新型太阳能增压吸收式制冷循环

刘 辉 李长胜

(1 中石化齐鲁分公司第二化肥厂 淄博 255440；2 山东三维石化工程股份有限公司 淄博 255434)

太阳能是洁净的可再生能源，利用太阳能制冷是太阳能利用的重要组成部分。吸收式制冷机具有结构简单、制造方便、可调节范围广等优点，因此太阳能驱动的吸收式制冷循环成为了符合可持续发展战略的热点课题。但太阳能的集热温度不高(最高在95℃左右)以及其不稳定性导致传统吸收式循环的利用和推广受到很大限制。

针对上述问题，许多学者对太阳能吸收式制冷循环进行了研究。研究主要集中在以H2O-LiBr为工质对、通过对发生器出口蒸汽增压的方法来试图解决上述问题。这里在前人研究的基础上，提出了一个以NH3-LiNO3为工质对、少量电能做补偿、利用压缩机压缩蒸发器出口蒸气的太阳能吸收式制冷的新循环，并对新流程的进行探索，力求解决上述问题。

1 增压辅助的NH3-LiNO3制冷循环

1.1 前人研究成果

已有研究成果表明采用压缩机压缩制冷剂蒸汽(气)，是弥补太阳能不足的重要方法，其中压缩机的放置位置有一下四种。

1)第一个位置是胡兴华等[1]提出的将压缩机放在发生器和冷凝器之间，发生器出口蒸汽首先进入压缩机，升温升压后再经新增换热器与出口驱动热水换热，最后进入冷凝器。压缩机保持发生器与冷

凝器之间的压差，从而保证了放气范围。这可以在较低的压力下发生，以利用较低温度的热源，但压缩功的大部分被冷却水吸收，没有充分利用压缩功。

2)第二个位置是陈光明等[2]提出的将压缩机放置在发生器和冷凝器之间增设的一根支管线上的，发生器出口的蒸汽一部分直接进入冷凝器，另一部分经压缩后再回到发生器中加热发生器里的的溶液，其自身则被冷凝，经新增节流阀进入冷凝器。

3)第三个位置是吴嘉峰等[3]提出的、对第二个方案的改进，在发生器与冷凝器原有管线的和支管上各加装一个隔离阀。当热源温度正常时，将支管的阀门关闭，系统按单效流程运转；当热源温度降低时，关闭原有管线上的阀门、打开支管上的阀门，发生器出口蒸汽经压缩机后回到发生器中冷凝放热,再经节流阀后回到冷凝器。

上述2)、3)都存在这样的问题:当压缩机工作一段时间后，制冷剂蒸汽的放热使发生器内温度升高，这使发生器出口蒸汽压力逐渐恢复到正常值，此时压缩机将停止工作。压缩机停止工作后，由于热源温度不够高，发生器出口蒸汽压力又将降低，当蒸汽压力低于正常值时压缩机又将重新开启，如此循环。所以压缩机在热源温度不足时将不断的启动和停机，压缩机的重复启停将严重影响其寿命。

4)第四个位置是谢应明等[4]提出的，将压缩机放置在冷凝器与蒸发器之间。由于该方案在太阳能热源温度低于设定值时就启动压缩机，使系统按照压缩式热泵流程工作，不能充分利用太阳能，因此其综合效益不高。

1.2 新型太阳能吸收式制冷循环

针对上述方案的不足之处，进行了改进，改进后的新流程系统见图1，图1左侧虚框是新型吸收式制冷流程图，右侧是太阳能集热系统。

图1 新型太阳能吸收式制冷系统Fig.1 A new solar energy absorption refrigeration system

图1中新流程将压缩机放置在蒸发器和发生器之间。当热源温度足够时，打开阀门2，关闭阀门1，此时系统按单效制冷循环工作；当热源温度不足时，再打开阀门1，启动压缩机，蒸发器出口的部分冷剂蒸气首先进入压缩机被压缩至驱动热水出口的温度后进入发生器冷凝并放热，来弥补因驱动热温度降低而导致其放热量下降的不足，冷剂蒸气释放潜热后成冷凝液再经节流阀B进入冷凝器。这样绝大部分压缩功在发生器中被回收。由于压缩机压比的升高将导致压缩机容积效率降低，影响节能效果，故新流程将通过阀门1的开关程度来调节进入压缩机的蒸气流量的大小，进而控制向发生器内输入热量的多少。其目的是:为保持系统制冷量的恒定需要保证放气范围不变，因此当热源温度不足时，利用压缩机出口高温高压蒸气的汽化潜热和过热热作为补偿热源，以保持放气范围的恒定。而且系统仅比传统循环增加了一个压缩机和节流阀，机组结构简单。

1.3 工质对的选择

在吸收式机组中，H2O-LiBr和NH3-H2O是目前技术成熟并广泛应用的工质对，前者只能制取0℃以上的制冷温度，且对装置的气密性有着极其严格的要求，对黑色金属的腐蚀性很强；后者可以制取0℃以下的制冷温度，但由于NH3和H2O的沸点很接近，因此机组需要增加额外的精馏塔等设备，使得机组的造价增加。

由于蒸发压力下，水蒸汽的比容非常大(5℃时为147.048m3/kg[5])，因此在技术方案中，制冷剂只能选择NH3(5℃时仅为0.243m3/kg[5])。为提高经济效益，可采用NH3-LiNO3工质对。

LiNO3是一种盐，由于它的沸点与NH3相差大，无须像氨水系统那样需要考虑它的精馏提纯问题。同时，采用氨做制冷剂可制取0℃以下的温度，且不需考虑真空问题。NH3-LiNO3吸收式机组发生温度低，使其在利用余热及太阳能方面都有着较大的潜力，目前NH3-LiNO3混合物已用于利用余热蒸发吸收制冷系统[6]。相对于NH3-H2O机组，许多研究表明，它有着较高的热力系数[7]。NH3-LiNO3系统作为一种新型的吸收式系统，有着广泛的应用前景。NH3-LiNO3工质对物性参数的计算可参考文献[6]、[7]。

2 新循环的性能分析

由于该制冷循环中使用的是NH3-LiNO3工质对，故不需要像溴冷机那样考虑因冷却水温较低而引起的溶液结晶问题。新制冷循环采用自来水作为冷却水，夏季自来水的温度约是15℃～20℃[8]，计算时取20℃，冷却水温升取10℃，蒸发温度取5℃。

设计计算时，为保证放气范围，约定驱动热水出口温度恒定于65℃。制冷量以100kW计算，并做如下假设以建立数学模型:

1)集热器面积一定，即通过集热器的最大循环水流量一定，驱动热水高于80℃时，调节进入发生器热水的流量；当低于80℃时，启动压缩机。

2)吸收器出口溶液温度高于出口冷却水2℃；

3)发生器出口浓溶液温度低于出口驱动热温度5℃；压缩机出口制冷剂蒸气在发生器中释放热量后为饱和液态，其温度高于出口浓溶液温度5℃；

4)冷凝器出口制冷剂液为饱和态且其温度高于出口冷却水2℃；

5)蒸发器出口制冷剂蒸气为饱和态，温度为5℃。

根据上述已知条件，编程计算驱动热源进口温度变化对系统性能的影响。

2.1 驱动热源温度变化对系统COP的影响

[2]，定义系统的性能指数COP为

式中的η=0.35为发电效率，它是为考虑电与热的不等价而引入的。

图2为驱动热源进口温度从68℃变化到80℃时，压缩机耗功与驱动热源放热量的变化曲线。

从图2可以看出:随着驱动热源进口温度的降低，压缩机的耗功增加。这是由于驱动热源不足，导致压缩机吸气量增加所致。

图2 不同驱动温度下压缩机耗功与驱动热放热量的变化曲线Fig.2 Curves of power of compressor and driven water at different driven temperatures

图3所示为驱动热源进口温度从68℃变化到80℃时，COP的变化曲线。

图3 不同驱动温度下系统COP的变化曲线Fig.3 Curve of COP at different driven temperatures

从图3可以看到，随着驱动热温度的降低，系统的COP逐渐从0.495上升到1.201。从图3可知，驱动热温度的降低会使机组可利用的低品位的驱动热降低，而压缩机的负荷逐渐增加，所消耗的高品位电能逐渐上升，因此系统的趋近于压缩式制冷循环，故性能指数呈上升趋势。

2.2 驱动热源温度变化对系统火用效率的影响

由于系统中引入了压缩机，其耗功为电能，因此从能量的质出发，引入㶲及㶲效率来对循环进行分析。定义:

图4所示为驱动热源进口温度从68℃变化到80℃时，压缩机理论耗㶲与驱动热源㶲的变化曲线。

从图4可以看出:随着驱动热源进口温度的降低，压缩机的耗㶲增加，驱动热㶲逐渐降低。这是由于驱动热源不足，导致压缩机吸气量增加；驱动热㶲的降低是驱动热热量减少及驱动热水进口温度降低共同作用的结果。

图4 不同驱动温度下压缩机与驱动热火用的变化曲线Fig.4 Curves of exergy of compressor and driven water at different driven temperatures

图5是驱动热源进口温度从68℃变化到80℃时,系统的㶲效率的变化曲线。

从图5可以看到，随着驱动热温度的降低，系统的㶲效率逐渐从0.245下降到0.122。驱动热温度的降低使机组可利用的低品位的驱动热水的㶲降低，而压缩机的负荷逐渐增加，所消耗的高品位电能逐渐上升，因此系统的㶲效率呈下降趋势。

图5 不同驱动温度下系统火用效率的变化曲线Fig.5 Curve of exergy eff i ciency at different driven temperatures

2.3 驱动热源温度变化对电热比的影响

定义指标“电热比”，它指在某一驱动热源进口温度下，压缩机的理论功耗与参与制冷流程的太阳能驱动热在数量上的比值，即

其值反映了压缩机所耗电功与所利用太阳能量比值的大小。

图6所示为驱动热源进口温度从80℃变化到68℃时，电热比的变化曲线。

从图6中看以看出，随着驱动热源进口温度tin的降低，电热比eph逐渐增加而且增加的越来越快，这是由于驱动热源温度的降低使得其放热量减少，压缩机的吸汽量增加导致耗功迅速增加。tin为79℃时，eph为0.7%，当tin降低至72℃时，数值计算结果表明eph增加至10.68%。

图6 不同驱动温度下电热比eph的变化曲线Fig.6 Curve of eph at different driven temperatures

2.4 驱动热源温度变化对冷却水流量的影响

图7所示为驱动热源进口温度自80℃降低至68℃时，冷却水流量的变化曲线。

图7 不同驱动温度下冷却水流量的变化曲线Fig.7 Curve of fl ux of cold water at different driven temperatures

从图7中可以看到，随着驱动热源进口温度的下降，冷却水的流量基本呈线性从7.24kg/s减少至3.74kg/s。为保持冷凝器与发生器之间的压差，需要保持冷凝压力恒定；当驱动热源进口温度降低时，压缩机的吸汽量增加，进入吸收器的冷剂蒸气量减少，吸收器的热负荷降低，与此同时，离开压缩机的高温蒸气在发生器内释放热量后成冷剂液，经节流进冷凝器，又使得进入冷凝器的冷剂蒸气减少，而进入的冷剂液增加，故冷凝器的热负荷也将降低，故冷却水的流量将明显降低。

3 结论

1)在原有的4种流程上提出了一个利用太阳能、以NH3-LiNO3为工质对、以少量电能做补偿、通过压缩蒸发器出口蒸气进行制冷的新循环，新流程的构成部件简单易得，方案可行，克服了传统循环受限于太阳能波动的不足。

2)采用数值模拟的方法对新循环进行分析表明:补偿相当于0.7%～10.68%太阳能能量的电能可使热源进口温度自95℃降低16℃～22℃，新循环的性能指数在0.495～1.201之间，㶲效率在0.245～0.122之间，冷却水流量随驱动热源进口温度的降低基本呈线性从7.24kg/s减少至3.74kg/s。

符号说明:COP 性能指数；Q0、Qg制冷量、驱动热负荷，kW；Wt压缩机的理论功耗，kW；E0、Eg冷量㶲、驱动热㶲，kW；eph 电热比，%；Tci、Tco冷媒水进口温度、冷媒水出口温度，K；Tgi、Tgo驱动热水进口温度、驱动热水出口温度，K；T0环境温度，K；ηII㶲效率

参考文献

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