基于R124/DMAC为工质的压缩吸收式制冷系统的性能分析

贾炯，王辉涛，刘泛函，葛众



基于R124/DMAC为工质的压缩吸收式制冷系统的性能分析

贾炯1，王辉涛1，刘泛函1，葛众2

（1昆明理工大学冶金与能源工程学院，云南昆明 650032；2清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084）

吸收式制冷能够利用工业余热进行制冷，但存在不能高效利用100℃以下废热的问题。本文以压缩吸收式制冷系统为研究对象，采用新型制冷工质对R124/DMAC，对不同发生压力、发生温度和冷凝温度下系统性能的变化规律进行研究，并与传统氨/水制冷系统的性能进行比较。结果表明影响系统制冷系数（COP）、㶲损和㶲效率的主要因素是发生温度和发生压力，在相同冷凝温度下，R124/DMAC制冷系统的最佳发生压力为600kPa，最佳发生温度为75℃；而氨/水制冷系统的最佳发生压力为1100kPa，最佳发生温度为100℃，采用新型制冷工质对能够有效地利用更低品位的热源进行制冷，同时系统的安全性更高。

压缩吸收式制冷；㶲；热力学；仿真；模型

吸收式制冷因可直接利用低温热源进行制冷，其研究越来越受到国内外研究人员的青睐。单效吸收式制冷系统在国内外已经有了广泛的研究，其中溴化锂吸收式制冷和氨吸收式制冷是最常用的吸收式制冷系统，溴化锂吸收式制冷常用于空调系统中，制冷温度一般在5℃以上，工业制冷中常用的是氨吸收式制冷，制冷温度范围较大，一般 为+10℃～–60℃，可用于制冷温度为0℃以下的场合[1-2]。为提高系统制冷性能，国内外学者对单效吸收式制冷系统进行了大量的改良研究：KANG等[3-4]分析了改变系统中间压力对系统性能的影响，将压缩机置于蒸发器和吸收器之间，可以降低蒸发器发生压力，提高系统性能；将压缩机置于冷凝器和发生器之间，当冷凝器压力一定时，发生温度可以得到降低，从而降低热源温度；JELINEK等[5]研究了氨水中氨浓度的变化对吸收式制冷系统的性能影响；BOR等[6]对氨水吸收式制冷GAX循环进行了理论分析，阐述了热交换器（GAX）可以提高系统制冷系数（COP）的原因以及循环存在临界热源温度的原因，以上为以氨水和溴化锂作为制冷剂的吸收式制冷系统的研究。

一些研究人员对使用新型制冷剂在吸收式制冷系统中的性能进行了研究，WANG等[7-9]发现用R23或R134a作为制冷剂，二甲基甲酰胺（DMF）作为吸收剂时在吸收式制冷系统中具有可行性。ROY等[10]研究了使用R134a/DMAC（二甲基乙酰胺）作为制冷工质对时吸收式制冷系统的性能，发现系统可以利用80℃以下的热源进行制冷；EZZINE等[11]研究了利用太阳能驱动单效吸收式制冷系统、R124/DMAC作为制冷工质对时具有可行性；徐士鸣等[12]搭建了试验台测试了R124/DMAC作为制冷剂时系统的影响因素，发现系统的最大COP可达0.54。这些研究通过改良吸收式制冷系统提高了系统COP，并且发现一些新型工质对可应用于吸收式制冷系统，不过具有使用条件的限制。系统中增加压缩装置后可以提高系统性能，但消耗了高品位能源（电能）；在单效吸收式制冷系统中使用新型制冷剂时的发生温度为90～160℃，但发生温度小于100℃时的系统COP较低；传统氨/水吸收式制冷系统发生压力高，并且系统腐蚀性大，系统的使用期限短，所需热源温度较高。综上，无论使用新型制冷剂还是改良传统氨吸收式制冷系统均不能有效利用100℃以下的工业余热。

针对以上问题，本文提出以R124/DMAC为制冷工质对、压缩吸收式制冷系统为研究对象，基于对系统流程的热力学分析和㶲分析，建立了以系统综合COP、㶲损和㶲效率为目标函数的计算模型，利用Aspen Plus流程模拟软件和EES计算软件辅助模拟，并且对系统性能的影响因素进行了分析。

1 压缩吸收式制冷系统描述

压缩吸收式制冷系统流程如图1，系统包括发生器、精馏塔、水冷冷凝器、再冷回热器、节流阀、蒸发器、压缩机、吸收器、溶液泵、热交换器。制冷剂浓溶液从溶液泵出来后进入热交换器，浓溶液在热交换器中和从发生器出来的稀溶液进行热交换，换热后的浓溶液进入发生器，换热后的稀溶液进入吸收器，浓溶液在发生器中受热，其中制冷剂变为蒸汽从溶液中分离出来进入精馏塔，在精馏塔提纯后的气态制冷剂进入冷凝器中冷凝为液态，液态制冷剂进入再冷器进行再冷，再冷后的制冷剂经过节流阀降压后进入蒸发器，在蒸发器中吸热汽化制冷，气态制冷剂经再冷器后进入压缩机进行加压，加压后的气态制冷剂进入吸收器被稀溶液吸收，稀溶液变为浓溶液，吸收器中的浓溶液进入溶液泵完成一个循环。

其中再冷回热器和换热器为逆流换热，从吸收器出来的浓溶液（图1中12）为该温度下的饱和溶液，发生器出口稀溶液（10）为该温度下的饱和溶液，精馏塔出口的制冷剂蒸汽（3）浓度为0.998，冷凝器出口制冷剂（4）为饱和液体状态，蒸发器出口制冷剂（7）为饱和气体状态，制冷温度为–5℃，制冷工质对中R124为制冷剂，DMAC为吸收剂。

2 热力学计算模型

由能量守恒和质量守恒定律可知，系统各部件能量和质量守恒。

为了简化计算，进行以下假设：①系统处于稳定工况；②管路压力损失和漏热量忽略不计；③根据我国大部分地区的气候特点，环境温度取25℃，大气压力为0.1MPa；④工质在压缩机和溶液泵中的加压是等熵过程。

A—吸收器；G—发生器；REC—精馏塔；C—冷凝器； LVX—再冷回热器；V—节流阀；E—蒸发器；GAX—热交换器

发生器中，浓溶液（14）受热后因为制冷剂和吸收剂沸点不同，浓溶液中的制冷剂变为制冷剂蒸气（1）分离出来进入精馏塔，分离出制冷剂的溶液变为稀溶液（10）从发生器出来，发生器质量守恒，制冷剂质量守恒，如式(1)、式(2)。

(2)

发生器中能量守恒如式(3)。

精馏塔中，制冷剂蒸汽进入精馏塔进行提纯，提纯后的制冷剂蒸汽浓度达到0.998，精馏塔中能量守恒如式(4)。

(4)

冷凝器能量守恒如式(5)。

再冷回热器中，冷凝器出来的液态制冷剂被从蒸发器出来的制冷剂蒸汽进一步冷却，过程换热量如式(6)，蒸发器制冷量如式(7)。

(7)

吸收器吸收过程为放热过程，因此需要对吸收器进行冷却，才能保证吸收器稳定工作，吸收过程的放热量如式(8)。

换热器换热过程符合能量守恒定律，高温流体放热量等于低温流体吸热量，换热量如式(9)。

(9)

压缩机和溶液泵电机转换效率[13]如式(10)，压比如式(11)，压缩机耗功量如式(12)，溶液泵耗功如式(13)，循环倍率定义如式(14)，系统综合能效系数如式(15)。

(11)

(12)

(14)

(15)

充分考虑了压缩机和溶液泵消耗的电能，因为电为高品位能量，需考虑热电转换效率，按超临界热电效率hc=0.45。

3 㶲计算模型

吸收式制冷系统驱动热源温度的高低能够制取一定温度下的冷量不同，当驱动热源温度相同时制取不同温度下的冷量也有差异，系统涉及耗热和供冷，能量的品位不同，但都需要消耗高品位能量，系统存在很大的不可逆损失。㶲分析可以定量描述出系统各环节能量利用的不可逆性，从而为提高系统能量利用效率提供指导，而且㶲分析也是一种评价系统性能的有效途径。

稳定开口系统的㶲损计算如式(16)，热量㶲如式(17)。

(17)

式中，0为外界环境温度；为热源温度。

稳定流体的焓㶲如式(18)。

由开口系统的㶲损分布情况可知，压缩吸收式制冷系统的㶲损主要发生在发生器、精馏塔、冷凝器、再冷器、吸收器、换热器、工质加压过程中。其中在发生器、精馏塔、冷凝器、再冷器、吸收器、换热器中的㶲损为有限温差传热㶲损，而发生在压缩机和溶液泵中的㶲损主要包括流道损失、内部损失。

发生器㶲损如式(19)，精馏塔㶲损如式(20)，冷凝器㶲损如式(21)，再冷回热器㶲损如式(22)。

(20)

(21)

蒸发器㶲损如式(23)，压缩机㶲损如式(24)，吸收器㶲损如式(25)。

(23)

(25)

溶液泵㶲损如式(26)，换热器㶲损如式(27)，系统总㶲损为系统各部件㶲损的和，如式(28)，㶲效率如式(29)。

(27)

(28)

4 结果与讨论

使用Aspen Plus流程分析软件进行系统仿真模拟，其拥有广泛的物性数据库，基于有序单元操作模块进行计算，计算时可以自动从数据库中调用基础物性进行传递性质和热力学性质的计算。采用ELECNRTL-RK模型来描述氨/水二元气液相平衡性质；R124/DMAC选择基于Gibbs自由能和气液相平衡的VanLaar模型来描述其二元气液平衡性质[14]。

图2给出在不同压力下热源温度对压缩吸收式制冷系统COP的影响。此时冷凝温度为40℃，蒸发温度为–5℃。由图2可见，使用不同工质作为制冷剂时，在同一发生压力下，随着热源温度的升高，系统COP增大，中间出现最大值，随后系统COP随着热源温度的升高逐渐变小；同种工质在不同的发生压力下，系统的最大COP不同，并且对应的热源温度也有差别；通过对比发现，使用R124/DMAC作为制冷工质对和传统氨/水制冷工质对时系统最大COP相同，最大COP为65%，其中新型制冷工质对对应的发生压力为600kPa、热源温度为75℃，氨/水系统对应的发生压力为1000kPa、热源温度为100℃；可以发现在系统最大COP相同的情况下，使用新型制冷剂时的发生压力和热源温度都较传统氨/水工质对低。

图3给出在发生压力对压缩吸收式制冷系统COP的影响。此时冷凝温度为40℃，蒸发温度 为–5℃，R124/DMAC系统热源温度为75℃，氨/水系统热源温度为100℃。由图3可见，使用不同工质作为制冷剂时，随着发生压力的提高，系统COP增大，中间出现最大值，随后系统COP受发生压力升高的影响较小。由图3可以看出发生压力对系统COP有较大影响。

图4给出在不同冷凝温度下热源温度对压缩吸收式制冷系统COP的影响。此时蒸发温度为–5℃，发生压力为550kPa，制冷工质对为R124/DMAC。由图4可见，随着热源温度的升高，系统COP增大，中间出现最大值，随后系统COP随着热源温度的升高逐渐变小；不同冷凝温度下，系统的最大COP不同，并且对应的热源温度也有差别；冷凝温度越低，系统最大COP越高，并且最大COP对应的最佳热源温度越低。由图4可以看出发生温度和冷凝温度对系统COP有一定影响。

图5给出发生压力对压缩吸收式制冷系统㶲损的影响。此时冷凝温度为40℃，蒸发温度为–5℃，R124/DMAC发生温度为75℃，氨/水发生温度为100℃。由图5可见，使用不同工质作为制冷剂时，系统㶲损随着发生压力的增高逐渐降低，到最低值后开始升高。由热力学可知，当发生压力增高时，发生器产出的制冷剂蒸汽纯度较高，循环倍率降低，系统㶲损随着发生压力的增高而降低，但当发生压力超过最佳发生压力后，制冷剂从浓溶液中分离出来需要消耗的热量增加，而且溶液泵加压消耗的电能增加，从而导致系统㶲损增加。当发生压力为600kPa时R124/DMAC有最小㶲损为5kW，由图5可以看出发生压力对系统㶲损有较大影响。

图6给出发生压力对压缩吸收式制冷系统㶲效率的影响。此时冷凝温度为40℃，蒸发温度为–5℃，R124/DMAC发生温度为75℃，氨/水发生温度为100℃。由图6可见，使用不同工质作为制冷剂时，系统㶲效率随着发生压力的增加而升高，到最大值后开始降低。由热力学可知，当发生压力增加时，发生器产出的制冷剂蒸汽较纯，溶液循环倍率降低，系统㶲效率随着发生压力的增加而升高，但当发生压力超过最佳发生压力后，制冷剂从浓溶液中分离出来需要消耗的热量增加，从而导致系统㶲损增加。当发生压力为600kPa时，R124/DMAC有最大㶲，由图6可以看出发生压力对系统㶲效率有较大影响。

图7给出不同发生压力下热源温度对压缩吸收式制冷系统㶲损的影响。此时冷凝温度为40℃，蒸发温度为–5℃，制冷工质对为R124/DMAC。由图7可见，在同一发生压力下，系统㶲损随着热源温度的升高而降低，到最小值后开始升高。由热力学可知，当热源温度升高时，发生器循环热效率也提高，从而使系统㶲损随着热源温度的升高而降低，但当热源温度超过最优点后，因热效率的提高而增加的制冷量低于因温度升高而使循环倍率降低带来的耗能增加量，从而使系统㶲损率升高。由图7可以看出，不同压力作用下系统最小㶲损对应的热源温度不同。

图8给出不同发生压力下热源温度对压缩吸收式制冷系统㶲效率的影响。此时冷凝温度为40℃，蒸发温度为–5℃，制冷工质对为R124/ DMAC。由图8可见，在同一发生压力下，系统㶲损随着热源温度的升高而降低，到最大值后开始降低。由热力学可知，当热源温度升高时，发生器循环热效率也提高，从而使系统㶲效率随着热源温度的升高而升高，但当热源温度超过最优点后，因热效率的提高而增加的制冷量低于因温度升高而使循环倍率降低带来的能量增加，从而使系统㶲效率降低。由图8可以看出不同压力作用下系统最佳㶲效率对应的热源温度不同，这是因为发生压力的不同导致系统循环倍率不同，循环倍率不同时对应的最佳热源温度不同。

图9给出不同冷凝温度下热源温度对压缩吸收式制冷系统㶲损的影响。此时发生压力为600kPa，蒸发温度为–5℃，制冷工质对为R124/DMAC。由图9可见，同一冷凝温度下系统㶲损随着热源温度的升高而降低，到最大值后开始降低。同一热源温度下冷凝温度越低，系统㶲损越小。图10显示了不同冷凝温度下发生温度对系统㶲效率的影响。由图10可知，系统㶲效率随着冷凝温度的升高而降低，同一冷凝温度下，系统㶲效率随着发生温度的升高先增大后减小。可见在相同工况下为减小系统㶲损，尽可能使用温度较低的冷凝温度。

5 结论

本文提出将新型制冷工质对R124/DMAC应用在压缩吸收式制冷系统中，并基于制冷系统的热力学分析和㶲分析，建立了以系统综合COP、㶲损和㶲效率为目标函数的理论模型。通过Aspen Plus流程模拟软件和EES计算软件对系统性能进行模拟，分析了不同发生压力、热源温度和冷凝温度下系统性能的变化规律，并得到以下结论。

（1）影响系统COP、㶲损和㶲效率的主要因素是发生温度和发生压力，热源温度一定时，发生压力升高，系统COP和㶲效率升高，达到最大值后对其影响变小；㶲损则随着发生压力的升高而降低，达到最小值后缓慢升高。发生压力一定时，热源温度对系统的影响和发生压力相同。

（2）根据理论模型计算结果，新型制冷工质对最佳的发生压力为600kPa、热源温度为75℃，传统氨/水的最佳发生压力为1100kPa、热源温度为100℃。使用新型制冷剂时系统发生压力低，安全性更高，并且能够高效利用100℃以下的低温热源进行制冷。

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Performance study of compressive energy absorption refrigeration system based on R124/DMAC mixture

JIA Jiong1，WANG Huitao1，LIU Fanhan1，GE Zhong2

（1Faculty of Metallurgical and Energy Engineering，Kunming University of science and technology，Kunming 650032，Yunnan，China；2Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of MOE，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Absorption refrigeration can recover industrial waste heat，but cannot effectively utilize waste heat below 100℃. Aiming at the problems of high pressure and temperature in the traditional ammonia absorption refrigeration system，the performance of compressive absorption refrigeration system was simulated with R124/DMAC as working fluids. Operating parameters were studied by changing operating temperatures，pressures and condensing temperatures. Operating temperature and pressure were the major factors influencing system COP，energy loss and efficiency. Compared with the traditional ammonia absorption refrigeration system，the results showed that at the same condensing temperature，the maximum COP of the two working fluid systems was the same. But the new system had a lower pressure of 600kPa（ammonia system of 1100kPa），a lower temperature of 75℃（ammonia system is 100℃）. The irreversibility using the new refrigerant and the exergy efficiency were in a reasonable range. The main factors influencing the system of COP，exergy loss and exergy efficiency were pressure，temperature and condensing temperature.

absorption/compression refrigerator；exergy；thermodynamics；simulation；model

TK124

A

1000–6613（2017）07–2436–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016-1922

2016-10-20；

2017-02-23。

国家自然科学基金项目（51366005）。

贾炯（1989—），男，硕士研究生，研究方向为制冷、空调及节能。E-mail：67278396@qq.com。

联系人：王辉涛，博士，教授，主要从事低温制冷和新能源方向的研究。E-mail：energywht@sina.com。