李仁軍 葉少春

1.吸收式制冷的行業(yè)發(fā)展

隨著生產(chǎn)發(fā)展和技術(shù)革新，制冷技術(shù)的應(yīng)用已非常廣泛。根據(jù)制冷原理的不同，制冷技術(shù)有蒸汽壓縮式、吸收式、蒸汽噴射式等多種，其中蒸汽壓縮式的應(yīng)用最為普遍。

壓縮式制冷的主要優(yōu)點是性能系數(shù)高，部件少，使用方便，因此在除冰箱以外的空氣調(diào)節(jié)、食品速凍、低溫過程等多種領(lǐng)域也都得到了普遍應(yīng)用。壓縮式制冷必須消耗電能或機械能帶動壓縮機才能使制冷系統(tǒng)正常工作循環(huán)，壓縮式制冷需要消耗大量的電能，因此電力成本十分巨大。所以，發(fā)展耗電量極少的吸收式制冷是十分有必要的。

吸收式制冷機組的工作原理早在1842年就已經(jīng)被英國的物理學(xué)家和化學(xué)家法拉第（Faraday）所應(yīng)用。當(dāng)時他利用液氨蒸發(fā)產(chǎn)生冷效應(yīng)的原理，使用一個密閉系統(tǒng)讓氯化銀把氨氣吸收。1850年，法國工程師凱利愛（Ferdinand P.E.Carre）在巴黎制出了第一臺氨水吸收式制冷機組，但由于當(dāng)時能源價格低廉的緣故，直到上世紀三十年代，氨水吸收式制冷機組才得到復(fù)蘇。

目前，真正被廣泛應(yīng)用的制冷工質(zhì)對有兩種，即溴化鋰與水、氨與水。前者以水為制冷劑，以溴化鋰為吸收劑，后者以氨為制冷劑，以水為吸收劑。但以水為制冷劑時，蒸發(fā)溫度不能達到0°以下，因此以溴化鋰—水為工質(zhì)對的制冷機組雖然有著很多優(yōu)點，但它只能局限于產(chǎn)生5℃以上的冷媒水供空調(diào)和某些工藝過程冷卻使用。

要獲得0℃以下的低溫，就要使用氨水吸收式制冷，這種機組需求溫度不高，能產(chǎn)生10℃到-60℃的蒸發(fā)溫度，被工業(yè)系統(tǒng)所使用。但由于吸收劑水的沸點與氨的沸點差別不大，因此吸收劑水也會隨著制冷劑-氨一起蒸發(fā)，大大降低了制冷效果，雖然采取精餾等工序，可是同時增加了工藝系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及系統(tǒng)的制冷效率。

2.基于TC工質(zhì)的余熱制冷技術(shù)

近幾年來，加拿大卡爾頓大學(xué)新能源技術(shù)研究室將一種新型的多元制冷工質(zhì)應(yīng)用于制冷/熱泵系統(tǒng)中，使整個系統(tǒng)能夠高效持久的工作。該工質(zhì)的主要成分是氨鹽溶液和催化劑、抗氧劑。

相比于其他熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

1.制冷溫度能夠達到最低零下25度，該系統(tǒng)的制冷劑為氨，有效的克服了溴化鋰-水系統(tǒng)中制冷劑凝固點偏高的缺點。

2.系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)簡單，在發(fā)生過程中只有氨會蒸發(fā)，溶液工質(zhì)對其他組成部分不會蒸發(fā)，因此系統(tǒng)可以避免精餾過程，有效的增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了制造成本。

3.制冷劑潛熱大，具有適宜的飽和蒸發(fā)壓力，吸收劑比熱小、溶液黏度小、導(dǎo)熱性好、有效增加了換熱效率，減小了換熱器面積。

4.溶液的腐蝕性小、熱穩(wěn)定性好，價格低廉。

其工藝原理如上圖所示：

1.通過溶液泵將吸收器中具有一定濃度的富溶液輸送至發(fā)生器，并利用工作熱源132℃的廢熱對其進行加熱，使溶液中大部分低沸點的氨得以蒸發(fā)。

2.氨蒸氣進入冷凝器中，被循環(huán)冷卻水冷卻成飽和液體，與蒸發(fā)器出來的低溫氨蒸汽在氣液換熱器中換熱后節(jié)流降壓到蒸發(fā)壓力。

3.液氨經(jīng)節(jié)流進入蒸發(fā)器中，吸收被冷卻介質(zhì)乙二醇熱量汽化成蒸發(fā)壓力下的氨蒸氣，經(jīng)氣液換熱器復(fù)熱后進入吸收器中。

4.在發(fā)生器中經(jīng)發(fā)生過程剩余的貧溶液進入貧富液熱交換器中與經(jīng)吸收器吸收后的富溶液換熱后節(jié)流降壓進入吸收器中，與從蒸發(fā)器出來的低壓氨蒸氣相混合，吸收低壓氨蒸氣并恢復(fù)到原來的濃度。

5.吸收過程是一個放熱過程，故需在吸收器中用冷卻水來冷卻混合溶液。在吸收器中恢復(fù)了濃度的溶液又經(jīng)溶液泵升壓后進入貧富液熱交換器中與貧溶液換熱后送入發(fā)生器中繼續(xù)循環(huán)。

3.余熱回收型深度制冷中試項目

中鹽安徽紅四方股份有限公司與安徽沃特普爾節(jié)能科技有限公司簽訂了《余熱回收型深度制冷項目中試協(xié)議》。該項目協(xié)議用于中鹽紅四方西區(qū)保險粉裝置生產(chǎn)現(xiàn)場，根據(jù)現(xiàn)場可利用的精餾、二氧化硫冷凝液105℃、12m3/h的余熱，設(shè)計專用機組，可制備-2℃—5℃溫差，冷凍液30m3/h，制冷量達137kw，cop為0.6。本臺樣機設(shè)計生產(chǎn)制造安裝后，測試該機組的各項參數(shù)性能，為后期的推廣應(yīng)用提供實際數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)雙方簽訂的《余熱回收型深度制冷項目中試協(xié)議》，安徽沃特普爾節(jié)能科技有限公司于2016年9月將余熱制冰設(shè)備運送至甲方現(xiàn)場。在雙方的配合下，設(shè)備于2016年11月安裝、調(diào)試完畢，各外部接口對接完成，達到預(yù)期工況，項目具備測試驗收條件。

3.1 設(shè)計工況

序號 項目 參數(shù)1熱源形式 冷凝水2熱源溫度 105℃3熱源流量 12m3/h 4冷卻水溫度 29℃/33℃

3.2 中試預(yù)期制冷效果：

序號 項目 參數(shù)1制冷劑 類乙二醇2制冷劑進口溫度 3℃3制冷劑出口溫度 -2℃4制冷溫差 5℃5制冷劑流量 30m3/h 6制冷量 137kW/94KW 7機組耗電功率 ≤4kW

3.3中式項目現(xiàn)場各工況下制冷效果情況

以下結(jié)果根據(jù)原設(shè)計條件的12噸/小時熱水量計算，現(xiàn)在熱水量為17噸/小時，其他條件不變，冷卻水升溫至29℃時還可以制取167 KW左右-5℃的冷，33℃時只能制102 KW冷量。另外，所有計算都是根據(jù)溶液循環(huán)量不變的情況來做的，增大溶液循環(huán)量可以獲得更大的制冷量。

3.3.1熱源入口溫度為105℃時，制冷量計算：

冷卻水溫度 33℃ 29℃ 26℃-5℃ 72 118 150-3℃ 87 131 164-2℃ 94 137 170 2℃ 119 163 197制冷量（kW）

3.3.2熱源入口溫度為108℃時，制冷量計算：

冷卻水溫度 33℃ 29℃ 26℃-5℃ 87 131 164-3℃ 101 144 177-2℃ 107 150 184 2℃ 133 177 211制冷量（kW）

3.3.3熱源入口溫度為某個溫度（120）℃時，制冷量計算：

冷卻水溫度 33℃ 29℃ 26℃-5℃ 140 182 216-3℃ 152 196 230-2℃ 159 203 237制冷量（kW）

3.4 中試項目結(jié)果分析

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，本余熱制冰設(shè)備在設(shè)計工況時可達到138kW的制冷量，據(jù)統(tǒng)計螺桿式制冷機組制取-5℃低溫時COP約為3.0，則其制取138 kW、-5℃的冷量消耗的電功率為：138kW÷3.0=46kW，扣除余熱制冰設(shè)備循環(huán)泵的功率5kW，使用的50T循環(huán)，循環(huán)水風(fēng)機能耗0.035kW/m3，循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機能耗為50×0.035 kW/m3=1.75kW，循環(huán)水泵能耗約為風(fēng)機的兩倍，即3.5kW，總的節(jié)能量為：45-5-1.75-3.5=34.75kW，節(jié)能效益可觀。

4.利用蒸汽冷凝液余熱深度制冷技術(shù)應(yīng)用

余熱回收型深度制冷中試項目的順利實施，驗證了安徽沃特普爾節(jié)能科技有限公司余熱制冷技術(shù)的可行性。2017年2月，中鹽安徽紅四方股份有限公司與安徽沃特普爾節(jié)能科技有限公司進行合作，開始設(shè)計建設(shè)蒸汽冷凝液余熱深度制冷工業(yè)化應(yīng)用裝置，回收乙二醇生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的132℃的高溫蒸汽冷凝液作為熱力驅(qū)動，利用新型吸收式制冷系統(tǒng)，制取生產(chǎn)過程中所需的-20.2℃低溫冷源，替代傳統(tǒng)壓縮式制冷系統(tǒng)，達到節(jié)約用電的目的。

4.1 具體操作參數(shù)和冷端需求數(shù)據(jù)如下：

序號 項目 余熱/制冷參數(shù) 備注1系統(tǒng)名稱 高溫冷凝液2余熱產(chǎn)生及部位說明 回收冷凝液罐3余熱形式 熱水4余熱狀況 無雜質(zhì)，無腐蝕5余熱溫度（℃） 約132 6余熱壓力（MPa.G） 0.7余熱參數(shù)余熱總量（Ton/h) 正常350最大436 8余熱日運行時間段 24h 9余熱年運行時間(h) 8000 10 利用后余熱介質(zhì)排放溫度（℃） 約109 11 利用后余熱介質(zhì)壓降（KPa） ≤60 12 7載冷劑介質(zhì) ～46.4wt%乙二醇水溶液13 載冷劑進出口溫度（℃） 入口-11.7～-13.3出口-20.2 14 載冷劑流量(m3/h) 441.8 15 載冷劑進口壓力（MPa.G） 0.9 16 載冷劑壓降（KPa） ≤60 17 制冷量要求（kW） 正常值2400最大值3600 18 冷量日需求時間段 24h 19 冷量年需求時間（h） ≥8000制冷參數(shù)

4.2 項目建設(shè)

根據(jù)余熱參數(shù)及冷量需求，安徽沃特普爾節(jié)能科技有限公司設(shè)計了本套裝置。于2018年完成施工、檢驗、試壓、吹掃、調(diào)試，于2019年初開始運行，取得了各項系統(tǒng)運行參數(shù)，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)完成了結(jié)果計算，通過了性能驗收試驗，達到了設(shè)計要求。

本裝置分為A、B兩套相同的系統(tǒng)，設(shè)計單套制冷量為2000KW，兩套同時運行以替代乙二醇裝置制冷工段的螺桿壓縮機制冷。本裝置設(shè)計單套系統(tǒng)的外部運行參數(shù)如下：

序號 項目 參數(shù)1額定蒸汽冷凝流量 132 ℃2額定蒸汽冷凝流量 175 T/h 3 額定載冷劑進口溫度 -11.7 ℃4 額定載冷劑出口溫度 -20.2 ℃5額定載冷劑流量 237 T/h 6額定制冷量 2000 KW 7系統(tǒng)COP 0.43

4.3 項目驗收

在制冷裝置連續(xù)平穩(wěn)運行72小時后，制冷量能夠達到生產(chǎn)工藝需求，本項目正式驗收，中鹽安徽紅四方股份有限公司與安徽沃特普爾節(jié)能科技有限公司簽訂驗收報告。

根據(jù)項目測試期間的運行情況，機組的制冷量可以達到設(shè)計值，完全滿足乙二醇裝置滿負荷用冷量。

5.發(fā)展與前景

氨水吸收式制冷技術(shù)作為制冷研究領(lǐng)域里的一個分支，越來越多地受到了研究者們的關(guān)注。作為以熱能為驅(qū)動的制冷機，在當(dāng)今提倡能源綜合利用方面起到了很好的作用。

尤其是基于TC工質(zhì)的吸收式余熱深度制冷，憑借著其制冷工質(zhì)對的優(yōu)良特性，擺脫了當(dāng)今氨水吸收式余熱制冷的桎梏，縮減了其精餾等很大部分的工藝流程，使得整個制冷工藝系統(tǒng)更加簡化。

中鹽安徽紅四方股份有限公司余熱深度制冷項目的成功運行，標志著基于TC工質(zhì)的余熱制冷技術(shù)工業(yè)化的順利實現(xiàn)。基于TC工質(zhì)的吸收式余熱制冷技術(shù)必將成為工業(yè)制冷的主流方向之一。