)整發(fā)生器1、發(fā)生器2、冷卻水水箱和載冷劑水箱的輸入功率，用來改變高低溫?zé)嵩礈囟?、冷卻水和載冷劑入口溫度。測量采集系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控采集所需數(shù)據(jù)，同時尋找吸收制冷系統(tǒng)最佳溶液循環(huán)量。運(yùn)行CO2-[emim][Tf2N]吸收式制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

1)給定低溫?zé)嵩礈囟?、冷卻水進(jìn)口溫度和載冷劑入口溫度，熱源溫度在102～120 ℃范圍內(nèi)變化時，測定CO2-[emim][Tf2N]吸收式制冷系統(tǒng)的各設(shè)備熱負(fù)荷等參數(shù)隨高溫?zé)嵩礈囟鹊淖兓厔荨?/p>

2)給定高溫?zé)嵩礈囟取⒗鋮s水進(jìn)口溫度和載冷劑入口溫度，低溫溫度在60～90 ℃范圍內(nèi)變化時，測定CO2-[emim][Tf2N]吸收式制冷系統(tǒng)的各設(shè)備熱負(fù)荷等參數(shù)隨低溫?zé)嵩礈囟鹊淖兓厔荨?/p>

3)給定高溫?zé)嵩礈囟?、低溫?zé)嵩礈囟群洼d冷劑入口溫度，冷卻水進(jìn)口溫度在19～27 ℃范圍內(nèi)變化時，測定CO2-[emim][Tf2N]吸收式制冷系統(tǒng)的各設(shè)備熱負(fù)荷等參數(shù)隨冷卻水入口溫度的變化趨勢。

4)給定高溫?zé)嵩礈囟?、低溫?zé)嵩礈囟群屠鋮s水進(jìn)口溫度，載冷劑入口溫度在-5～11 ℃范圍內(nèi)變化時，測定CO2-[emim][Tf2N]吸收式制冷系統(tǒng)各設(shè)備熱負(fù)荷等參數(shù)隨載冷劑入口溫度的變化趨勢。

4 性能分析

在定流量的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)冷卻水質(zhì)量流量為0.1 kg/s，載冷劑質(zhì)量流量為0.05 kg/s，循環(huán)的溶液循環(huán)量為0.06 kg/s，高低溫發(fā)生制冷劑質(zhì)量流量比為9.0時，分析驅(qū)動熱源溫度、冷卻水入口溫度和蒸發(fā)器載冷劑入口溫度等操作參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

4.1 驅(qū)動熱源溫度變化對新循環(huán)性能的影響

當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩礈囟葹?0 ℃，冷卻水進(jìn)口溫度為23 ℃，載冷劑入口溫度為5 ℃時，新型跨臨界CO2-[emim][Tf2N]吸收制冷系統(tǒng)的制冷量和COP隨高溫?zé)嵩礈囟茸兓那€如圖2所示。

圖2 高溫?zé)嵩礈囟葘OP的影響Fig.2 Effect of high heat source temperature on COP

由圖2和圖3可知，在外界條件相同時，隨著高溫?zé)嵩礈囟鹊脑龃?，新型跨臨界CO2-[emim][Tf2N]吸收系統(tǒng)的制冷量和COP均呈現(xiàn)上升趨勢，由于吸收器的溶液濃度不變，系統(tǒng)的放氣范圍增大，制冷循環(huán)的制冷劑流量增大，因此新系統(tǒng)COP增大。

圖3 高溫?zé)嵩礈囟葘χ评淞康挠绊慒ig.3 Effect of high heat source temperature on QE

圖4 低溫?zé)嵩礈囟葘OP的影響Fig.4 Effect of low heat source temperature on COP

圖5 低溫?zé)嵩礈囟葘χ评淞康挠绊慒ig.5 Effect of low heat source temperature on QE

新型跨臨界CO2-[emim][Tf2N]吸收制冷系統(tǒng)的制冷量和COP隨低溫?zé)嵩礈囟茸兓那€如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，在外界條件相同時，新循環(huán)COP和制冷量均隨低溫側(cè)熱源溫度的增加而增加，由于發(fā)生溫度較低，故COP和制冷量的增加幅度較緩，但可以實(shí)現(xiàn)利用低溫側(cè)吸收制冷系統(tǒng)產(chǎn)生低品位冷量實(shí)現(xiàn)高效制冷目的。

由圖2～圖5可以看出，隨著高低溫?zé)嵩礈囟鹊脑黾?，新系統(tǒng)COP、制冷量的模擬值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢一致。研究結(jié)果表明雙溫驅(qū)動新型吸收制冷系統(tǒng)中，利用熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量梯級利用原理，以低溫低品位熱源驅(qū)動吸收制冷循環(huán)制取的低品位冷量作為補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了冷量品位間的轉(zhuǎn)換，具有較高的效率。

4.2 冷卻水入口溫度變化對新循環(huán)性能的影響

當(dāng)高溫?zé)嵩礈囟葹?10 ℃，低溫?zé)嵩礈囟葹?0 ℃，蒸發(fā)器載冷劑入口溫度為5 ℃時，雙溫驅(qū)動新吸收制冷系統(tǒng)的制冷量、COP和制冷溫度隨冷卻水入口溫度變化曲線如圖6～圖8所示。

由圖6和圖7可知，在外界條件相同時，隨冷卻水入口溫度增加，雙溫低品位驅(qū)動CO2-[emim][Tf2N]吸收制冷系統(tǒng)制冷量和COP隨冷卻水入口溫度升高而降低。由圖8可知，新系統(tǒng)蒸發(fā)溫度隨冷卻水進(jìn)口溫度增加而增加，最低制冷蒸發(fā)溫度為-15.2 ℃。圖6～圖8可以看出，模擬值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，變化趨勢一致。

圖6 冷卻水入口溫度對COP的影響Fig.6 Effect of cooling water temperature on COP

圖7 冷卻水入口溫度對制冷量的影響Fig.7 Effect of cooling water temperature on QE

圖8 冷卻水入口溫度對蒸發(fā)溫度的影響Fig.8 Effect of cooling water temperature on TE

依據(jù)吸收制冷循環(huán)原理可知，有效降低溶液溫度是提高系統(tǒng)COP的有效途徑之一，故冷卻水入口溫度越低，過冷器就會獲取越高的冷量，更能降低吸收蒸發(fā)器的溶液溫度，減小循環(huán)倍率，制取更多高品位冷量，提高系統(tǒng)性能，反之則不利于系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

4.3 蒸發(fā)器載冷劑入口溫度變化對新循環(huán)性能的影響

當(dāng)高溫?zé)嵩礈囟葹?10 ℃，低溫?zé)嵩礈囟葹?0 ℃，冷卻水入口溫度為23 ℃時，雙溫低品位熱驅(qū)動CO2-[emim][Tf2N]吸收制冷系統(tǒng)的制冷量和COP隨載冷劑入口溫度變化的曲線如圖9和圖10所示。

圖9 載冷劑入口溫度對COP的影響Fig.9 Effect of cooled water temperature on COP

由圖9和圖10可知，在外界條件相同的條件下，隨著載冷劑溫度的升高，雙溫驅(qū)動新型吸收制冷系統(tǒng)的COP和制冷量隨著載冷劑入口溫度的增加而增加。說明新系統(tǒng)充分利用了能量梯級利用的原理，利用吸收蒸發(fā)器進(jìn)行循環(huán)耦合，使冷量品位得到提升，豐富了吸收制冷循環(huán)科學(xué)理論，也為有效利用低品位的低溫?zé)嵩础⒐?jié)省高品位能源、拓展CO2回收再利用的應(yīng)用范圍提供了新思路。

圖10 載冷劑入口溫度對制冷量的影響Fig.10 Effect of cooled water temperature on QE

從以上各圖可以看出，模擬值和實(shí)驗(yàn)值變化趨勢一致。以COP精度為例進(jìn)行分析，COP的平均相對誤差16.3%，其中CO2-[emim][Tf2N]溶液比焓計(jì)算精度導(dǎo)致的相對誤差為12.1%。分析其原因有：模擬時沒有考慮熱損失和系統(tǒng)壓降帶來的誤差；實(shí)驗(yàn)中的測量誤差；計(jì)算CO2-[emim][Tf2N]熱力學(xué)性質(zhì)時模型計(jì)算精度有待進(jìn)一步提高。上述原因都會引起模擬值和實(shí)驗(yàn)值出現(xiàn)偏差。

5 結(jié)論

本文提出一種雙溫低品位熱源驅(qū)動的CO2-[emim][Tf2N]吸收式制冷新流程，闡述了新流程的工作原理，然后建立組成循環(huán)各個部件的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了雙溫驅(qū)動熱源溫度、冷卻水入口溫度以及蒸發(fā)器載冷劑入口溫度對新循環(huán)熱力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：

1)利用能量梯級利用原理，將吸收器和蒸發(fā)器的能量耦合，減少二者放熱和吸熱過程中的節(jié)流損失，低品位熱源可以制取高品位冷量，還具有較高的效率。

2)在本文研究的條件下，新型雙熱源驅(qū)動吸收制冷系統(tǒng)COP變化范圍為0.4～0.97，與文獻(xiàn)[12-14]相比，COP增幅在50%以上。

3)高溫低品位能源供應(yīng)不足時，新循環(huán)仍可以正常工作。

符號說明

COP——系統(tǒng)的制冷系數(shù)

h——各狀態(tài)點(diǎn)的焓值，kJ/kg

m——各狀態(tài)點(diǎn)質(zhì)量流量，kg/s

Q——各部件負(fù)荷，kW

x——溶液濃度

下標(biāo)

E——蒸發(fā)器

G1——高溫發(fā)生器

G2——低溫發(fā)生器

i——進(jìn)口

o——出口

th——模擬值

exp——實(shí)驗(yàn)值

本文受內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2015MS0547)和產(chǎn)學(xué)研基金(PY-2012)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Inner Mongolia (No.2015MS0547) and CEEUSRO (No.PY-2012).)

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About the corresponding author

He Lijuan, female, professor, Ph. D., master′s supervisor, Institute of Environment and Energy, Inner Mongolia University of Science and Technology, +86 472-5951569, E-mail: zdlilyhe@163.com. Research fields: utilization of low-grade heat source, natural refrigeration substitution.

Experimental Study on Performances of a New Absorption Refrigeration System Driven by Double Low-grade Energy

He Lijuan1Zhu Chaoqun1Yang Bin2Wang Lifang1Zhang Shaohua2Xiao Zhuonan1

(1. Institute of Environment and Energy, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, 014010, China; 2. Baotou Teachers’ College, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, 014030, China)

To solve the problem caused by transcritical CO2compression refrigeration system, a new absorption refrigeration system driven by double low-grade energy was presented based on the principle of energy cascade utilization. Based on mathematical model for each component of the system, an experimental equipment driven by the double low-grade energy were developed. The effect of operating parameters, such as hot source temperature, cooling water inlet temperature and cooled medium, on the system performances had been investigated under constant flow rate. The results showed that the new absorption refrigeration system owned a higher COP and the lowest refrigeration temperature -15.2 ℃ under the same experimental conditions. The study results are helpful to the optimal design.

double low-grade energy; CO2-[emim][Tf2N]; absorption refrigeration system; heat and mass transfer; system performance

0253- 4339(2016) 02- 0059- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.059

國家自然科學(xué)基金(51106068 & 51566014)資助項(xiàng)目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51106068 & No.51566014)

2015年7月8日

TB61+6; TB61+2

A

簡介

何麗娟，女，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，(0472)5951569，E-mail: zdlilyhe@ 163.com。研究方向：低品位能源熱利用，自然工質(zhì)替代。