小型氨水吸收式制冷系统中呼吸泵的特性研究

董曼 夏再忠 杜帅 王如竹

上海交通大学制冷与低温工程研究所

0 引言

在我国，建筑能耗占总能耗的比例大致有30%，建筑能耗中空调系统的能耗约占45%[1]，因此建筑空调系统是我国节能减排的重点研究领域。传统压缩式制冷系统用电负荷很大，同时，系统中的CFC和HCFC制冷剂对大气臭氧层具有破坏作用，加剧温室效应。而吸收式制冷则可利用太阳能[2]或工业余热[3]驱动，采用溴化锂和氨水等环境友好型工质制冷，节能环保，应用前景十分广阔。

在氨水吸收式制冷系统中，溶液泵是重要的运动部件，其作用是将吸收终的氨水浓溶液增压，输送至高压发生器中。溶液泵要求高扬程、高稳定性、无泄漏[4]，为满足这些要求，大中型（制冷量为100kW以上）氨水吸收制冷机一般选用多级离心式屏蔽电泵，电效率约为50%左右；小型（制冷量为10～100kW）氨水制冷机中，由于浓溶液的循环量很小，要求小流量高扬程的溶液泵，一般选用液压隔膜泵[5]，但是其电效率只有20%左右，而且体积大，使得小型氨水系统耗电量和体积增大，初投资提高。为解决小型氨水制冷机中溶液泵选型困难和效率低的问题，本文提出了一种新型泵送技术——“呼吸泵”。呼吸泵采用系统内高压氨气驱动[6]，将吸收终了的氨水浓溶液增压并输送至发生器中，可以满足小型氨水吸收式制冷机对溶液泵的性能和可靠性要求。

本文首先介绍了呼吸泵的构造及工作机理，对其工作过程进行了理论分析；然后，将呼吸泵工作腔中的氨水吸收问题简化为大压差下静止氨水溶液表面吸收氨蒸气的传热传质问题，并进行分析；最后讨论了影响呼吸泵效率的各种因素，给出了一定运行工况下呼吸泵的设计原则。

1 呼吸泵的机理分析

1.1 呼吸泵的结构

图1即为应用呼吸泵的氨水吸收制冷系统图。图中，装置F即为呼吸泵，它由三个腔体：低压腔、工作腔、高压腔和四个阀门：K、L、M、N组成。

图1 氨水制冷系统中呼吸泵原理图

低压腔和吸收器连通，压力恒定，始终为吸收压力P0，吸收终了的低压氨水浓溶液连续不断地流入低压腔中，低压腔起到对低压氨水浓溶液的缓冲和贮存作用；高压腔与高压氨气连通，压力恒定，近似取为冷凝压力Pk，循环泵G连续不断地将高压浓溶液泵送至发生器中，高压腔起到对高压氨水浓溶液的缓冲和贮存作用；工作腔的压力则在吸收压力P0和冷凝压Pk之间周期交变，起到对氨水溶液增压的作用，是呼吸泵的主要部件。

自动调节电磁阀K、L是呼吸泵的控制部件，其作用是控制呼吸泵的工作时间，平衡腔体压力；单向阀M、N是无动力阀，方向向下，起到液体的自动通断作用。

通过消耗一定量的高压氨气，利用三个腔体及四个阀门的配合，工作腔周期性地将低压腔中的浓溶液“吸入”并“呼出”（即排出）至高压腔中，实现浓溶液的压力升高及泵送，故将整个装置形象地称为“呼吸泵”。为了克服循环中换热器及管道阻力还需设置一小扬程循环泵，其扬程仅需10m左右，效率高，耗电少。

1.2 呼吸泵的“呼吸过程”

呼吸泵的一个工作循环即为工作腔的一次“呼吸过程”，即工作腔一个吸入呼出液体的过程。呼吸泵的一个工作循环可分为两阶段：工作腔的“吸液”阶段和“呼液”阶段，分别由图 2（a）和（b）表示，图中虚线表示管道关闭，实线表示管道开通。

图2 呼吸泵的呼吸过程

1）工作腔的吸液阶段：控制电磁阀L处于关闭状态，电磁阀K处于开通状态。先关闭电磁阀L，再打开电磁阀K，工作腔“吸液阶段”开始，低压腔和工作腔连通，冷凝压力下的工作腔通过阀K对低压腔进行充气；两腔压力迅速平衡后，低压腔中的溶液在重力作用下打开单向阀M，流入工作腔中。低压腔中溶液减少，液位下降，工作腔中溶液增加，液位升高，高压腔中溶液不断流出，液位下降。图2（a）中液位为吸液阶段开始时各腔体中溶液液位。

2）工作腔的呼液阶段：控制电磁阀K处于关闭状态，电磁阀L处于开通状态。在吸液阶段结束时，工作腔中压力为吸收压力，先关闭电磁阀K，再打开电磁阀L，工作腔呼液阶段开始，工作腔和高压腔连通，高压腔及高压氨气通过阀L对工作腔进行充气；两腔压力迅速平衡后，工作腔中的溶液在重力作用下打开单向阀N，流入高压腔中。工作腔中溶液减少，液位下降，高压腔中溶液增加，液位升高，低压腔中不断流入氨水溶液，液位上升。

设计吸液阶段和呼液阶段之间无时间间隔，图2（b）中液位为吸液阶段结束、呼液阶段开始时各腔体中溶液液位，呼液阶段结束时各腔体液位如图2（a）所示，呼吸泵回到吸液阶段前的状态，完成一个“呼吸过程”。

综上，在一个“呼吸过程”中，利用制冷系统内高压氨气的驱动以及阀门开关的变换，呼吸泵将低压饱和态氨水浓溶液转化为高压过冷态氨水浓溶液，并不断输出，输送的氨水溶液量即为图2中最低液位和最高液位之间的溶液量。

1.3 呼吸泵的性能分析

呼吸泵需要依靠系统中的高压氨气驱动。由于用来驱动的高压氨气未参与蒸发制冷，造成制冷损失，这部分氨气消耗量的多少决定了呼吸泵的性能优劣。

经分析，如图3所示，呼吸泵所消耗的氨气包括三个部分：一是没有参与呼吸过程的工作腔余隙所储存的高压氨气体积V余隙；二是呼液阶段工作腔中氨水溶液吸收的高压氨气体积V吸收；三是为平衡工作腔输出溶液后增加的空间压力而消耗的氨气体积V输出。确定呼吸泵的性能要明确上述氨气消耗量，尤其是工作腔中氨水溶液吸收的氨气量V吸收，目前尚无成熟的理论支持，需要对其吸收特性展开研究。

图3 工作腔呼液阶段消耗的氨气

2 工作腔中吸收氨气量的研究

2.1 吸收过程物理模型

工作腔静止，吸收过程中溶液液位下降缓慢，液面无波动，因此可将工作腔的吸收过程简化为大压差下静止氨水溶液表面吸收氨蒸气的传热传质过程[7]。未吸收时，工作腔内为气液相平衡态，下部为氨水溶液，上部为与氨水溶液平衡的气相氨水混合物，设此平衡态体系温度为T0（℃），压力为P0（Pa），氨水溶液中氨的质量浓度为C0（kg/m3）。

现将压力为高压Pk的氨气充入工作腔中，使得工作腔压力从P0突然升高至Pk，工作腔中平衡被打破。这时氨水溶液呈过冷状态，气相中氨的蒸气分压力远高于溶液温度和浓度所对应的氨蒸气分压，形成浓度梯度，氨水溶液将吸收一定量的氨蒸气。

为了得到既反映实际吸收过程，且便于分析与计算的物理模型，作如下假定：

1）忽略气液相界面处气相侧的传质阻力，液相侧与气相满足氨水气液相平衡方程；

2）忽略向气相的传热，氨在界面处被吸收时产生的吸收热传入液相内部；

3）氨水溶液热物性参数取初始温度浓度条件下的定值，氨水密度及氨的单位吸收热均取定值。

工作腔中吸收过程简化为半无限大一维非稳态传热传质问题[8]，其物理模型如图4所示：

图4 工作腔中吸收过程的物理模型示意图

2.2 数学模型

根据物理模型，可以得到描述吸收过程的控制微分方程和相应的定解条件。坐标系如图4所示，取与溶液表面垂直向下方向为x正方向，坐标原点位于气液相界面处。

1）控制方程为：

式中：T为氨水溶液温度，℃；C为氨水溶液中氨的质量浓度，kg/m3，a为氨水溶液导温系数，m2/s；D 为氨在氨水溶液中的扩散系数，m2/s；τ为吸收时间，s。

2）边界条件为：

在气液相界面处，忽略向气相的传热，传入液相的热量即为氨被吸收时产生的吸收热：

式中：λ为氨水溶液导热系数，W/(m·K)；r为氨的单位吸收热，J/kg。

气液相界面处满足气液相平衡方程：

式中：Pk为气相绝对压力，Pa；T/x=0为气液相界面温度，℃；C/x=0为气液相界面处氨的质量浓度，kg/m3；F(P,T,C)=0为氨水气液相平衡方程[9]，其中P为体系压力，T为体系温度，C为液相中氨的质量浓度。

3）初始条件为：

式中：T0为氨水溶液初始温度，℃；C0为氨水溶液初始氨的质量浓度，kg/m3。

2.3 数学模型的解析解

工作腔氨水溶液的吸收时间近似为一个工作循环中呼液阶段的时间，设为τ2。通过对数学模型进行求解，得到τ2时间内的吸收氨气体积V吸收为：

式中：S为工作腔中溶液表面积，m2；ρNH3为高压氨气的密度，kg/m3；气液相界面处氨的质量浓度C/x=0由下式确定：

式中：Pk为氨水制冷循环的冷凝压力；Cρ为工作腔中氨水溶液的定压比热容，J/(kg·K)；ρ为工作腔中氨水溶液的密度，kg/m3；Le为工作腔中氨水溶液的路易斯数；F(Pk,T,C)=0为氨水气液相平衡方程。

3 呼吸泵的设计原则

3.1 呼吸泵的性能参数

同电力泵[10]一样，采用流量、扬程、功率和效率来评价呼吸泵的性能。

1）呼吸泵的流量：呼吸泵在单位时间内所输送的流体的质量流量。本文中，呼吸泵的流量即为氨水浓溶液的循环量，设为qm,f。

2）呼吸泵的扬程：单位重量液体通过泵时所获得的能量增加值为泵的扬程，可近似由下式确定：

式中：γ为输送的氨水浓溶液的重度，N/m3。

3）呼吸泵的输出功率Pe：呼吸泵的流量和扬程确定后，可根据下式得到呼吸泵的输出功率：

式中：qm,f呼吸泵的质量流量，kg/s；重力加速度g=9.8 m/s2；H为呼吸泵的扬程，m。

4）呼吸泵的效率：

呼吸泵利用高压氨气对氨水溶液作功，呼吸泵的效率定义为泵的输出功率和输入功率之比：

式中：V输出为一个工作循环中呼吸泵所输送的溶液体积，m3；V输入为一个工作循环中呼吸泵所消耗的氨气体积，m3；τ1为吸液阶段工作时间，s；τ2为呼液阶段工作时间，s。

3.2 呼吸泵的设计原则

将一个工作循环中呼吸泵消耗的氨气体积代入式（10）得：

将工作腔吸收的氨气体积V吸收的表达式(6)代入上式中得到：

式中：L为工作腔输送的溶液高度，m。

分析式（12）：其中 C/x=0，C0，ρNH3，D 取决于呼吸泵的运行工况，即呼吸泵的进出口压力和泵送的溶液状态；L，V余额是呼吸泵的结构尺寸；τ2是呼吸泵的控制参数，由电磁阀控制。

下面分析V吸收=0时V余额/V输出对呼吸泵效率的影响，以及V余额=0时无量纲数 对呼吸泵效率的影响：

1）由图 5（a）可知，效率随 V余额/V输出的增加而降低，当V余额、V输出均为零时，呼吸泵的效率达到最高值1，即最理想的情况，实际中，余隙容积和吸收氨气体积均是不可避免的，因此效率不可能达到1；

2）由图5(b)可知，效率随无量纲数 的增加而降低；图5（b）是在冷凝温度为34℃、吸收温度为160℃时不同蒸发温度下的效率曲线，四条曲线的蒸发温度从上到下依次为 10℃、-5℃、-15℃、-30℃，可见，相同的值下蒸发温度越低，呼吸泵效率越低。是因为：系统蒸发温度越低，呼吸泵进出口压差越大，工作腔中吸收氨气量就越多，从而氨损失量越大，效率越低。

运行工况一定时，为了得到高效率，一方面希望工作腔余隙容积越小越好，但应满足最高液位低于气体管路的要求，以防止液体堵塞气体管路，影响呼吸泵的工作；另一方面希望 越小越好，这就要求工作腔的呼液时间τ2尽可能小，工作腔的工作高度L尽可能大，但τ2太小会造成难以控制、呼吸泵工作不稳定的问题，而实际中L也不可能太高。应在实际可行情况下，在设计原则指导下，通过对结构尺寸L，V余额和控制参数τ2的匹配来得到最优值。确定结构尺寸和控制参数后即可根据流量确定呼吸泵的横截面积、各腔高度等，从而最终确定呼吸泵的各个设计参数。

图5 呼吸泵效率随V余额/V输出和 的变化

3.3 设计工况下呼吸泵的设计计算结果

设计制冷系统的工况为：蒸发温度-30℃，发生温度160℃，冷凝温度34℃，制冷量40kW。

呼吸泵的运行工况为：吸收压力120kPa，冷凝压力1317kPa，浓溶液状态：质量分数0.2915、温度34℃。在该运行工况下，遵循上述设计原则，选择适当的设计参数得到一组设计计算结果，如表1所示。

表1 设计工况下呼吸泵设计计算结果

由表1易知，与制冷剂流量相比，用于驱动呼吸泵工作的氨气量即氨气消耗量很小，验证了呼吸泵的可行性。结果表明：遵循设计原则得到的呼吸泵，其效率可达到0.85以上，远高于液压隔膜泵。特别地，呼吸泵由系统内高压氨气驱动，相当于采用低温热源驱动，使用的能源品位较低，不依赖高品位的电能，能源利用更有优势。

4 结论

1）本文创新性地提出了一种新型液体泵送技术——呼吸泵，并对其工作机理进行了分析。呼吸泵利用高压氨气驱动、借助于“呼吸”手段实现小型氨水制冷机中小流量高扬程的液体输送，其工作效率高，稳定性高，无泄漏。该技术的提出解决了小型氨水制冷机中溶液泵选择困难、效率低的问题，对小型氨水制冷机的推广具有重要意义。

2）对呼吸泵工作腔中的氨水表面非定常吸收特性进行了动力学分析，获得了相界面传质的理论表达式，为呼吸泵的性能分析提供了理论依据。

3）分析了影响呼吸泵效率的各因素，得到一定运行工况下呼吸泵的设计原则，即呼吸泵结构尺寸、控制参数和运行工况之间的匹配关系：在实际可行的情况下，工作腔余隙容积V余额越小越好，无量纲数 越小越好。在设计原则指导下给出了设计工况下的一个设计计算结果，结果表明：呼吸泵的效率为0.88，远高于液压隔膜泵。

[1]Y Fan,L Luo,B Souyri.Review of solar sorption refrigeration technologies:development and applications[J].Renewable&Sust-ainable Energy Reviews,2007,11(8):1758-1775

[2]孙小琴,周军莉,张国强.太阳能吸收式制冷系统研究进展[J].建筑热能通风空调,2010,29(3):40-43

[3]田莹,陈亚平,林陈敏,等.利用工业余热的溶液冷却吸收双级氨水制冷循环研究[J].能源研究与利用,2008,(4):28-30

[4]杨思文.氨水吸收式制冷机的基础理论和设计之十二-主要设备及其计算[J].流体工程,1990,(9):58-63

[5]叶晓琰,张生昌,许建强.液压驱动隔膜泵的特性及隔膜挠曲控制系统[J].流体机械,2006,34(7):32-33

[6]张治经.无泵循环氨水吸收式太阳能制冷系统的研究[J].制冷学报,1982

[7]Issa Mahmoud,Kenji Ishida,Masanori Monde.Analysis of ammonia vapor absorption into ammonia water mixtures:mass diffusion flux[J].Heat Mass Transfer,2005,41:875-889

[8]J R威尔特,C E威克斯,R E威尔逊.动量、热量和质量传递原理[M].北京:化学工业出版社,2005

[9]Conde M.Thermodyamic Properties of{NH3+H2O}Mixtures for the Industrial Design of Absorption Refrigeration Equipment[M].M Conde Engineering:2006

[10]何川,郭立君.泵与风机(第四版)[M].北京:中国电力出版社,2008