氨水吸收-喷射复合制冷循环的性能分析

许健勇，杜垲，江巍雪，马昕宇

（东南大学能源与环境学院，江苏南京210096）

0 引言

当代的能源危机和环境污染促进了对清洁能源的开发和低品位能源的再利用。太阳能作为一种天然能源，具有长远的研究和应用价值[1-5]。吸收式制冷具有直接利用太阳能或废气废热等低品位热源就能驱动、对环境友好等优点。研究如何高效利用工业余热、太阳能，对加快CFCs工质替代进程、节约能源具有重要的意义[6]。氨水吸收式制冷系统相比溴化锂吸收式制冷系统，可用于0 ℃以下的普通制冷场合，因而具有更广泛的应用空间。但氨水吸收式制冷系统的性能系数随着驱动热源温度的降低而降低，甚至于无法实现循环，特别在常见的太阳能集热器集热温度不超过100 ℃的条件下[7]，其应用受到一定的限制。

通过分析常规单级氨水吸收式制冷循环可知，在给定的制冷温度和环境温度下，为保证循环具有一定的性能系数，发生温度必须要达到一定品位的要求。这是因为氨水吸收式制冷循环系统必须使得发生终了的氨水溶液浓度要比吸收终了的氨水浓度小于一定的数值，此差值称之为系统放气范围。通常情况下，系统放气范围越大，系统的性能系数也越高。由分析可知：在一定热源温度下，发生终了的饱和氨水浓度主要受发生压力即冷凝压力（不考虑设备间的流动阻力）的影响，该浓度随冷凝压力的提高而增大，放气范围随之减小；在给定的环境温度条件下，发生终了的饱和氨水浓度主要受热源温度的影响，该浓度随热源温度的降低而增浓，放气范围随之减小。因此，发生终了的饱和氨水浓度是发生温度和发生压力二元函数。在给定的冷却水温度条件下，驱动热源温度降低，发生终了饱和氨水浓度升高，进而使得系统放气范围减小，当放气范围减小到一定值后，系统性能系数无法得到保证，甚至于循环无法实现。

为了解决上述问题，本文提出一种利用低品位热能驱动的氨水吸收-喷射复合制冷系统，使发生器的压力不直接取决于冷凝压力，而利用低品位热源加热经过泵加压的冷凝氨液，使之汽化成高压饱和蒸汽作为喷射器的工作蒸汽，利用喷射器引射发生器产生的氨蒸汽提升压力排至冷凝器冷凝。这样使得发生器工作压力降低，因此发生终了的氨水浓度降低，系统放气范围得以提高，从而使得氨水吸收式制冷循环能在更低的热源温度下运行。本文在构建氨水吸收-喷射复合制冷循环的基础上，阐述了其工作原理，通过模拟计算，对新循环和常规单级氨水吸收式制冷循环驱动热源温度作了对比分析。最后计算分析了新循环性能系数随热源温度、制冷温度和冷却水温度变化规律。

1 系统构建

系统的循环如图1所示，蒸发器（A）的氨蒸汽经过冷器（B）进入吸收器（C），从低压发生器（E）出来的低浓度氨溶液与从吸收器出来的高浓度氨溶液在溶液热交换器（D）中进行热交换，最后进入吸收器。储液器（K）中的氨液一路经过溶液泵（L）升压进入高压发生器（H）中，吸收低品位热汽化得到的高压氨蒸汽作为喷射器（I）的工作蒸汽，将精馏塔（F）塔顶出来的低压氨蒸汽引射升压排至冷凝器（J）中，另一路经过冷器和节流阀进入蒸发器（A）中。系统循环各状态点在焓-浓（h-x）图上表示如图2(a)；近似为纯氨部分（假设精馏塔出口氨蒸汽浓度为100%）的工作循环各状态点在压-焓（P-h）图上的表示如图2(b)。

图1 设计系统循环图

图2 循环图各状态点

2 系统模拟计算与分析

2.1 模拟计算条件设定

1）常见太阳能集热器集热温度不超过100 ℃[7]，模拟计算取高低压发生器的热源温度≤100 ℃；

2）节流阀前氨液取过冷度8 ℃，精馏塔顶部出口氨蒸汽的温度与冷却水进口温度差为8 ℃；

3）近似认为精馏塔出口制冷剂氨的浓度为100%，且流量设为1 kg/s，系统以单位制冷剂质量计算；

4）取喷射器工作蒸汽压力为热源温度下纯氨饱和压力，取喷射器出口与引射蒸汽进口压力比（称为喷射器压缩比）为2，喷射器膨胀比（工作蒸汽进口与引射蒸汽进口压力比值）随之而定；通过对喷射系数的研究[8-12]以及氨制冷剂在喷射式制冷中的应用研究[13-17]内容可推断，喷射系数在压缩比为2以及膨胀比值在范围为5～10内，近似按线性变换取值为0.25～0.60；

5）溶液热交换器的换热效率为0.95；

6）蒸发终了、吸收终了、发生终了、冷凝终了的状态均为饱和状态；

7）忽略系统各部件以及循环管路的压降和漏热。

2.2 模拟计算方法

根据模拟计算设定的条件，按照循环确定计算各部件热负荷所需的状态点参数，利用EES计算软件模拟新循环和常规单级氨水吸收式制冷循环在相同工况条件下所需热源温度的比较，以及热源温度（th）、制冷温度（t0）、冷却水温度（tw）变化对新系统循环性能系数（Coefficient of Performance，COP）和溶液循环倍率（f）的影响。

性能系数：

式中：

q0—蒸发器制冷量，kW；

qL—低压发生器热负荷，kW；

qG—高压发生器热负荷，kW；

wL—溶液泵L的功耗，kW；

wM—溶液泵M的功耗，kW；

μ—热电转换效率，本文取0.35。

模拟计算程序框图如图3所示。

2.3 模拟计算结果和分析

2.3.1 新循环和常规循环对比分析

图4显示了在t0=-6 ℃、tw=25 ℃时，在同样的放气范围（xf）内，新循环（在上述喷射器设定工况条件下）和常规单级氨水吸收式制冷循环所需的热源温度值的变化关系。随着放气范围的增大，所需的热源温度都呈线性升高趋势。当放气范围区间从0.1增加到0.193，新循环的热源温度从75 ℃增加至95 ℃，而常规循环的热源温度则从102.7 ℃增加至124 ℃，两者平均温差在28 ℃。这说明新循环在满足放气要求情况下，可以大幅降低所必需的热源温度值。

图3 模拟计算程序框图

图4 新循环和常规循环所需的热源温度值（t0=-6 ℃，tw=25 ℃）

图5显示了在放气范围xf= 0.06时，新循环和常规单级氨水吸收式制冷循环在不同制冷温度下运行所需要的最低热源温度。当系统的放气范围小于一定值或者为负值时，则系统不能循环工作，通常将放气范围等于0.06作为满足系统设计要求的临界值。随着制冷温度升高，两者所需要的最低热源温度都呈降低趋势。因为蒸发压力随着制冷温度升高而增大，在给定冷却水温度下，吸收终了的氨水浓度提高；在保证最低放气范围条件下，发生终了的氨水浓度也随之增大，而发生压力因冷凝压力确定而不变，所以热源温度逐渐降低。当tw=25 ℃、t0=-15 ℃时，th=79.84 ℃，可推断出利用太阳能驱动新循环，可以达到更低的制冷温度。所以新循环适合在低热源温度下工作，而且制冷区间相对比较大。

新循环相比常规单级氨水吸收式制冷循环在系统部件方面只多了溶液泵、高压发生器和喷射器，在没有增加制冷循环复杂程度的前提下，大大降低了制冷循环运行所需的热源温度。更重要的是解决了当热源温度低到一定值后，常规单级氨水吸收式制冷循环无法工作的问题。

图5 不同制冷温度所需要的最低热源温度（xf = 0.06）

2.3.2 热源温度的影响

图6显示了在t0=-5 ℃时，系统循环性能系数COP和溶液循环倍率随热源温度th的变化规律。从图中可以看出，随着热源温度的升高，COP值逐渐增大。这是因为在相同冷却水温度下，喷射器的排出压力就确定了，低压发生器压力也就确定不变，随着热源温度升高，发生终了的氨水浓度降低，进而溶液循环倍率降低（图中溶液循环倍率的走势也可以反映出来），低压发生器的热负荷减小；同时热源温度的升高提高了纯氨的饱和压力，即喷射器的工作蒸汽压增大了，喷射系数随着膨胀比的增大而提高，完成单位流量低压氨蒸汽的引射所需的高压氨蒸汽流量减小，则高压发生器的热负荷也有减小，所以系统循环性能系数提高。

2.3.3 制冷温度的影响

图7显示了在tw=25 ℃时，制冷温度对系统循环性能系数和溶液循环倍率的影响，从图中可以看出，随着制冷温度的升高，COP值随之增大，溶液循环倍率随之减小。当冷却水温度一定，制冷温度升高时，从压-焓图上得到氨制冷剂蒸发始末状态点的焓差增大，则单位制冷量增大。同时蒸发压力的增加提高了吸收终了的氨水浓度，降低了溶液循环倍率，减小了低压发生器的热负荷；在一定热源温度和冷却水温度下，氨的饱和压力和冷凝压力不变，即确定了压缩比和膨胀比，喷射系数也随之确定，高压发生器的热负荷不变，所以COP值增大。

图6 循环性能系数COP和溶液循环倍率f随热源温度th的变化（t0=-5 ℃）

图7 循环性能系数COP和溶液循环倍率f随制冷温度t0的变化（tw=25 ℃）

2.3.4 冷却水温度的影响

图8显示了在t0为-5 ℃时，COP值随冷却水温度的升高而减小，溶液循环倍率随冷却水温度升高而增大。当制冷温度一定，冷却水温度升高时，从压-焓图上得到氨制冷剂蒸发始末状态点的焓差减小，则单位制冷量降低。随着冷凝压力的升高，低压发生器的压力随之增大，则发生终了的氨水浓度提高，溶液循环倍率增大，低压发生器的热负荷增大；同一热源温度，纯氨的饱和压力不变，则喷射器的工作蒸汽压一定，膨胀比随着低压发生压力的增大而减小，喷射系数随之减小，完成单位流量低压氨蒸汽的引射所需的高压氨蒸汽流量增大，高压发生器的热负荷增加，所以COP值减小。

图8 循环性能系数COP和溶液循环倍率f随冷却水温度tw的变化（t0=-5 ℃）

3 结论

1）本文通过模拟计算和分析热源温度、制冷温度、冷却水温度对新循环性能的影响，得到热源温度和冷却水温度对新循环性能系数的影响更为明显，因为其变化同时影响高压和低压发生器热负荷。通过在相同的放气范围内对比新循环和常规单级氨水吸收式制冷循环所需的热源温度，得到两者的温差比较大，新循环更适合在较低的热源温度下工作。当tw=25 ℃、t0=-15 ℃，xf=0.06时，th=79.84 ℃，推断出利用太阳能驱动新循环，可以达到更低的制冷温度，制冷区间相对较大，这对利用太阳能驱动新循环运行具有重要的意义。

2）新循环中喷射器的喷射系数主要受压缩比和膨胀比的影响，当压缩比较小时，可以获得较高的喷射系数，而当压缩比较高时，喷射系数往往较低，即便提高膨胀比，喷射系数提高也不明显。在给定热源温度下，若降低低压发生器压力，则有利于提高放气范围，降低溶液循环倍率；若保证一定放气范围，则降低低压发生器压力可以降低热源温度，但是会增大压缩比，不利于气体引射；而若降低压缩比，在给定冷却水温度下，则会提高低压发生器压力，对热源温度的需求更高，系统改进也逐渐失去了意义。综合考虑后，本文选取了合适的压缩比对循环进行研究，在研究的工况范围内，喷射系数主要影响高压发生器的热负荷。结果显示，高压发生器的热负荷对系统性能系数的影响不可忽视。

3）目前针对喷射器的理论研究还不成熟，而喷射器对于本循环系统的影响不可忽视。虽然在模拟计算过程中，结合文献采用了相对合理的估值，但其对于本系统的影响以及本循环系统的实际运行效果仍需要进一步研究。

[1]MOHANTY S, PATRA P K, SAHOO S S, et al.Forecasting of solar energy with application for a growing economy like India: Survey and implication[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 78: 539-553.

[2]PELAY U, LUO L, FAN Y, et al. Thermal energy storage systems for concentrated solar power plants[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 79: 82-100.

[3]黄飞, 余国和. 太阳能与天然气综合供热的小型吸收式制冷机在别墅建筑的应用[J]. 制冷技术, 2002, 22(1):21-23.

[4]陆至羚, 柳建华, 张良, 等. 氨水吸收式制冷系统性能模拟分析[J]. 制冷技术, 2016, 36(2): 16-20.

[5]鲍帅阳, 杜凯, 储云霄, 等. 高/低压区氨水吸收/压缩复合制冷循环性能分析[J]. 制冷技术, 2014, 34(3): 42-48.

[6]杜垲, 廖健敏. 氨水吸收式制冷GAX循环中临界热源温度的理论分析[J]. 东南大学学报(自然科学版),2005, 35(5): 766-768.

[7]周兴法, 谢应明, 谢振兴. 太阳能单效溴化锂吸收式制冷空调技术研究现状[J]. 流体机械, 2014, 42(7): 58-64.

[8]索科洛夫. 喷射器[M]. 北京: 科学出版社, 1977.

[9]陶乐仁, 王永红, 王金锋, 等. 太阳能喷射式空调系统中喷射系数的计算方法的探讨[J]. 低温与超导, 2009,37(6): 37-40.

[10]丁绍建, 王海峰, 徐海涛. 蒸汽喷射器喷射系数的计算方法分析[J]. 机械制造与自动化, 2017, 46(1): 71-73.

[11]王权, 向雄彪. 蒸汽喷射压缩器喷射系数计算方法研究[J]. 太阳能学报, 1997, 18(3): 79-86.

[12]CHEN Y M, SUN C Y. Experimental study of the performance characteristics of a steam-ejector refrigeration system[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1997,15(4): 384-394.

[13]SANKARLAL T, MANI A. Experimental studies on an ammonia ejector refrigeration system[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2006, 33(2):224-230.

[14]SANKARLAL T, MANI A. Experimental investigations on ejector refrigeration system with ammonia[J].Renewable Energy, 2007, 32(8): 1403-1413.

[15]SARKAR J. Geometric parameter optimization of ejector-expansion refrigeration cycle with natural refrigerants[J]. International Journal of Energy Research,2010, 34(1): 84-94.

[16]李征宇, 赵健华, 赵宗昌. 喷射式氨-水吸收制冷系统的研究[J]. 节能技术, 2010, 28(3): 241-245.

[17]张于峰, 赵薇, 田琦,等. 喷射器性能及太阳能喷射制冷系统工质的优化[J]. 太阳能学报, 2007, 28(2):130-136.