新型工质对在吸收式制冷循环中的性能分析

张 垚，薛永飞，张世双，张仙平

(河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 451191)

吸收式制冷系统(ARS)凭借其可利用余热、废热及太阳能等低品位热源进行驱动这一特性得到广泛关注[1-3]。目前应用在制冷机中主流的吸收式制冷工质对依然是H2O/LiBr和NH3/H2O，但这两种制冷剂都存在一定缺陷[4]。近年来，有机溶剂因其无毒和热稳定性、化学稳定性高逐渐被人们所重视，被认为是一种很好的吸收剂。制冷剂与有机溶剂组成的新型工质对被认为是非常有潜力的一类吸收式制冷系统工质对。Hong等[5]研究了R32、R22和R134a分别与DMF组成工质对的吸收式制冷循环特性。Songara等[6]建立模型计算了R134a/DMAC和R22/DMAC工质对的循环特性，表明HFC制冷剂有较好的系统性能。Rameshkumar[7]从理论和实践两个方面分析了R134a和DMAC组成吸收式制冷循环的特性。Han等[8]对R161/R227ea、R161/R125和R161/R134a工质对的相平衡数据研究发现，3种工质对应用在吸收式制冷中具有较好的性能。为了探究R32和R161与有机溶剂DMETEG组成的工质对在吸收式制冷循环中的性能，本研究建立了吸收式制冷循环热力学模型，考察工质对在不同发生温度、冷凝温度及蒸发温度下的循环特性，计算结果为工质对在吸收式制冷机中的实际工程应用奠定了理论基础。

1 制冷工质对溶解度模型

针对制冷工质对R32/DMETEG、R152a/DMETEG开展系统研究，分析两种吸收式制冷工质对在制冷循环中的循环倍率和溶液浓度差。在进行性能分析时，需要用到工质对的相平衡数据， 选取NRTL模型[9]对测得的溶解度进行关联。对每一组分，NRTL活度系数模型可表示为

(1)

(2)

式(1)、(2)中，二元交互参数τ12和τ21为温度T的函数。通过工质对的溶解度实验数据拟合得到

(3)

工质对的二元相平衡方程通过液相摩尔分数、气相摩尔分数、平衡压力和饱和蒸气压的关系表示为

(4)

式(4)中的φi为逸度系数，可表示为

(5)

第二维里的系数Bi、Vi为饱和液相摩尔体积，该数据可通过Refprop 9.1制冷剂物性查询软件得到。工质对的溶解度实验数据回归得到的二元交互参数列于表1。

表1 制冷工质对二元交互参数Tab.1 Binary interaction parameters of working pairs

2 吸收式制冷循环原理及热力学模型

2.1 吸收式制冷循环原理

吸收式制冷循环结构见图1。从图1可以看出，该结构主要包括发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、膨胀阀和溶液换热器等。吸收式制冷机先通过发生器吸收外界高温热源的热量，吸收热量后，稀溶液在发生器中解析出高温和高压的制冷剂后成为浓溶液，依次经过溶液换热器放热、膨胀阀减压后回到吸收器。来自蒸发器的制冷剂蒸汽在吸收器中被吸收，随后经溶液换热器输送到发生器，溶液换热器发挥预热作用。高温、高压的过热蒸汽进入冷凝器被冷却并经过膨胀阀进入蒸发器进行制冷，制冷剂蒸汽重新进入吸收器被浓溶液吸收，完成吸收式制冷的整个循环过程。

图1 吸收式制冷循环结构 Fig.1 Schematic diagram of absorption refrigeration cycle

2.2 循环热力学模型

在进行循环性能分析之前需要先建立热力学模型，模型基于质量和能量守恒定律建立。具体制冷循环中各部件的质能方程如下：

Qa+mwh5=mrh2+(mw-mr)h10，

(6)

Qc+mrh4=mrh3，

(7)

Qe+mrh1=mrh2。

(8)

式(6)至式(8)分别为吸收器、冷凝器、蒸发器质能方程，Qa、Qc、Qe分别为吸收器、冷凝器、蒸发器的热交换量。循环倍率[10-11]定义为

(9)

式中：ms为浓溶液的质量流量；Xw为稀溶液的质量分数；Xs为浓溶液的质量分数。其中，稀溶液和浓溶液的质量分数可通过如下公式计算得到：

(10)

(11)

式(10)、(11)中：X1和X2分别为气相和液相摩尔分数；Mr和MIL分别为制冷剂摩尔质量和溶液DMETEG的分子量。

3 制冷循环特性

3.1 发生温度对系统循环倍率的影响

本研究分析了R32和R152a与有机溶剂DMETEG组成的工质对在吸收式制冷循环中的应用，并分析了不同工况对系统性能的影响。吸收式制冷循环利用低品位热源作为驱动，故分析热源温度(发生温度)变化对制冷循环的影响具有重要意义。发生温度对系统循环倍率的影响可以直观反映出工质对在制冷系统中的表现，循环倍率越高系统制冷性能越差，循环倍率过高则制冷系统无法正常工作。为了更好地分析系统性能，保持吸收温度为35 ℃，分析不同蒸发工况和冷凝工况下两种制冷工质对在不同发生温度时的循环倍率，结果如图2至图5所示。

图2 不同蒸发工况下发生温度对循环倍率的影响(R32/DMETEG)Fig.2 Effect of generate temperature on the circulation ratio at different evaporation conditions(R32/DMETEG)

图3 不同冷凝工况下发生温度对循环倍率的影响(R32/DMETEG)Fig.3 Effect of condensation temperature on the circulation ratio at different condensation conditions(R32/DMETEG)

图4 不同蒸发工况下发生温度对循环倍率的影响(R152a/DMETEG)Fig.4 Effect of generate temperature on the circulation ratio at different evaporation conditions(R152a/DMETEG)

图5 不同冷凝工况下发生温度对循环倍率的影响(R152a/DMETEG)Fig.5 Effect of condensation temperature on the circulation ratio at different condensation conditions(R152a/DMETEG)

从图2至图5所示的循环倍率变化曲线可以看出，相同蒸发温度下，随着发生温度的变化系统循环倍率先急剧降低，随后逐渐呈平稳趋势。当系统蒸发温度升高时，系统循环倍率降低。这是因为蒸发温度的增大会使节流后的制冷剂气化减少，蒸发冷量增大造成制冷剂的饱和蒸气压与溶液的浓度差增大，发生器的热负荷降低，系统性能提升。从图3和图5发现，冷凝温度对循环倍率也有一定影响。提高冷凝温度会造成冷凝器内制冷剂压力升高，从而影响发生器中制冷剂的释放，循环倍率降低，制冷性能提升。综合对比图2和图3，发现蒸发温度的升高或者冷凝温度的降低均可提升系统性能，但蒸发温度的变化对系统性能的影响明显强于冷凝温度。R152a/DMETEG工质对(图4和图5)呈现与R32/DMETEG工质对(图2和图3)相同的变化规律，表明产生相同质量的制冷剂蒸气需要更大的稀溶液质量流量。随着发生温度的升高，产生单位质量制冷剂需要的稀溶液质量流量逐渐减少，最终平稳。

3.2 溶液浓度差对系统性能的影响

溶液浓度差代表制冷循环中溶液进入发生器前后制冷剂在离子液体中的质量分数，稀溶液和浓溶液的浓度差直接取决于制冷剂在离子液体中的溶解度和压力变化，稀溶液和浓溶液的形成过程实际上就是制冷剂吸收与释放的过程。溶液浓度差代表制冷剂在溶液中的吸收程度，浓度差越大表明在吸收式制冷循环内该工质对在相同发生温度下能够吸收/释放更多的制冷剂蒸汽来驱动制冷循环运行。图6至图9为两种工质对在不同蒸发工况和冷凝工况下发生温度对系统循环溶液浓度差的影响。

图6 不同蒸发工况下发生温度对溶液浓度差的影响(R32/DMETEG)Fig.6 Effect of generation temperature on the solution concentration at different evaporation conditions(R32/DMETEG)

图7 不同冷凝工况下发生温度对溶液浓度差的影响(R32/DMETEG)Fig.7 Effect of condensation temperature on the solution concentration at different condensation conditions(R32/DMETEG)

图8 不同蒸发工况下发生温度对溶液浓度差的影响(R152a/DMETEG)Fig.8 Effect of generation temperature on the solution concentration at different evaporation conditions(R152a/DMETEG)

图9 不同冷凝工况下发生温度对溶液浓度差的影响(R152a/DMETEG)Fig.9 Effect of condensation temperature on the solution concentration at different condensation conditions(R152a/DMETEG)

随着发生温度的变化，不同制冷工质对由于溶解度的差异，释放出制冷剂的量存在明显差异，从而导致溶液浓度差变化。从图6和图7可以看出，冷凝温度和吸收温度一定时，不同蒸发温度下随着发生温度的增大，溶液浓度差逐渐增大。从R32/DMETEG工质对在单效制冷循环中的溶液浓度差可以更为明显地看出，发生温度从65 ℃升至100 ℃的过程中，相同蒸发温度下随着发生温度的升高，循环的溶液浓度差增大，表明工质对在制冷系统中的性能逐步提升。相同发生温度下蒸发温度越高，溶液浓度差越大，循环倍率越高，系统性能表现越优。蒸发温度从15 ℃升至25 ℃的过程中，溶液浓度差变大，导致稀溶液质量流率变小，制冷系统制冷量增大，系统性能上升。从图8和图9可以看出，针对R152a/DMETEG工质对，在改变发生温度时，系统溶液浓度差也呈现出逐渐升高的趋势，系统性能提升。对比分析两种工质对，从计算结果可以发现，R152a/DMETEG相比R32/DMETEG循环倍率更低且有更大的溶液浓度差，故该工质对应用在制冷机中具有更好的潜力。

4 结论

本研究分析了两种新型工质对R32/DMETEG和R152a/DMETEG在吸收式制冷循环中的循环特性，以及不同发生温度、蒸发温度和冷凝温度下的循环倍率、溶液浓度差的变化情况，并得到如下结论：

(1)提高系统蒸发温度和冷凝温度，系统的循环倍率逐渐降低，溶液浓度差逐渐增大，系统性能升高。

(2)随着发生温度的升高，两种工质对循环倍率都呈现先急剧降低后逐渐平稳的趋势，对比发现R152a/DMETEG工质对的系统性能更优。