太阳能驱动的单压制冷系统热力性能静态分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海理工大学制冷技术研究所 作者:陈永军

  提出了与太阳能热利用结合的单压吸收式制冷循环系统,对该系统部件进行了热力性能设计计算并分析了系统的可行性。针对不同的蒸发温度、冷凝温度和发生温度对系统COP的影响进行分析,得出相应影响曲线。分析结果表明:系统理论可行,但总COP较低;提高蒸发温度、冷凝温度和发生温度均有利于提高系统的COP,但提高具有局限性,并展望提高系统COP的研究方向。

1、引言

  单压吸收式制冷因其可利用低品位热源和太阳能以及对环境友好等优点越来越受到人们的关注。整个系统没有任何运动部件,运行时无振动和噪声,适合于对噪声要求严格的小型化制冷场所;结构简单,使用寿命长,运转可靠,初投资少;对能源的适应性强,可采用低品位能源、太阳能等驱动,引起许多学者关注。

  单压吸收式制冷包括扩散吸收式制冷和爱因斯坦制冷循环2种形式。扩散吸收式制冷从20世纪30年代到40年代中叶在家用冰箱领域得到了广泛应用,到20世纪40年代,由于蒸汽压缩式制冷体现出的高能效、大制冷量等优点,扩散吸收制冷逐渐被蒸汽压缩式制冷所取代。后来爱因斯坦等提出的单压吸收制冷循环,是一种使用丁烷为制冷剂、水为吸收剂、氨为压力平衡剂的制冷循环。其驱动的动力来源可来自低品位热能,太阳能,废弃能源的利用率提高,节能环保。对解决当今环境和能源问题具有重大意义。

2、太阳能间接驱动单压吸收式制冷

2.1、系统循环原理

  图1所示是太阳能间接驱动的单压吸收式制冷原理图。真空技术网(www.chvacuum.com)认为其工作原理主要由太阳能集热器与单压吸收式制冷循环系统结合而成,使用太阳能集热器代替单压吸收式制冷中的加热装置,通过集热器将太阳能转化成热能间接加热发生器内的溶液,通过集热器附加的蓄能加热装置,弥补了太阳能不稳定性对系统造成的影响,扩大了其实用性。

太阳能驱动单压制冷循环1 ~ 12. 管路编号

图1 太阳能驱动单压制冷循环1~12.管路编号

  单压系统中以氨-正丁烷-水为循环工质,太阳能系统以乙二醇和水混合溶液为工质。太阳光射到太阳能集热器PTC表面,集热器将太阳能转化成热能用来加热蓄能加热装置中水和乙二醇混合溶液,蓄能加热装置中热能加热发生器中氨水溶液,溶液受热后产生气泡且密度减小,产生一个上浮力来将溶液提升到气液分离器,在气液分离器中,氨气由管3流经精馏器/预冷器后通入蒸发器中,使蒸发器内制冷剂正丁烷产生相变。氨气与产生的正丁烷气体一同经管11进入冷凝/吸收器,在其中被管4喷淋下来的稀氨水吸收变成浓氨水溶液,沉在冷凝/吸收器底部,经管7、12进入发生器中,然后被来自集热器的热能加热,氨水以气液两相流的形式进入气液分离器中;从气液分离器经管5流下的稀氨水溶液在冷凝/吸收器中喷淋,形成浓氨水进入低位储液器,形成了水的循环;蒸发器中正丁烷相变成为气体,与氨气一起经管11进入冷凝/吸收器,被冷凝成为液体丁烷,浮在冷凝/吸收器上部,经管8、9再回到蒸发器,完成正丁烷的循环。

2.2、系统部件热力计算分析

  2.2.1、系统运行初始参数确定

  初始运行参数包括:系统压力、蒸发温度、设计冷量、发生温度和冷凝温度等。系统的运行压力控制在0.4MPa。基于Patel-Teja状态方程得到0.4MPa下NH3-H2O工质对相图和0.4MPa压力下NH3-C4H10混合工质的相平衡图,分别如图2,3所示。

0.4MPa压力下NH3-H2O工质对的相图

图2 0.4MPa压力下NH3-H2O工质对的相图

0.4MPa压力下NH3-C4H10混合工质的相图

图3 0.4MPa压力下NH3-C4H10混合工质的相图

  L.液体;V.气体;1.丁烷;2.氨由图3分析得氨最高的冷凝温度为316K,氨气能被吸收剂完全吸收,制冷剂正丁烷能够被冷却水完全冷凝。由图还得知,NH3-C4H10二元工质的共沸点为267K,该温度即为系统的最低蒸发温度。

  分析得知在系统运行压力0.4MPa下,冷凝温度为317K。结合吸收式制冷太阳能集热器所提供最高温度为155℃左右,可选择发生温度373K。该系统主要运用于空调系统,根据单压吸收式制冷运行参数,可选择蒸发温度为282K,后面将分析不同蒸发温度、不同冷凝温度对系统性能的静态影响。可选择设计的制冷量为6kW,这样可以满足30~45m2空间家用空调制冷;文中使用的氨水浓度为38%。

4、结语

  本文提出了太阳能间接驱动的单压吸收式制冷系统,并围绕蒸发温度、冷凝温度和发生温度对该系统COP影响进行热力性能计算分析,结果表明:该系统理论可行,但总COP较低。提高蒸发温度、冷凝温度和发生温度均有利于提高系统的COP,但提高具有局限性。蒸发温度高大16℃时,制冷系数只有0.23左右。综上所述,若要从根本上提高系统COP,需要通过对换热器部件的强化,全面考虑系统传热传质的阻力损失,各部件的合理设计和运行匹配性协同性调节,以及寻找新工质对等方法来实现,为后续提高系统性能系数研究提供了指导方向,对太阳能驱动的单压吸收式制冷系统的设计研究具有重要意义。

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