吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用于高溫?zé)岷λ淼澜禍氐睦碚摲治鲅芯?/h1>
2023-12-13 08:08:36覃宇含孟祥林蘇留鋒孫亮亮袁艷平
隧道建設(shè)(中英文) 2023年11期
覃宇含, 孟祥林, 蘇留鋒, 孫亮亮, *, 袁艷平
(1. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)
0 引言
世界各國(guó)在修建深埋長(zhǎng)大的隧道、深井開(kāi)采礦井時(shí),都曾遇到過(guò)不同程度的熱害問(wèn)題[1-2]。例如: 尼格隧道存在高水溫和高巖溫問(wèn)題,涌水溫度最高達(dá)到63.4 ℃,巖溫最高達(dá)到88.8 ℃[3]。桑竹嶺隧道在施工過(guò)程中沿線多處溫度達(dá)到45 ℃以上, 探溫孔內(nèi)溫度高達(dá)89 ℃,居我國(guó)圍巖溫度之首[4]。何平等[5]根據(jù)沃卡熱泉、雅魯藏布江邊熱泉分布的平面位置、標(biāo)高以及其成因分析,推測(cè)桑竹嶺隧道CK175+500段洞身附近地下熱水溫度高于76 ℃。拉月隧道區(qū)內(nèi)水熱活動(dòng)活躍,在進(jìn)口端及沿線東南側(cè)的河流兩岸均有溫度18.5～91.5 ℃的溫泉出露[6]。隧道在施工過(guò)程中由于出現(xiàn)高巖溫和高水溫2大熱害問(wèn)題,對(duì)隧道襯砌施工[7-8]、人員安全[9-10]等造成威脅,惡化施工環(huán)境,導(dǎo)致施工難度增大。
針對(duì)以上提到的隧道高溫?zé)岷?wèn)題采取了很多熱害防治措施。例如: 彭琪[6]針對(duì)拉月隧道可能遭遇到的高溫?zé)岷?wèn)題,提出通風(fēng)降溫、人工制冷降溫以及個(gè)體防護(hù)等一系列處理措施。Lin等[11]針對(duì)尼格隧道搭建了高地?zé)崴淼栏邷鼐C合控制系統(tǒng)。嚴(yán)健等[12]針對(duì)桑竹嶺隧道提出采用頂部加密施工通風(fēng)管,中部設(shè)置冷水噴灑器灑水,底部邊墻兩側(cè)設(shè)置冰墻的立體綜合降溫技術(shù)。朱宇等[13]針對(duì)高地溫隧道,提出隧道溫度在45 ℃以下時(shí),熱干巖型隧道只采用通風(fēng)降溫,濕熱型隧道需對(duì)高溫?zé)崴M(jìn)行封堵及排放;當(dāng)溫度超過(guò)45 ℃時(shí),還需另外采取隔熱、冰塊制冷、灑水噴霧、局部制冷等措施。李建高等[14]針對(duì)不同隧道的高地溫情況,選取不同的降溫組合方案。
《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》[15]表明: 地溫大于37 ℃時(shí),需要采用人工制冷措施進(jìn)行降溫。目前隧道工程中人工機(jī)械制冷降溫措施多采用蒸汽壓縮式制冷機(jī)組[16-17],而吸收式制冷機(jī)組在隧道施工過(guò)程中卻鮮有應(yīng)用[18-19]。
本文針對(duì)高地溫隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)的高溫?zé)岷?wèn)題,提出采用吸收式制冷機(jī)組作為輔助降溫措施,并設(shè)計(jì)采用隧道高溫涌水作為溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的熱源。為了驗(yàn)證以隧道涌水為熱源的吸收式制冷循環(huán)作為隧道降溫措施的可行性,本文利用EES(engineering equation solver工程方程求解器)建立單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)和2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的熱力學(xué)模型,通過(guò)理論計(jì)算分析該方案的可行性。
1 溴化鋰吸收式制冷循環(huán)
將隧道高溫涌水作為吸收式制冷系統(tǒng)的熱源,先收集隧道高溫涌水,處理后送至吸收式制冷機(jī)組,是否采用沉淀池、凈水裝置等水處理設(shè)備需要結(jié)合隧道涌水實(shí)際的水質(zhì)情況考慮。制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷凍水通過(guò)管道輸送至空冷器,再通過(guò)空冷器輸送冷風(fēng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道工作面、休息室和設(shè)備硐室降溫的目的,具體示意見(jiàn)圖1。圖中的吸收式制冷系統(tǒng)主要包括2種循環(huán)形式,分別是單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)和2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)。
1.1 單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)
單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)(以下簡(jiǎn)稱為單效循環(huán))流程如圖2所示。該系統(tǒng)內(nèi)部的工作回路由2個(gè)回路組成,分別是: 1)溴化鋰溶液回路,包括溴化鋰濃溶液管路(紅色管路)和溴化鋰稀溶液管路(粉色管路); 2)制冷劑回路(黑色回路)。
圖1 隧道涌水作為吸收式制冷系統(tǒng)的熱源示意圖
圖2 單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)流程圖
1.2 2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)
2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)(以下簡(jiǎn)稱為2級(jí)循環(huán))流程見(jiàn)圖3,其制冷循環(huán)的工作過(guò)程也可看作由溴化鋰溶液回路和制冷劑回路組成。和單效循環(huán)相比,2級(jí)循環(huán)包含低壓循環(huán)和高壓循環(huán),在蒸發(fā)溫度和冷凝溫度一定的情況下,其啟動(dòng)所需的發(fā)生溫度更低,從而降低了循環(huán)對(duì)熱源溫度的要求,使得低溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)成為可能。
圖3 2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)流程圖
1.3 熱力學(xué)計(jì)算模型
由于2級(jí)循環(huán)采用的是復(fù)疊式結(jié)構(gòu),其主要部件與單效循環(huán)相同。基于能量守恒與質(zhì)量守恒原理,對(duì)單效循環(huán)和2級(jí)循環(huán)中的主要部件建立熱力學(xué)模型。對(duì)于2種循環(huán)的分析基于以下假設(shè)[20-21]:
1)2個(gè)循環(huán)在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下運(yùn)行;
2)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài);
3)不計(jì)管道阻力,忽略蒸發(fā)器和吸收器間、發(fā)生器和冷凝器間的壓力差;
4)發(fā)生器出口的溴化鋰濃溶液、吸收器出口的溴化鋰稀溶液、冷凝器出口的液態(tài)制冷劑水、蒸發(fā)器出口的制冷劑水蒸汽均處于飽和狀態(tài);
5)不考慮泵的能耗與節(jié)流閥的節(jié)流損失,僅考慮泵和節(jié)流閥為等焓過(guò)程;
6)對(duì)于2級(jí)循環(huán),高/低壓發(fā)生溫度相同,高/低壓吸收溫度相同[22]。
針對(duì)吸收式制冷系統(tǒng)的主要部件(包括發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、熱交換器),建立熱力學(xué)模型,見(jiàn)表1。
表1 吸收式制冷循環(huán)的主要部件數(shù)學(xué)模型
2 模擬計(jì)算模型
2.1 模擬計(jì)算過(guò)程
EES通過(guò)調(diào)用內(nèi)部溴化鋰溶液的物性參數(shù)關(guān)系準(zhǔn)確地表達(dá)出循環(huán)過(guò)程中各點(diǎn)的工況,通過(guò)能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程對(duì)特定的循環(huán)構(gòu)建基于方程的模型程序。本文基于各個(gè)部件的控制方程,利用EES分別對(duì)單效循環(huán)和2級(jí)循環(huán)建立基于熱力學(xué)方程的模型程序進(jìn)行模擬分析。假設(shè)2種循環(huán)在以下具體條件下工作:
1)高溫隧道涌水通過(guò)發(fā)生器降低5 ℃,發(fā)生器的濃溶液出口溫度比高溫隧道涌水出口溫度降低5 ℃[23]。
2)單效循環(huán)吸收器出口處的稀溶液流量以及2級(jí)循環(huán)低壓吸收器出口處的稀溶液流量為m1=1kg/s; 2級(jí)循環(huán)高、低壓側(cè)稀溶液質(zhì)量流量比為5/6。
5)由于在實(shí)際機(jī)組設(shè)計(jì)及運(yùn)行時(shí)冷卻水先經(jīng)過(guò)吸收器后經(jīng)過(guò)冷凝器,故一般冷凝溫度均比吸收溫度高,故設(shè)定冷凝溫度tc比吸收溫度ta高5 ℃,即tc=ta+5 ℃。
根據(jù)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度調(diào)用EES內(nèi)置的數(shù)據(jù)查得高壓側(cè)壓力和低壓側(cè)壓力,根據(jù)各個(gè)點(diǎn)的壓力和溫度或者濃度調(diào)用EES內(nèi)部的LiBr-H2O和水的物性參數(shù)計(jì)算關(guān)系式,來(lái)確定各點(diǎn)的狀態(tài),從而確定各個(gè)換熱器的換熱量,計(jì)算出整個(gè)循環(huán)的性能系數(shù)。
單效循環(huán)的循環(huán)性能系數(shù)
(1)
2級(jí)循環(huán)的循環(huán)性能系數(shù)
(2)
系統(tǒng)的循環(huán)倍率
(3)
式(1)—(3)中: Qg1為2級(jí)循環(huán)中低壓發(fā)生器從熱源吸收的熱量,kW; Qg2為2級(jí)循環(huán)中高壓發(fā)生器從熱源吸收的熱量,kW; Xr為出發(fā)生器的濃溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù),kg/kg; Xa為進(jìn)發(fā)生器的稀溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù),kg/kg。
2.2 EES數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析
2.2.1 變熱源溫度分析
當(dāng)冷凝溫度為35 ℃、吸收溫度為30 ℃時(shí),分析單效循環(huán)和2級(jí)循環(huán)的性能系數(shù)隨熱源溫度的變化規(guī)律,結(jié)果如圖4所示。對(duì)于單效和2級(jí)循環(huán),隨著熱源溫度的升高,系統(tǒng)的性能系數(shù)逐漸增大,但是增加的速率逐漸降低,這是由于隨著熱源溫度的升高,溶液的循環(huán)倍率降低的趨勢(shì)逐漸變緩。單效及2級(jí)溴化循環(huán)倍率的變化趨勢(shì)分別如圖5和圖6所示。圖中,te為蒸發(fā)溫度,a1和a2分別為2級(jí)循環(huán)中高壓和低壓側(cè)溶液循環(huán)倍率。
圖4 2種溴化鋰吸收式循環(huán)的COP曲線
圖5 單效溴化鋰吸收式循環(huán)的循環(huán)倍率曲線
圖6 2級(jí)溴化鋰吸收式循環(huán)的循環(huán)倍率曲線
根據(jù)圖4結(jié)果發(fā)現(xiàn): 蒸發(fā)溫度為5 ℃、熱源溫度超過(guò)55 ℃時(shí),雖然可以驅(qū)動(dòng)循環(huán)運(yùn)行,但是當(dāng)熱源溫度在55 ℃附近時(shí),吸收式制冷循環(huán)的COP較低。故當(dāng)蒸發(fā)溫度為5 ℃時(shí),只能利用60 ℃以上的隧道涌水驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷循環(huán); 當(dāng)熱源溫度在60～75 ℃時(shí)采用2級(jí)循環(huán),當(dāng)熱源溫度在75 ℃以上時(shí)采用單效循環(huán)。
同時(shí)發(fā)現(xiàn),提高蒸發(fā)溫度可以降低熱源溫度、提高性能系數(shù)。當(dāng)蒸發(fā)溫度提高至10 ℃時(shí),可利用55 ℃的隧道涌水驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷循環(huán); 當(dāng)溫度在55～70 ℃時(shí),可以采用2級(jí)循環(huán); 熱源溫度在70 ℃以上時(shí),可以采用單效循環(huán)?？紤]隧道中所提供的冷凍水溫度主要是為了滿足工作面所需要的冷量以及除濕要求,可以一定程度上將蒸發(fā)溫度提高到15 ℃,此時(shí)利用50 ℃以上的熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)循環(huán),以達(dá)到利用高地溫隧道開(kāi)采中所能提供的隧道涌水來(lái)驅(qū)動(dòng)吸收式制冷循環(huán)的目的。根據(jù)圖4結(jié)果顯示:當(dāng)蒸發(fā)溫度為15 ℃、熱源溫度在50～63 ℃時(shí),可以采用2級(jí)循環(huán); 熱源溫度在63 ℃以上時(shí),可以采用單效循環(huán)。
2.2.2 變蒸發(fā)溫度分析
為了研究蒸發(fā)溫度對(duì)于2種循環(huán)性能系數(shù)的影響,在冷凝溫度為35 ℃、吸收溫度為30 ℃的情況下,調(diào)整蒸發(fā)溫度,單效及2級(jí)循環(huán)COP結(jié)果分別如圖7和圖8所示。
圖7 單效循環(huán)COP隨著蒸發(fā)溫度變化曲線
圖8 2級(jí)循環(huán)COP隨著蒸發(fā)溫度變化曲線
可以發(fā)現(xiàn): 蒸發(fā)溫度升高,COP有所提高,并且在低熱源溫度情況下,如果蒸發(fā)溫度過(guò)低,會(huì)導(dǎo)致2種循環(huán)效率過(guò)低甚至不能運(yùn)行。由于隧道涌水溫度相對(duì)常規(guī)熱源溫度較低,且針對(duì)特殊的隧道環(huán)境其冷凍水需求溫度可適當(dāng)比常規(guī)環(huán)境的冷凍水需求溫度7 ℃高,所以想要利用隧道涌水溫度來(lái)驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷機(jī)組,可以考慮適當(dāng)提高蒸發(fā)溫度,從而降低驅(qū)動(dòng)循環(huán)所需的熱源溫度,達(dá)到利用隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)的高溫涌水來(lái)驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的目的。根據(jù)圖8結(jié)果顯示: 當(dāng)熱源溫度為55 ℃、蒸發(fā)溫度為10 ℃時(shí),2級(jí)循環(huán)性能系數(shù)在0.4左右,此時(shí)能夠利用低至55 ℃的隧道涌水來(lái)驅(qū)動(dòng)2級(jí)循環(huán),但是如果蒸發(fā)溫度繼續(xù)降低至10 ℃以下,系統(tǒng)的性能系數(shù)過(guò)低,所以55 ℃的隧道涌水無(wú)法被利用。
2.2.3 變冷凝溫度分析
為了研究冷凝溫度對(duì)于2種循環(huán)性能系數(shù)的影響,在蒸發(fā)溫度分別為15 ℃和10 ℃的前提下,調(diào)整冷凝溫度,設(shè)定冷凝溫度比吸收溫度高5 ℃,結(jié)果如圖9和圖10所示。
圖9 單效循環(huán)COP隨著冷凝溫度變化曲線
圖10 2級(jí)循環(huán)COP隨著冷凝溫度變化曲線
較低的熱源溫度在冷卻條件良好時(shí)性能占優(yōu),COP更高,這表明在低冷凝溫度工況下,循環(huán)能夠在更低的熱源溫度下啟動(dòng)。因此,在本文基礎(chǔ)上,如需利用更低溫度的隧道涌水,可以考慮降低冷凝溫度。而高熱源溫度雖然在冷卻條件良好時(shí)性能并不具備優(yōu)勢(shì),但對(duì)冷卻條件的工況適應(yīng)性較為優(yōu)異,可以在更廣的冷凝溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。
由圖10可知,當(dāng)蒸發(fā)溫度為15 ℃、熱源溫度為55 ℃、冷凝溫度達(dá)到38 ℃左右,或當(dāng)蒸發(fā)溫度為10 ℃、熱源溫度為55 ℃、冷凝溫度達(dá)到36 ℃左右,2級(jí)循環(huán)就無(wú)法運(yùn)行。可以發(fā)現(xiàn),低蒸發(fā)溫度對(duì)冷卻條件要求更高,對(duì)冷凝溫度與吸收溫度的變化更為敏感。
3 可行性分析
國(guó)內(nèi)外部分隧道建設(shè)過(guò)程中遇高溫突涌水情況如表2所示。
表2 國(guó)內(nèi)外隧道建設(shè)過(guò)程中遇高溫突涌水情況
設(shè)定蒸發(fā)溫度te為15 ℃,將第2.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際隧道涌水情況進(jìn)行匹配,發(fā)現(xiàn)表2所列的隧道從理論上均能考慮采用本文所提的隧道涌水為熱源驅(qū)動(dòng)吸收式制冷循環(huán)制冷的方案,其中尼格隧道和桑竹嶺隧道能夠考慮采用單效循環(huán)形式,其余采用2級(jí)循環(huán)形式。
4 結(jié)論與討論
1)當(dāng)蒸發(fā)溫度為5 ℃時(shí),可利用60 ℃以上的隧道涌水驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷循環(huán);當(dāng)熱源溫度在60～75 ℃時(shí),可以采用2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán); 當(dāng)熱源溫度在75 ℃以上時(shí),可以采用單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)。
2)提高蒸發(fā)溫度,能夠在降低熱源溫度的同時(shí)提高COP,故提高蒸發(fā)溫度可以利用更大溫度范圍的隧道涌水。通過(guò)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)蒸發(fā)溫度提高到15 ℃時(shí),50 ℃左右的隧道涌水可以作為熱源驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷循環(huán);當(dāng)隧道涌水溫度在50～63 ℃時(shí),可以采用2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán);當(dāng)隧道涌水溫度在63 ℃以上,可以采用單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)。
3)當(dāng)冷凝溫度降低,性能系數(shù)提高,較低的熱源溫度在冷卻條件良好時(shí)性能占優(yōu),這表明降低冷凝溫度能使制冷循環(huán)在更低溫度的隧道涌水下啟動(dòng),但隨著冷凝及吸收溫度的提高,性能系數(shù)下降更明顯;而高熱源溫度可以在更大的冷凝溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。
4)調(diào)研國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)高溫涌水的隧道并根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果匹配對(duì)應(yīng)的吸收式制冷循環(huán)形式。尼格隧道和桑竹嶺隧道可考慮采用單效循環(huán)形式,其余可考慮采用2級(jí)循環(huán)形式。
下一步將結(jié)合隧道實(shí)際施工情況,分析使用隧道涌水作為吸收式制冷循環(huán)熱源所能達(dá)到的制冷效果及經(jīng)濟(jì)效益等。同時(shí),將研究更多降低所需熱源水溫度的方式,以利用更大溫度范圍的隧道涌水。
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0 引言
世界各國(guó)在修建深埋長(zhǎng)大的隧道、深井開(kāi)采礦井時(shí),都曾遇到過(guò)不同程度的熱害問(wèn)題[1-2]。例如: 尼格隧道存在高水溫和高巖溫問(wèn)題,涌水溫度最高達(dá)到63.4 ℃,巖溫最高達(dá)到88.8 ℃[3]。桑竹嶺隧道在施工過(guò)程中沿線多處溫度達(dá)到45 ℃以上, 探溫孔內(nèi)溫度高達(dá)89 ℃,居我國(guó)圍巖溫度之首[4]。何平等[5]根據(jù)沃卡熱泉、雅魯藏布江邊熱泉分布的平面位置、標(biāo)高以及其成因分析,推測(cè)桑竹嶺隧道CK175+500段洞身附近地下熱水溫度高于76 ℃。拉月隧道區(qū)內(nèi)水熱活動(dòng)活躍,在進(jìn)口端及沿線東南側(cè)的河流兩岸均有溫度18.5～91.5 ℃的溫泉出露[6]。隧道在施工過(guò)程中由于出現(xiàn)高巖溫和高水溫2大熱害問(wèn)題,對(duì)隧道襯砌施工[7-8]、人員安全[9-10]等造成威脅,惡化施工環(huán)境,導(dǎo)致施工難度增大。
針對(duì)以上提到的隧道高溫?zé)岷?wèn)題采取了很多熱害防治措施。例如: 彭琪[6]針對(duì)拉月隧道可能遭遇到的高溫?zé)岷?wèn)題,提出通風(fēng)降溫、人工制冷降溫以及個(gè)體防護(hù)等一系列處理措施。Lin等[11]針對(duì)尼格隧道搭建了高地?zé)崴淼栏邷鼐C合控制系統(tǒng)。嚴(yán)健等[12]針對(duì)桑竹嶺隧道提出采用頂部加密施工通風(fēng)管,中部設(shè)置冷水噴灑器灑水,底部邊墻兩側(cè)設(shè)置冰墻的立體綜合降溫技術(shù)。朱宇等[13]針對(duì)高地溫隧道,提出隧道溫度在45 ℃以下時(shí),熱干巖型隧道只采用通風(fēng)降溫,濕熱型隧道需對(duì)高溫?zé)崴M(jìn)行封堵及排放;當(dāng)溫度超過(guò)45 ℃時(shí),還需另外采取隔熱、冰塊制冷、灑水噴霧、局部制冷等措施。李建高等[14]針對(duì)不同隧道的高地溫情況,選取不同的降溫組合方案。
《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》[15]表明: 地溫大于37 ℃時(shí),需要采用人工制冷措施進(jìn)行降溫。目前隧道工程中人工機(jī)械制冷降溫措施多采用蒸汽壓縮式制冷機(jī)組[16-17],而吸收式制冷機(jī)組在隧道施工過(guò)程中卻鮮有應(yīng)用[18-19]。
本文針對(duì)高地溫隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)的高溫?zé)岷?wèn)題,提出采用吸收式制冷機(jī)組作為輔助降溫措施,并設(shè)計(jì)采用隧道高溫涌水作為溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的熱源。為了驗(yàn)證以隧道涌水為熱源的吸收式制冷循環(huán)作為隧道降溫措施的可行性,本文利用EES(engineering equation solver工程方程求解器)建立單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)和2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的熱力學(xué)模型,通過(guò)理論計(jì)算分析該方案的可行性。
1 溴化鋰吸收式制冷循環(huán)
將隧道高溫涌水作為吸收式制冷系統(tǒng)的熱源,先收集隧道高溫涌水,處理后送至吸收式制冷機(jī)組,是否采用沉淀池、凈水裝置等水處理設(shè)備需要結(jié)合隧道涌水實(shí)際的水質(zhì)情況考慮。制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷凍水通過(guò)管道輸送至空冷器,再通過(guò)空冷器輸送冷風(fēng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道工作面、休息室和設(shè)備硐室降溫的目的,具體示意見(jiàn)圖1。圖中的吸收式制冷系統(tǒng)主要包括2種循環(huán)形式,分別是單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)和2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)。
1.1 單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)
單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)(以下簡(jiǎn)稱為單效循環(huán))流程如圖2所示。該系統(tǒng)內(nèi)部的工作回路由2個(gè)回路組成,分別是: 1)溴化鋰溶液回路,包括溴化鋰濃溶液管路(紅色管路)和溴化鋰稀溶液管路(粉色管路); 2)制冷劑回路(黑色回路)。
圖1 隧道涌水作為吸收式制冷系統(tǒng)的熱源示意圖
圖2 單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)流程圖
1.2 2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)
2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)(以下簡(jiǎn)稱為2級(jí)循環(huán))流程見(jiàn)圖3,其制冷循環(huán)的工作過(guò)程也可看作由溴化鋰溶液回路和制冷劑回路組成。和單效循環(huán)相比,2級(jí)循環(huán)包含低壓循環(huán)和高壓循環(huán),在蒸發(fā)溫度和冷凝溫度一定的情況下,其啟動(dòng)所需的發(fā)生溫度更低,從而降低了循環(huán)對(duì)熱源溫度的要求,使得低溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)成為可能。
圖3 2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)流程圖
1.3 熱力學(xué)計(jì)算模型
由于2級(jí)循環(huán)采用的是復(fù)疊式結(jié)構(gòu),其主要部件與單效循環(huán)相同。基于能量守恒與質(zhì)量守恒原理,對(duì)單效循環(huán)和2級(jí)循環(huán)中的主要部件建立熱力學(xué)模型。對(duì)于2種循環(huán)的分析基于以下假設(shè)[20-21]:
1)2個(gè)循環(huán)在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下運(yùn)行;
2)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài);
3)不計(jì)管道阻力,忽略蒸發(fā)器和吸收器間、發(fā)生器和冷凝器間的壓力差;
4)發(fā)生器出口的溴化鋰濃溶液、吸收器出口的溴化鋰稀溶液、冷凝器出口的液態(tài)制冷劑水、蒸發(fā)器出口的制冷劑水蒸汽均處于飽和狀態(tài);
5)不考慮泵的能耗與節(jié)流閥的節(jié)流損失,僅考慮泵和節(jié)流閥為等焓過(guò)程;
6)對(duì)于2級(jí)循環(huán),高/低壓發(fā)生溫度相同,高/低壓吸收溫度相同[22]。
針對(duì)吸收式制冷系統(tǒng)的主要部件(包括發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、熱交換器),建立熱力學(xué)模型,見(jiàn)表1。
表1 吸收式制冷循環(huán)的主要部件數(shù)學(xué)模型
2 模擬計(jì)算模型
2.1 模擬計(jì)算過(guò)程
EES通過(guò)調(diào)用內(nèi)部溴化鋰溶液的物性參數(shù)關(guān)系準(zhǔn)確地表達(dá)出循環(huán)過(guò)程中各點(diǎn)的工況,通過(guò)能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程對(duì)特定的循環(huán)構(gòu)建基于方程的模型程序。本文基于各個(gè)部件的控制方程,利用EES分別對(duì)單效循環(huán)和2級(jí)循環(huán)建立基于熱力學(xué)方程的模型程序進(jìn)行模擬分析。假設(shè)2種循環(huán)在以下具體條件下工作:
1)高溫隧道涌水通過(guò)發(fā)生器降低5 ℃,發(fā)生器的濃溶液出口溫度比高溫隧道涌水出口溫度降低5 ℃[23]。
2)單效循環(huán)吸收器出口處的稀溶液流量以及2級(jí)循環(huán)低壓吸收器出口處的稀溶液流量為m1=1kg/s; 2級(jí)循環(huán)高、低壓側(cè)稀溶液質(zhì)量流量比為5/6。
5)由于在實(shí)際機(jī)組設(shè)計(jì)及運(yùn)行時(shí)冷卻水先經(jīng)過(guò)吸收器后經(jīng)過(guò)冷凝器,故一般冷凝溫度均比吸收溫度高,故設(shè)定冷凝溫度tc比吸收溫度ta高5 ℃,即tc=ta+5 ℃。
根據(jù)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度調(diào)用EES內(nèi)置的數(shù)據(jù)查得高壓側(cè)壓力和低壓側(cè)壓力,根據(jù)各個(gè)點(diǎn)的壓力和溫度或者濃度調(diào)用EES內(nèi)部的LiBr-H2O和水的物性參數(shù)計(jì)算關(guān)系式,來(lái)確定各點(diǎn)的狀態(tài),從而確定各個(gè)換熱器的換熱量,計(jì)算出整個(gè)循環(huán)的性能系數(shù)。
單效循環(huán)的循環(huán)性能系數(shù)
(1)
2級(jí)循環(huán)的循環(huán)性能系數(shù)
(2)
系統(tǒng)的循環(huán)倍率
(3)
式(1)—(3)中: Qg1為2級(jí)循環(huán)中低壓發(fā)生器從熱源吸收的熱量,kW; Qg2為2級(jí)循環(huán)中高壓發(fā)生器從熱源吸收的熱量,kW; Xr為出發(fā)生器的濃溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù),kg/kg; Xa為進(jìn)發(fā)生器的稀溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù),kg/kg。
2.2 EES數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析
2.2.1 變熱源溫度分析
當(dāng)冷凝溫度為35 ℃、吸收溫度為30 ℃時(shí),分析單效循環(huán)和2級(jí)循環(huán)的性能系數(shù)隨熱源溫度的變化規(guī)律,結(jié)果如圖4所示。對(duì)于單效和2級(jí)循環(huán),隨著熱源溫度的升高,系統(tǒng)的性能系數(shù)逐漸增大,但是增加的速率逐漸降低,這是由于隨著熱源溫度的升高,溶液的循環(huán)倍率降低的趨勢(shì)逐漸變緩。單效及2級(jí)溴化循環(huán)倍率的變化趨勢(shì)分別如圖5和圖6所示。圖中,te為蒸發(fā)溫度,a1和a2分別為2級(jí)循環(huán)中高壓和低壓側(cè)溶液循環(huán)倍率。
圖4 2種溴化鋰吸收式循環(huán)的COP曲線
圖5 單效溴化鋰吸收式循環(huán)的循環(huán)倍率曲線
圖6 2級(jí)溴化鋰吸收式循環(huán)的循環(huán)倍率曲線
根據(jù)圖4結(jié)果發(fā)現(xiàn): 蒸發(fā)溫度為5 ℃、熱源溫度超過(guò)55 ℃時(shí),雖然可以驅(qū)動(dòng)循環(huán)運(yùn)行,但是當(dāng)熱源溫度在55 ℃附近時(shí),吸收式制冷循環(huán)的COP較低。故當(dāng)蒸發(fā)溫度為5 ℃時(shí),只能利用60 ℃以上的隧道涌水驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷循環(huán); 當(dāng)熱源溫度在60～75 ℃時(shí)采用2級(jí)循環(huán),當(dāng)熱源溫度在75 ℃以上時(shí)采用單效循環(huán)。
同時(shí)發(fā)現(xiàn),提高蒸發(fā)溫度可以降低熱源溫度、提高性能系數(shù)。當(dāng)蒸發(fā)溫度提高至10 ℃時(shí),可利用55 ℃的隧道涌水驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷循環(huán); 當(dāng)溫度在55～70 ℃時(shí),可以采用2級(jí)循環(huán); 熱源溫度在70 ℃以上時(shí),可以采用單效循環(huán)?？紤]隧道中所提供的冷凍水溫度主要是為了滿足工作面所需要的冷量以及除濕要求,可以一定程度上將蒸發(fā)溫度提高到15 ℃,此時(shí)利用50 ℃以上的熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)循環(huán),以達(dá)到利用高地溫隧道開(kāi)采中所能提供的隧道涌水來(lái)驅(qū)動(dòng)吸收式制冷循環(huán)的目的。根據(jù)圖4結(jié)果顯示:當(dāng)蒸發(fā)溫度為15 ℃、熱源溫度在50～63 ℃時(shí),可以采用2級(jí)循環(huán); 熱源溫度在63 ℃以上時(shí),可以采用單效循環(huán)。
2.2.2 變蒸發(fā)溫度分析
為了研究蒸發(fā)溫度對(duì)于2種循環(huán)性能系數(shù)的影響,在冷凝溫度為35 ℃、吸收溫度為30 ℃的情況下,調(diào)整蒸發(fā)溫度,單效及2級(jí)循環(huán)COP結(jié)果分別如圖7和圖8所示。
圖7 單效循環(huán)COP隨著蒸發(fā)溫度變化曲線
圖8 2級(jí)循環(huán)COP隨著蒸發(fā)溫度變化曲線
可以發(fā)現(xiàn): 蒸發(fā)溫度升高,COP有所提高,并且在低熱源溫度情況下,如果蒸發(fā)溫度過(guò)低,會(huì)導(dǎo)致2種循環(huán)效率過(guò)低甚至不能運(yùn)行。由于隧道涌水溫度相對(duì)常規(guī)熱源溫度較低,且針對(duì)特殊的隧道環(huán)境其冷凍水需求溫度可適當(dāng)比常規(guī)環(huán)境的冷凍水需求溫度7 ℃高,所以想要利用隧道涌水溫度來(lái)驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷機(jī)組,可以考慮適當(dāng)提高蒸發(fā)溫度,從而降低驅(qū)動(dòng)循環(huán)所需的熱源溫度,達(dá)到利用隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)的高溫涌水來(lái)驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的目的。根據(jù)圖8結(jié)果顯示: 當(dāng)熱源溫度為55 ℃、蒸發(fā)溫度為10 ℃時(shí),2級(jí)循環(huán)性能系數(shù)在0.4左右,此時(shí)能夠利用低至55 ℃的隧道涌水來(lái)驅(qū)動(dòng)2級(jí)循環(huán),但是如果蒸發(fā)溫度繼續(xù)降低至10 ℃以下,系統(tǒng)的性能系數(shù)過(guò)低,所以55 ℃的隧道涌水無(wú)法被利用。
2.2.3 變冷凝溫度分析
為了研究冷凝溫度對(duì)于2種循環(huán)性能系數(shù)的影響,在蒸發(fā)溫度分別為15 ℃和10 ℃的前提下,調(diào)整冷凝溫度,設(shè)定冷凝溫度比吸收溫度高5 ℃,結(jié)果如圖9和圖10所示。
圖9 單效循環(huán)COP隨著冷凝溫度變化曲線
圖10 2級(jí)循環(huán)COP隨著冷凝溫度變化曲線
較低的熱源溫度在冷卻條件良好時(shí)性能占優(yōu),COP更高,這表明在低冷凝溫度工況下,循環(huán)能夠在更低的熱源溫度下啟動(dòng)。因此,在本文基礎(chǔ)上,如需利用更低溫度的隧道涌水,可以考慮降低冷凝溫度。而高熱源溫度雖然在冷卻條件良好時(shí)性能并不具備優(yōu)勢(shì),但對(duì)冷卻條件的工況適應(yīng)性較為優(yōu)異,可以在更廣的冷凝溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。
由圖10可知,當(dāng)蒸發(fā)溫度為15 ℃、熱源溫度為55 ℃、冷凝溫度達(dá)到38 ℃左右,或當(dāng)蒸發(fā)溫度為10 ℃、熱源溫度為55 ℃、冷凝溫度達(dá)到36 ℃左右,2級(jí)循環(huán)就無(wú)法運(yùn)行。可以發(fā)現(xiàn),低蒸發(fā)溫度對(duì)冷卻條件要求更高,對(duì)冷凝溫度與吸收溫度的變化更為敏感。
3 可行性分析
國(guó)內(nèi)外部分隧道建設(shè)過(guò)程中遇高溫突涌水情況如表2所示。
表2 國(guó)內(nèi)外隧道建設(shè)過(guò)程中遇高溫突涌水情況
設(shè)定蒸發(fā)溫度te為15 ℃,將第2.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際隧道涌水情況進(jìn)行匹配,發(fā)現(xiàn)表2所列的隧道從理論上均能考慮采用本文所提的隧道涌水為熱源驅(qū)動(dòng)吸收式制冷循環(huán)制冷的方案,其中尼格隧道和桑竹嶺隧道能夠考慮采用單效循環(huán)形式,其余采用2級(jí)循環(huán)形式。
4 結(jié)論與討論
1)當(dāng)蒸發(fā)溫度為5 ℃時(shí),可利用60 ℃以上的隧道涌水驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷循環(huán);當(dāng)熱源溫度在60～75 ℃時(shí),可以采用2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán); 當(dāng)熱源溫度在75 ℃以上時(shí),可以采用單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)。
2)提高蒸發(fā)溫度,能夠在降低熱源溫度的同時(shí)提高COP,故提高蒸發(fā)溫度可以利用更大溫度范圍的隧道涌水。通過(guò)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)蒸發(fā)溫度提高到15 ℃時(shí),50 ℃左右的隧道涌水可以作為熱源驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷循環(huán);當(dāng)隧道涌水溫度在50～63 ℃時(shí),可以采用2級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán);當(dāng)隧道涌水溫度在63 ℃以上,可以采用單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)。
3)當(dāng)冷凝溫度降低,性能系數(shù)提高,較低的熱源溫度在冷卻條件良好時(shí)性能占優(yōu),這表明降低冷凝溫度能使制冷循環(huán)在更低溫度的隧道涌水下啟動(dòng),但隨著冷凝及吸收溫度的提高,性能系數(shù)下降更明顯;而高熱源溫度可以在更大的冷凝溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。
4)調(diào)研國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)高溫涌水的隧道并根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果匹配對(duì)應(yīng)的吸收式制冷循環(huán)形式。尼格隧道和桑竹嶺隧道可考慮采用單效循環(huán)形式,其余可考慮采用2級(jí)循環(huán)形式。
下一步將結(jié)合隧道實(shí)際施工情況,分析使用隧道涌水作為吸收式制冷循環(huán)熱源所能達(dá)到的制冷效果及經(jīng)濟(jì)效益等。同時(shí),將研究更多降低所需熱源水溫度的方式,以利用更大溫度范圍的隧道涌水。
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