溴化锂-水-硅胶复合吸收-吸附制冷循环

第１３卷第３期

２０

１

剖痔铲室调

ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮＡＮＤＡＩＲ—ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ

２１—２５

３年４月

溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附制冷循环

韩笑生

孙文哲

＊

段龙

缪宝龙

迟翠华

（上海海事大学）

摘要提出一种复合式循环，将一对吸附床设置在溶液吸收一发生的回路中间。运用能量守恒和质量守

恒原理对循环中各部件建立热力学模型，使用Ｍａｔｌａｂ编程对其与常规单效吸收循环进行模拟计算与比较。结果表明，复合式循环的能效比在大部分工况下皆有６％～８％的提升，在小部分受限工况下与常规循环的

表现差别很小。该循环除了可以减少热源和冷却水的消耗外，也为吸收式、吸附式制冷循环性能的优化研

究提供新的方向。关键词

制冷；吸收；吸附；溴化锂；硅胶；ＣＯＰ

ＬｉＢｒ－ｗａｔｅｒ－ｓｉｌｉｃａｇｅｌｃｏｍｐｏｕｎｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ。ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｃｙｃｌｅ

ＨａｎＸｉａｏｓｈｅｎｇ

Ｓｕｎ

Ｗｅｎｚｈｅ

ＤｕａｎＬｏｎｇＭｉａｏＢａｏｌｏｎｇ

ＣｈｉＣｕｉｈｕａ

（ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ａｃｏｍｐｏｕｎｄ

ｃｙｃｌｅｗｈｉｃｈ

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ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｅｖｅｒｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｓｅｓｔａｂ—

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ｓｉｎｇｌｅ—ｅｆｆｅｃｔｃｙｃｌｅｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｂｙＭａｔｌａｂｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＣＯＰｏｆｔｈｅｎｅｗｃｏｍｐｏｕｎｄｃｙｃｌｅｉｓｆｒｏｍ６ｐｅｒｃｅｎｔ

ｔｏ

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ｔｏ

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ＫＥＹ

ＷＯＲＤＳ

ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ；ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ＬｉＢｒ；ｓｉｌｉｃａｇｅｌ；ＣＯＰ

在全球用电紧张的时代，吸收式制冷和吸附式制冷技术被越来越多地应用于工厂、船舶等存在大量废热或燃气富余的场合，但是二者都存在着各自的缺点使其发展和应用受到制约。其中冷热溶液直接进行问壁式热交换会损失大量热量，对吸收式制冷系统效率影响很大，在冷热源温差、放气范围变大导致浓溶液无法被稀溶液冷却至过冷态的情况下这种影响更为显著。吸附式制冷的缺点在于吸附材料的热惰性会使吸附床在加热或冷却过后仍然具有保持该温度的趋势，这样在由脱附转为吸附及其反向过程中会浪费大量热源和冷却水，致使系统效率大大低于理论值口］。

近来，针对吸收式制冷和吸附式制冷技术的

研究逐渐深入，也有所谓的吸收一吸附复叠循环被提出瞳］，如图１所示，但是该方案的实质是将一个吸收式循环和一个吸附式循环联合运行，只是用热源和冷冻水将２个独立的循环串联，热源先后通

图ｌ

吸收式与吸附式制冷循环

＊上海市教委创新重点项目（０９ＺＺｌ６１）．收稿日期：２０１２－１２－１９

作者简介：韩笑生，在读硕士研究生，主要研究方向为热力循环和制冷工质。

万方数据

捌垮铲室谰

第１３卷

入吸收循环的发生器和吸附循环的脱附床，冷冻水先后通入吸附循环和吸收循环的蒸发器，并没有根本解决上述种种问题，而且系统总效率也没有得到提升。

针对现有技术的不足，一种真正能够节约冷热源、将能量梯级利用以保证热量品质的新型制冷循环成为新的研究方向。１系统流程

本设计选取水作为制冷剂，溴化锂水溶液作为吸收溶液，硅胶作为吸附剂，考虑了吸收式制冷和吸附式制冷各自的优缺点，将它们复合在一起。图２所示为本溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附制冷循环的流程。

图２溴化锂一水一硅胶复合吸收－吸附制冷循环流程

对循环的分析基于以下假设：

１）不计管路阻力，忽略蒸发器与吸收器问、发生器与冷凝器间压力差；

２）冷凝器出口的水处于饱和液态，蒸发器出口的蒸汽处于饱和气态；

３）不考虑泵的能耗与节流损失，即等焓过程；４）溶液发生、吸收终了时都处于饱和状态；５）吸附床脱附和吸附阶段不考虑床体材料的吸热、放热；

６）不考虑两床切换过程中阀门切换的时间。该系统在常规吸收式制冷循环基础上增加了一对切换运行的吸附床，设置在吸收器与发生器中间，减小了溶液热交换器的换热温差与负荷。稀溶液在处于吸附阶段的吸附床内被脱附过的硅胶加热后，进入发生器，被脱附出的蒸汽再次加热并混合，最后被外部发生热源加热产生高温高压蒸汽进入制冷循环的冷凝器。稀溶液发生后变为浓溶液，流经

万方数据

另一个处于脱附阶段的吸附床被吸附饱和的吸附材料冷却后，在节流阀处节流降压进入吸收器，浓溶液在吸收器中被冷却水冷却，吸收来自蒸发器中的低温低压蒸汽重新变为稀溶液。离开吸收器后溶液经过溶液泵，使系统循环运行。一个吸附床处于脱附状态时，另一个吸附床处于吸附状态。脱附床吸取管路中浓溶液的热量产生蒸汽，直接送入发生器对稀溶液预热；同时吸附床被管路中的稀溶液冷却，吸附蒸发器出口的一部分制冷剂蒸汽，使之不会全部被吸收器中浓溶液吸收。

由于吸附床脱附产生的蒸汽温度比发生器产生的蒸汽温度低，进入发生器与发生蒸汽混合后的过热度较低，故冷凝器的负荷会减小；同时由于稀溶液先对吸附床冷却后再进入溶液热交换器冷却浓溶液，故浓溶液在溶液热交换器出口的过冷度也会减小，可能会导致吸收器的负荷增大。从系统热平衡的角度看，如果冷凝器减小的负荷大于吸收器增大的负荷，那么系统的ＣＯＰ将提高。对于热源温度较高，溶液放气范围较大的情况，该溴化锂一水一硅胶复合吸收吸附制冷循环相对于常规的单效吸收式循环存在提高性能的可能，下面通过模拟计算进行分析。２设计计算模型

设定本循环在以下条件下工作：１）制冷量１０ｋＷ；

２）热源为１２０℃，发生温度１

１０℃；

３）冷却水温度３２℃，冷凝温度４０℃，吸收终了温度３８℃；

４）冷冻水温度７℃，蒸发温度６℃；５）脱附／吸附时间为３００

Ｓ。

图３截取了部分溴化锂水溶液焓一浓度图，简要示意溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附制冷循环的流程。图中下部为饱和溶液等压线，上部为饱和蒸汽等压线，虚线为发生蒸汽的状态，７—７ｍ一７’表示的是发生器进Ｅｌ稀溶液与脱附蒸汽的混合过程，溶液循环为８ａ一２—２ａ

２ｅｘ一７—７ｍ一４—４ｅｘ

８—８ａ，制冷剂侧流程为３’

３—３ａ一１’。

根据质量守恒与能量守恒原理建立各部件的热力学模型口。７］，其中带有上标的为气态点，带有下标Ｙ的变量均为吸附床处于预热／预冷时的状态点，下标ａｄ表示吸附过程，ｄｅ表示脱附过程，ｓ表示浓溶液，ｗ表示稀溶液。２．１硅胶一水吸附床

ｚ＝函ｅｘｐ｜－走（ｉｎ岽）ｌ

１）吸附床循环吸附量

ｒ

，

＾，Ｔ、、”－。

（１）

第３期

韩笑生等：溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附制冷循环

浓度／（ｋｇ澳化锂／ｋｇ水）

图３

焓一浓度图上的溴化锂一水－硅胶复合吸收一吸附循环

Ａｘ２ｚｄ—ｚ“

（２）

式中：瓯＝０．３４８，行＝１．６０９，ｋ＝０．４４９；Ｐ（Ｔ。）为吸附或脱附状态对应的压力；ｐ（Ｔｗ）为水蒸气温度对

应的饱和压力；ｚ。。为饱和吸附量；孤为饱和脱附量。

２）脱附热和吸附热（ｋＪ）Ｑｄ。＝Ｇ。（矗４一ｈ４。，）＝ＡｘＭｒ。／ｒ

（３）Ｑ。ｄ＝Ｇ。（＾２。。一ｈ２）＝ＡｘＭｒ。／ｒ

（４）

式中：ｒ为冷凝压力或蒸发压力下水的汽化潜热；ｒ为脱附／吸附的时间。

３）吸附床预热／预冷

Ｃｐ，ＳＧＭ（ｔｄ。一ｔ。ｄ）＝（矗２。。．ｙ—ｈ２）Ｇ。．ｙｒｙ

＝（ｈ。一ｈ。…，）Ｇ。ｒ。

（５）

式中：ｃ，．沁为硅胶的定压比热容；ｒ，为吸附床预热／

预冷的时间。

２．２溴化锂水溶液吸收一发生循环

１）溶液质量流量（ｋｇ／ｓ）

Ｇ。＝Ｇ（ａ一１）

（６）Ｇ。＝ａＧ—ＡｘＭ／ｒ

（７）其中，循环倍率口＝￡／（毒。～手。）（８）

式中：｛为溶液质量浓度；溶质为溴化锂，溶剂为水。

２）溶液热交换器

ｈ４ｅｘ－ｈ。）（ａ＿１）娟，一ｈ２ｅｘ）ａ

１一訾）（９）

（ｈ７，，一ｈ２。。．，）口＝（ｈ。。。一ｈ。，，）（ａ～１）

（１０）３）发生器

（Ｇｗ＋警）‰咆ｈ，＋ｈＴ，訾

（１１）

单位发生热（ｋＪ／ｋｇ）为

ｑｇ２（ａ一１）矗４＋ｈ３一一ｃ，ｈ７。

（１２）

预热／预冷阶段单位发生热（ｋＪ／ｋｇ）为

ｑｇ．，２ｈ３，＋（ａ一１）ｈ４一ａｈ７，ｙ

（１３）

万方数据

４）吸收器

单位吸收热（ｋＪ／ｋｇ）为

ｑａ－（１一訾）（¨一幽…川№

（１４）

预热／预冷阶段单位吸收热（ｋＪ／ｋｇ）为

ｑ。，ｙ＝ｈ１，一ａｈ２＋（口一１）ｈ８，ｙ

（１５）

２．３制冷循环

１）蒸发器

单位制冷量（ｋＪ／ｋｇ）：ｑ。＝ｈ，，一ｈ，（１６）制冷剂质量流量（ｋｇ／ｓ）：Ｇ＝Ｑ／ｑ。（１７）半周期制冷量（ｋＪ）：Ｑ。＝Ｇｑ。（ｒ，＋ｒ）（１８）

式中Ｑ为系统制冷功率。

２）冷凝器

单位冷凝热（ｋＪ／ｋｇ）：ｑ。＝ｈ，，一ｈ，（１９）半周期冷凝热（ｋＪ）：Ｑ。＝Ｇｑ。（ｒ，＋ｒ）（２０）

３）循环周期发生热（ｋＪ）

Ｑｇ＝Ｇ（ｑｇ．ｙｒｙ＋ｑｇｒ）

（２１）

４）循环周期吸收热（ｋＪ）

Ｑ。＝Ｇ（ｑ。．ｙｒ，＋ｑ。ｒ）

（２２）

２．４设计计算步骤

系统循环计算方框图如图４所示。

图４溴化锂－水．硅胶复合吸收一吸附制冷循环设计流程图

剖’争守室谰

第１３卷

３模拟计算与比较

使用Ｍａｔｌａｂ辅助计算，调用溴化锂水溶液物性参数计算程序和水的物性参数计算程序，计算循环中各点状态参数。分别将本溴化锂一水硅胶复合吸收一吸附制冷循环与常规单效溴化锂吸收式制冷循环的热力学模型按照前述流程编程模拟，计算各部件的负荷与２个系统的ＣＯＰ，对本新型循环的性能做出评价。

在热源温度为１２０℃，冷却水温度为３２℃，冷冻水温度为７℃的工况下，计算结果见表１。

表１两种循环２０ｒａｉｎ周期内各设备负荷

由模拟计算结果不难看出，溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附循环与常规单效吸收式循环相比，ＣＯＰ提高了６．１９％，发生器所需热量减少了至少６％，冷凝器和吸收器所产生的冷负荷也均有下降，虽然增设了２个吸附床，但是其吸取和放出的热量属于系统内部换热，不影响系统总加热量和冷却量的减少。

下面对不同工况下２种循环的性能进行比较和简要分析。

３．１变热源温度的比较

在冷却水温度为３２℃，冷冻水温度为７℃的情况下，调整热源温度，对比溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附循环与单效吸收式循环的性能系数，如图５所示。

热源温度／℃

图５

ＣＯＰ随热源温度的变化

万方数据

常规单效吸收式循环的效率随着热源温度的升高逐渐降低，溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附循环的效率随着热源温度的升高先增大后逐渐减小，最高ＣＯＰ值出现在１２０℃左右，约为０．８３；

１２０

１３０℃范围内，热源温度越高，复合循环的优

势越明显。

溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附循环效率呈现峰值的原因是在热源温度在１２０～１１５℃范围内，脱附终了温度对应的压力ｐ（ｔ。＾）和吸附终了温度对应的压力Ｐ（ｔ。。）差值减小，吸附子循环的循环吸附量Ａｘ也随之向零点趋近；当热源温度低于

１１

５℃时，即循环内吸附床的脱附温度低于９０℃

时，模拟计算中循环吸附量Ａｘ的值已为负值，实际上此时２个吸附床已不对循环性能起到增强作用，反之由于维持吸附材料温度所需的部分热量，导致进入发生器的稀溶液焓值略有下降，发生器热负荷略有上升，循环ＣＯＰ比单效吸收式循环略低。

３．２变冷却水温度的比较

在热源温度为１２０℃，冷冻水温度为７℃的情

况下，调整冷却水温度，对比溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附循环与单效吸收式循环的性能系数，如

图６所示。

冷却水温厦／℃图６

ＣＯＰ随冷却水温度的变化

常规单效吸收式循环和溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附循环的效率都随着冷却水温度的升高而逐渐降低。当冷却水温度在３２～３５℃范围内时，２种循环性能差异明显缩小；当冷却水温度高于３５℃，即冷凝温度高于４３℃，吸收温度高于４１℃，吸附温度高于４６℃时，吸附床循环吸附量ｋｘ为零，２种循环的性能系数几乎无差别。３．３变冷冻水温度的比较

在热源温度为１２０℃，冷却水温度为３２℃的情况下，调整冷冻水温度，对比溴化锂一水一硅胶复

第３期韩笑生等：溴化锂一水硅胶复合吸收一吸附制冷循环

合吸收一吸附循环与单效吸收式循环的性能系数，如图７所示。

常规单效吸收式循环和溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附循环的效率都随着冷冻水温度的升高而逐渐提高。由于水存在结冰问题，所需冷冻水温度低于５℃，即蒸发温度在３℃以下的情况不予考虑。当冷冻水温度在５４８℃范围内时，复合循环ＣＯＰ上升速度显著高于常规循环；冷冻水温度高于８℃时，２种循环性能差异逐渐稳定；当冷冻水温度为１５℃时，复合循环的ＣＯＰ可达到０．８７左右。

由于吸附剂硅胶性质的限制，该循环不能应用于热源温度高于１３０℃的场合。当热源温度低于１１（）℃时，循环性能与常规溴化锂单效吸收制冷机持平。在１１０～１３０℃热源温度范围内，该循环的ＣＯＰ比常规溴化锂单效吸收循环高出６％～８％。在一般冷却水和冷冻水工况下，该循环ＣＯＰ相对于常规循环的提升都在６％以上。

综上所述，溴化锂一水一硅胶复合吸收一吸附制冷循环适用于大部分现行工况，在热源温度较高的情况，如加热蒸汽存在一定过热度时，系统能效明显优于常规单效吸收式制冷循环，在工业生产、电厂、船舶等场合使用，可以起到减少热源和冷却水消耗、节约电功率的作用，不仅对节能减排有所贡献，也为吸收式制冷及吸附式制冷的循环优化提供了新的方向。

参考文献

【二Ｊ

］１一

姜周曙，王如竹．吸收式与吸附式制冷的技术比较

冷冻水温厦／℃

图７

ＣＯＰ随所需冷冻水温度变化曲线

瞳

ＥＪ］．流体机械，２００１，２９（８）：５１—５３．

姜周曙，王如竹，卢允庄，等．吸附一吸收复叠式三效制

４结论与展望

笔者设计的复合循环中，浓溶液先后被吸附床和溶液热交换器２次预冷，稀溶液先后被吸附床、溶液热交换器和吸附床脱附产生的蒸汽３次预热，这样使得浓溶液在进入吸收器前被逐渐冷却，稀溶液在进入发生器前被逐渐加热。其中利用的都是系统内部热量与冷量，实现了能量的梯级利用，不仅减小了换热不可逆损失，还使发生起始点的溶液焓值更高（即减小了发生器所需的热负荷），使发生蒸汽的过热度更低（即减小了冷凝器所需的冷负荷）。

冷循环［Ｊ］．化工学报，２００２，５３（６）：５６６—５７１．Ｄ

尉迟斌，卢世勋，周祖毅．实用制冷与空调工程手册

ＥＭ］．北京：机械工业出版社，２０１１：２３０—３２１．

【！Ｊ

高田秋一．吸收式制冷机［Ｍ］．北京：机械工业出版

社，１９８７：３７—１０３．

口戴永庆，郑玉清．溴化锂吸收式制冷机［Ｍ］．北京：国

防工业出版社，１９８（ｔ：４９—１５７．

Ｋ陈传涓，王如竹，夏再忠，等．硅胶及其混合吸附剂一水

吸附工质对性能测试［Ｊ］．化工学报，２００８，５９（ｓ２）：

４３—４８．

口王如竹，王丽伟，吴静怡．吸附式制冷理论与应用

［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７：４９—１８３．

雌叠ｔ坐业葺ｅ叠ｅ业业ｇｅ尘业生业■｝坐善亭■｝■｝业■｝■｝誊业业叠ｅ尘妊坐坐业坐业■｝坐业越｝■｝■｝坐誓｝■｝■｝螺寸｝■｝■｝坐警｝

（上接第２０页）

Ｄ阳

ｆｉｌｍａｎｄｂｕｂｂｌｅ

ｔｙｐｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ

Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，２０００，２３（６）：４３０—４４３．

［４０］程文龙，赵锐．添加剂对氨水鼓泡吸收强化效果的实

Ｄ刀

［－４１］

验研究［Ｊ］．流体机械，２００８，３６（９）：６－１０．

盛伟，武卫东，张华，等．Ａｌ。０，纳米颗粒对氨水鼓泡

Ｄ胡

～～呲一～一一～

Ｄ叼

吸收过程的强化影响ＥＪ］．化工学报，２００８，５９（１１）：

２７６２—２７６７．

［４２３盛伟，武卫东，张华，等．纳米颗粒对氨水鼓泡吸收性

能的强化实验［Ｊ］．制冷学报，２０１０，３ｌ（１）：３１－３４．

～一一一～一～呱一一一～～一～一一一～一一～一～一一

～Ⅲ．盼默驮～眦趴鞭～［４３］刘辉，武卫东，盛伟，等．ＦｅＯ纳米流体强化氨水鼓泡吸

收过程实验［Ｊ］．化工进展，２００９，２８（７）：１１３８—１１４１．

万方数据