范峻銘 蔣 鵬 余健亭 楊 光 孟 偉 李璐伶

（1.深圳市燃?xì)廨斉浼案咝Ю霉こ碳夹g(shù)研究中心 深圳 518049；2.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 深圳 518049）

0 引言

吸收式制冷是以熱能為驅(qū)動能量來推動制冷循環(huán)產(chǎn)生冷量。H2O/LiBr 是吸收式制冷工質(zhì)對中使用最為廣泛的，其利用蒸發(fā)熱較高的水做制冷劑，具有良好的系統(tǒng)性能和環(huán)境友好性[1]。與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比，溴化鋰吸收式制冷具有耗電量少、熱動力要求低、環(huán)境效益好、運(yùn)行安靜、制造工藝簡單、經(jīng)濟(jì)性能好和變負(fù)荷性能優(yōu)越等特點(diǎn)。煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組指回收燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)或燃機(jī)輪機(jī)排出的煙氣和缸套熱水的余熱進(jìn)行制冷的裝置，以實(shí)現(xiàn)能量的梯級利用，在分布式能源項(xiàng)目中應(yīng)用較多[2,3]。

國內(nèi)外對溴化鋰機(jī)組的研究主要集中在系統(tǒng)仿真及優(yōu)化[1-4]、單效或復(fù)合溴化鋰機(jī)組的關(guān)鍵部件、實(shí)驗(yàn)及參數(shù)分析[5,6]、以及溴化鋰機(jī)組與其他能源如太陽能、合成氣等系統(tǒng)的耦合過程[7,8]。一般而言，適用于匹配大型燃?xì)饫錈犭娙?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的余熱吸收式溴化鋰制冷機(jī)組均在MW 級以上。然而大型天然氣冷熱電分布式能源系統(tǒng)具有初次投資大經(jīng)濟(jì)效益較差、使用場景受限等原因[9]。因此開發(fā)小型的天然氣冷熱電分布式能源系統(tǒng)具有重要意義，然而國內(nèi)外文獻(xiàn)對于小型溴化鋰制冷機(jī)組的性能及其性能提升潛力報(bào)道較少。本文旨在探究及測試適配于匹配小型分布式能源系統(tǒng)的煙氣-熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組性能。

1 測試機(jī)組描述

本文所采用的是國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的煙氣熱水型吸收式制冷機(jī)組，其制冷工藝流程如圖1 所示，與之對應(yīng)的制冷循環(huán)焓-溴化鋰濃度圖如圖2 所示。余熱制冷循環(huán)包括溴化鋰溶液循環(huán)回路和冷劑蒸汽循環(huán)回路。溴化鋰溶液循環(huán)回路由溶液泵1 將溴化鋰溶液抽出開始，依次經(jīng)歷狀態(tài)點(diǎn)2→7→14→15→10→12→13→4→8，狀態(tài)點(diǎn)8 的溴化鋰濃溶液在吸收器內(nèi)吸收冷劑蒸汽后，變成狀態(tài)點(diǎn)2 的稀溶液，完成循環(huán)。在冷劑循環(huán)回路中，高壓發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽3′′′，在低壓發(fā)生器內(nèi)冷卻至3′，然后進(jìn)入冷凝器中冷卻至3。同時，低壓發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽3′′′′和3′，經(jīng)過冷凝器冷卻至3。狀態(tài)點(diǎn)3 的制冷劑經(jīng)U 型節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器換熱后至狀態(tài)點(diǎn)1′，完成循環(huán)。

圖1 煙氣熱水型吸收式制冷機(jī)組工藝流程Fig.1 Process diagram of exhaust-gas-and-hot-water-driven absorption chiller

圖2 煙氣熱水型制冷循環(huán)焓-溴化鋰濃度圖Fig.2 H-Libr(wt%)diagram of exhaust-gas-and-hot-water-driven absorption chiller

試驗(yàn)所采用的國產(chǎn)小型煙氣-熱水型吸收式制冷機(jī)組，其三維模型圖如圖3 所示，機(jī)組的基本參數(shù)見表1。由表1 可知，機(jī)組長寬高分別為3.09m×2.02m×2.83m，機(jī)組設(shè)計(jì)制冷量為130kW，蒸發(fā)壓力為0.9kPa，由水的氣液平衡可知，在該溫度下，水的飽和溫度僅為5.5℃。溴化鋰稀溶液濃度為56%，其放氣范圍為4-5%。溴化鋰溶液中加入鉬酸鋰可有效防止對管道的腐蝕。機(jī)組冷凍水的進(jìn)出口溫度為12℃和7℃，冷卻水進(jìn)出口溫度設(shè)計(jì)值為32℃和37℃。高壓發(fā)生器所需的煙氣進(jìn)出口溫度為543℃和100℃，低壓發(fā)生器所需的缸套熱水進(jìn)出口溫度分別為85℃和80℃。

圖3 煙氣熱水型吸收式制冷機(jī)組三維建模圖Fig.3 3D diagram of exhaust-gas-and-hot-water-driven absorption chiller

表1 制冷機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameter of the chiller

吸收式制冷機(jī)組COP 的定義式為[10]：

式中：Q為總制冷量，kW；QFlue和QJacket分別為煙氣和缸套熱水所提供的熱量，kW。m為質(zhì)量流量，kg/h；Cp為定壓比熱容，kJ/kg·K；Tin和Tout分別為冷凍水進(jìn)口和出口溫度，℃。

依據(jù)上述性能參數(shù)COP 的定義式，該煙氣熱水型制冷機(jī)組的COP 設(shè)計(jì)值為1.06。

2 機(jī)組性能測試

為了測試該機(jī)組的性能表現(xiàn)，搭建的試驗(yàn)臺如圖4 所示。試驗(yàn)的冷卻水通過冷塔進(jìn)行換熱降溫，冷凍水的循環(huán)經(jīng)過冷量消耗換熱器進(jìn)行升溫。該機(jī)組出口的冷卻水先后經(jīng)過溫度傳感器（T4）、球閥（V2）進(jìn)入冷塔，冷塔出口的冷卻水經(jīng)過變頻水泵（P2）、流量計(jì)（F2）進(jìn)入機(jī)組進(jìn)行換熱。同時，出口的冷凍水先后經(jīng)過溫度傳感器（T2）、球閥（V1）進(jìn)入冷量消耗換熱器進(jìn)行升溫，經(jīng)由變頻水泵（P1）、流量計(jì)（F1）返回機(jī)組。制冷機(jī)組所需的高溫?zé)煔夂透滋谉崴梢慌_90kW 的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)提供。每隔1min 記錄該機(jī)組冷卻水溫度、冷凍水溫度、制冷量、高低發(fā)溫度、煙氣和熱水溫度等參數(shù)。

圖4 煙氣吸收式制冷測試示意圖Fig.4 Testing diagram of exhaust-gas-and-hot-water-driven absorption chiller

3 結(jié)果與分析

考察改變外部條件，包括冷凍水出口溫度和冷卻水進(jìn)水溫度，測試機(jī)組的制冷量的相對變化情況，如圖5 所示。測試條件的基準(zhǔn)條件為：冷凍水出口溫度7℃，冷卻水進(jìn)口溫度在32℃。如圖可知，在其他參數(shù)不變的情況下，隨著冷凍水出口溫度增加，制冷量呈現(xiàn)上升趨勢，冷凍水出口溫度每升高1℃，制冷量提升3-4%。冷凍水溫度升高，蒸發(fā)溫度升高，則蒸發(fā)壓力升高，吸收機(jī)吸收能力提高，放氣范圍增加，故制冷量提高。在同一冷凍溫度下，隨著冷卻水進(jìn)口溫度的增加，制冷量降低。如圖所示，當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度每增加2℃，制冷量降低2-6%。冷卻水溫度增加，稀溶液的冷卻溫度增加，則溴化鋰稀溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，吸收能力降低，故制冷量下降。綜上所述，為獲得較高制冷量，可提高冷凍水出口溫度和降低冷卻水進(jìn)水溫度。然而，冷卻水溫度過低會使溴化鋰濃溶液質(zhì)量過高，引起結(jié)晶風(fēng)險或冷劑水污染等溫度。可設(shè)置機(jī)組冷卻水最低進(jìn)口溫度，以防止結(jié)晶。

圖5 制冷量與冷凍水出口溫度、冷卻水進(jìn)口溫度關(guān)系Fig.5 Effect of chilled water temperature and cooling water temperature on cooling capacity

圖6 顯示了測試過程中吸收機(jī)進(jìn)出口煙氣溫度、熱水出口溫度和熱水三通閥開度隨時間的變化。煙氣和熱水由燃?xì)獍l(fā)動機(jī)提供。在測試區(qū)間范圍內(nèi)，煙氣進(jìn)吸收機(jī)溫度在280-440℃之間變化，經(jīng)過高壓發(fā)生器換熱后，出口煙氣溫度維持在65℃。此外，熱水進(jìn)水溫度在71-80℃之間，在20min 左右出現(xiàn)波動。熱水三通閥初始開度在100%，即表示熱水完全進(jìn)入吸收機(jī)低壓發(fā)生器換熱。在20min 前，由于吸收機(jī)處于預(yù)熱狀態(tài)，無制冷功能，因此熱水三通閥全開的情況下，熱水進(jìn)口溫度變化不大。當(dāng)20min 后，吸收機(jī)開啟冷劑循環(huán)泵，由于在低溫發(fā)生器內(nèi)，熱水與溴化鋰稀溶液換熱后，引起熱水出口溫度降低，在發(fā)電機(jī)缸套中加熱后，溫度亦降低為了維持熱水進(jìn)入吸收機(jī)的溫度，此時逐步關(guān)閉熱水三通閥，使進(jìn)入吸收機(jī)的熱水流量降低，由圖可知，最終熱水三通閥開度由100%逐步降低維持在30%，熱水進(jìn)口溫度維持在75℃，可保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 煙氣溫度、熱水進(jìn)口溫度和三通閥開度變化Fig.6 Variation of flue gas temperature,hot water temperature and triple value opening

圖7 顯示了吸收機(jī)冷凍水進(jìn)出口溫度、吸收機(jī)制冷量與測試時間的變化。在測試前20min 左右，吸收機(jī)未開啟冷劑循環(huán)泵，無制冷功能，此時冷凍水進(jìn)出口溫度維持在15℃。當(dāng)冷劑泵開啟后，冷凍水出口溫度迅速降低至10℃左右，經(jīng)過出口冷量消耗換熱器后，冷水回水溫度控制在15℃。同時，吸收機(jī)制冷量在2min 內(nèi)由0 急速升高至100kW，并維持在100-115kW。測試所得吸收機(jī)的制冷量小于設(shè)計(jì)制冷量的主要原因在于：（1）吸收機(jī)熱源煙氣溫度未達(dá)設(shè)計(jì)值（543℃）；（2）吸收機(jī)熱源熱水進(jìn)口溫度僅為75℃，低于設(shè)計(jì)值（85℃），并且熱水流量僅為設(shè)計(jì)值的30%。因此，雖然冷凍水出口溫度高于設(shè)計(jì)值，有利于制冷量的提升，但由于吸收機(jī)整體供熱不足，因此總體實(shí)際制冷量與設(shè)計(jì)制冷量存在差距。

圖7 吸收機(jī)冷凍水進(jìn)出口溫度、制冷量變化Fig.7 Variation of chilled water temperature and cooling capacity

吸收機(jī)高發(fā)溫度和低發(fā)溫度隨測試時間的變化如圖8 所示。在前20min 內(nèi)，高壓發(fā)生器出口溶液溫度隨時間逐步升高，由72℃逐步上升至108℃，吸收機(jī)低溫發(fā)生器出口溶液溫度基本不變，維持在30℃左右。這主要是因?yàn)楦邏喊l(fā)生器中高溫?zé)煔饧訜徜寤嚾芤?，使溶液出口溫度升高。由于吸收機(jī)未開啟冷劑泵，因此流經(jīng)低壓發(fā)生器的出口溶液無蒸汽換熱，故低發(fā)溫度溫度不變。當(dāng)超過20min 后，由于煙氣溫度不變，故高壓發(fā)生器內(nèi)的溴化鋰溶液處于氣液平衡狀態(tài)，故溫度基本不變。冷劑泵開啟后，低壓發(fā)生器內(nèi)溶液與高發(fā)產(chǎn)生的蒸汽及燃?xì)鈾C(jī)缸套熱水換熱后，溫度升高，最終穩(wěn)定維持在57℃。

圖8 吸收機(jī)冷凍水高低發(fā)溫度隨時間變化Fig.8 Variation of high and low temperatures of solution from HP and LP generators

4 誤差分析

在小型煙氣熱水型吸收式制冷機(jī)組測試中，反映性能特征的參數(shù)主要有制冷量（Q）和冷凍水出口溫度（Tout）。其中，Tout為直接測量量，Qc為間接測量量，其誤差可由相關(guān)直接測量量通過誤差傳播定律獲得。由式（2）可知，制冷量Q為m和ΔT的函數(shù)（ΔT=Tin-Tout），故滿足：

制冷量Q的誤差計(jì)算表達(dá)式為：

在式（4）中，em為冷凍水流量計(jì)的測量誤差，選用的流量計(jì)誤差為±0.5%，即em=0.5%；eΔT為吸收機(jī)進(jìn)口溫度和出口溫度的差值，選用的鉑電阻溫度計(jì)PT100 的精度為±0.2℃，由圖7 可知，ΔT最小值為4.6℃，由誤差傳遞理論可知，eΔT最大值為eΔT=0.4/4.6=8.6%。因此，eQ為8.6%，小于10%。綜合可知，測試所得指標(biāo)參數(shù)誤差均小于10%，準(zhǔn)確度較高。

5 結(jié)論

選取適合于匹配小型分布式能源系統(tǒng)的煙氣熱水型吸收式制冷機(jī)組為研究對象，通過搭建與之匹配的試驗(yàn)臺，測試了各個參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，結(jié)果表明：

（1）隨著冷凍水出口溫度增加，制冷量呈現(xiàn)上升趨勢，冷凍水出口溫度每升高1℃，制冷量提升3-4%。在同一冷凍溫度下，隨著冷卻水進(jìn)口溫度的增加，制冷量降低，當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度每增加2℃，制冷量降低2-6%。

（2）余熱煙氣進(jìn)吸收機(jī)溫度在280-440℃之間變化，經(jīng)過高壓發(fā)生器換熱后，出口煙氣溫度維持在65℃。在20min 前，由于吸收機(jī)處于預(yù)熱狀態(tài)，無制冷功能。熱水三通閥開度維持在30%，可保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）當(dāng)冷劑泵開啟后，高壓和低發(fā)溶液出口溫度隨時間逐步升高，分別穩(wěn)定在108℃和57℃。當(dāng)冷劑泵開啟后（20min 后），冷凍水進(jìn)出口溫度維持在15/10℃左右。同時，吸收機(jī)制冷量急速升高至100kW，并維持在100-115kW。

（4）機(jī)組性能參數(shù)Q和Tout的測量誤差分別為8.6%和0.5%，顯示了測試結(jié)果較高的準(zhǔn)確度。