（工程热物理专业论文）氨水溶液解吸压缩制冷循环性能分析.pdf

l i i i i i l l lrlr l l l lr 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i l l l l l l l l l l lr l l l l l l l 18 2 7 9 4 7 氨水溶液解吸一压缩制冷循环性能分析 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 尹饮 孚氓疋 缫 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导帅指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标汴羁i 致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：丁踅签字日期：纠。年6 月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： j 交 签字日期：劲p 年占月4 日 导师签字： 签字日期多印参年多月年日 氨水溶液解吸一压缩制冷循环性能分析 捅晏 近年来，由于c f c 和h c f c 类制冷剂的限制和严禁使用问题，作为天然冷 媒的氨，被重新认识和评价，推动新型氨制冷系统的发展。但传统的氨压缩式 制冷系统存在安全性低的缺陷，氨水吸收式制冷系统存在设备多、体积大、制 冷循环性能系数低等缺陷。针对这一现状，国内外学者对氨制冷系统进行了不 懈的研究与改进。本文在前人研究的基础上，对一种新型的氨制冷系统氨水 溶液解吸一压缩制冷循环( a d a r 循环) 进行了全面的热力学计算与分析，提出 了改进方案，并进行了制冷系统关键装置的试验。 a d a r 循环是一种将氨压缩式制冷循环与氨水溶液吸收式制冷循环结合起 来的新型制冷循环，用氨水溶液的解吸一吸收过程代替压缩式制冷循环的蒸发一 冷凝过程，并将氨水溶液水平管外升膜蒸发技术运用到低压发生过程中，循环 安全性好，效率高。 本文编制了a d a r 循环的热力计算程序，从热力学第一定律的角度出发， 通过具体计算和分析讨论了制冷温度和吸收温度、循环溶液浓度、放气范围与 循环压力对循环性能的影响，得出了循环在变工况下变化的规律。并在相同工 况下与传统的氨压缩制冷系统进行了比较，指出a d a r 循环在制冷温度较低的 工况下( 低于6 ) 性能的优越性更明显；从热力学第二定律的角度出发，对 a d a r 循环进行了黼析，结果表明在该循环中，发生器、吸收器和溶液热交 换器的懒失较大，为有效利用能量，以及系统优化指明了方向。煳率的计 算结果表明，相同工况下，a d a r 循环的村琳员率( 5 8 3 8 ) 要小于传统氨压缩 制冷循环的财l 损率( 6 6 0 1 ) ，a d a r 循环循环的能量利用更加有效；a d a r 循 环制冷系统关键装置的试验，验证了将溶液升膜技术运用到发生过程的可行性， 及a d a r 循环低压发生装置在制冷工况下运行的可行性。 关键词：氨水溶液；解吸一压缩；制冷循环；性能分析；试验 t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so fa m i n o n i a w a t e rs o l u t i o n d e s o r p t i o na n da b s o r p t i o nc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nc v c i e a b s t r a c t a st h ec o n t i n u e dr e f i n e m e mo f o u r u n d e r s t a n d i n go fe n v i r o i l l l l e n t a lp r o t e c t i o i l ， t l l ec f ca n dh c f c r e f r i g e r a n t sa r et ob ec o n s t r a i n e do rs u b s t i t u t e d i nt h el a s ty e a r s t t l e r eh a l sb e e na g r e a tr e s u r g e n c eo fi n t e r e s ti na m m o n i a r e f r i g e r a t i o ns y s t e m sf o ri t s e n v i m 瑚n t 甜l yf r i e n d l y h o w e v e rt h ec o n v e n t i o n a l 锄m o n i av a p o rc o m p r e s s i o n 心f r i g e r a t l o ns y s t e mh a sal o w e rs a f e t ya n dt h ec o p ( c o e f f i c i e n to f p e 晌m a n c e ) o f c o n v e n t i o n a la m m o n i as o l u t i o na b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m si s r e l a t i v e l vs m a u e r b e c a u s eo fi t sc o m p l i c a t e ds y s t e ma n d b u l k ye q m p m e n t i no r d e rt oo v e r c o m em e d i s a d v 觚t a g e s0 ia m m o n i ar e f r i g e r a t i o ns y s t e m s ，al o to f s 砌i e sl l a v eb e e nd o n ea l l d n e w 砌m 伽a r e f r i g e r a t i o ns y s t e mm o d e l sh a v eb e e np r o p o s e d i nt h i sp a p e r an e w r e m g e 胁o nc y c l e ，a m m o n i a - w a t e rs o l u t i o nd e s o r p t i o na n da b s o r p t i o nc o m p r e s s i o n m g e m o nc y c l e ( a d a rc y c l e ) w a ss t u d i e do nt h e b a s eo ft h ea b o v e ，妣l 戚n g c o m p r e h e i l s i v et h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，c o 玎e c t i v em e d ，a i l dt e s t s o fc r u c i a le q u i p m e n t a d a r c y c l ec o m b i n e sa m m o n i a c o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l e 觚d 锄m o n i a a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l e ， w h i c ht a k e sd e s o r p t i o na n d a b s o r p t i o np r o c e s s e s m s t e a d0 fe v a p o r a t i o na n dc o n d e n s a t i o np r o c e s s e si nt r a d i t i o n a l r e 衔g e r a t i o nc y c l e i na d d i 虮t h e r i s i n gl i q u i df i l mo ns u r f a c eo fah o r i z o n t a lt u b ee v a p o r a t i o np r o c e s s h a sb e e nu s e di nt h ed e s o r p t i o n p r o c e s so fa d a r c y c l e t h ea b o v e m e n t i o n e dm a k e s a d a r c y c l es u p e r i o ri ns a f e t ya n d e f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , at h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o np r o g r a mo na d a r c y c l eh a sb e e n d e v e l o p e dt os i m u l a t i o nt h ec y c l e b ya n a l y z i n gt h ea d a r c y c l eo nt h eb a s eo ff i r s t l a wo ft h e r m o d y n a m i c s ，t h ep e r f o r m a n c ec h a n g et r e n d so f t h i sc y c l eu 1 1 d e rd i 舵r e n t t e m p e r a t u r e s o fd e s o r p t i o np r o c e s sa n da b s o r p t i o np r o c e s s ，s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n d e g a s s i n gr a n g e ，a n dw o r k i n gp r e s s u r e sw e r e o b t a i n e d t h ec o m p 撕s o nb e t w e e n a d a rc y c l ea n da m m o n i a c o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l es h o w st h a ta d a r c y c l e h a sab e t t e rp e r f o r m a n c eu n d e rl o w e rc o l ds o u r c ei n l e tt e m p e r a t u r e s ( 6 ) t h e e x e r g ya n a l y s i so nt h eb a s eo fs e c o n d l a wo ft h e r m o d y n a m i c ss h o w st h a t ，t h e d e s o r b e r a b s o r b e r , a n ds o l u t i o nh e a te x c h a n g e rh a v eal a r g e re x e r g yl o s s ，w h i c h d e s i g n a t e st h ee n e r g ys a v i n gt r e n d a n dt h ee x e r g yl o s sr a t eo f a d a r c y c l e ( 5 8 3 8 ) i s1 0 w e tt h a nt h a to fa m m o n i ac o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l e ( 6 6 01 ) ，w h i c h s h o 、v st h e f u r t h e ra d v a n t a g eo fa d a rc y c l e i na d d i t i o n ，t h e t e s t ss h o wt h e f e a s i b i l i t i e so fd e s o r p t i o np r o c e s su s i n gr i s i n gl i q u i df i l mo ns u r f a c eo fa h o r i z o n t a l t u b e k e yw o r d s ：a m m o n i a - w a t e rs o l u t i o n ；d e s o r p t i o n - a b s o r p t i o n ；r e f r i g e r a t i o n c y c l e ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ；e x p e r i m e n t s 目录 1 前言1 1 1 论文研究的背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 吸收式制冷系统的研究现状2 1 2 2 其他形式的氨制冷循环研究现状4 1 2 3 解吸压缩复合循环研究现状5 1 2 4 膜式换热与蒸发研究现状6 1 3 本文的主要工作一7 1 3 1 研究的目的7 1 3 2 研究的意义7 1 3 3 研究内容7 1 3 4 创新点8 2 氨水溶液状态参数程序化9 2 1 氨水溶液的性质及状态方程9 2 1 1 氨水溶液的性质9 2 1 2 氨水溶液的状态方程1 0 2 1 3s c h u l z 状态方程。1 l 2 1 4 热力学参数表达式1 2 2 2 氨水溶液状态点参数计算函数编制1 4 3 氨水溶液解吸压一缩制冷循环研究1 8 3 1 氨水溶液解吸压缩制冷循环简介。1 8 3 2a d a r 循环数学模型概述2 0 3 2 1 数学建模的基本假设2 0 3 2 2 循环理论计算2 0 3 3a d a r 循环热力计算2 l 3 3 1 状态参数的确定2 2 3 3 2 热平衡计算2 3 3 3 3 物料平衡计算2 4 3 3 4 设备热负荷2 5 3 3 5 主要消耗指标。2 5 3 4 程序结构及框图2 5 3 5 循环计算结果2 6 3 6a d a r 循环与压缩式制冷循环的比较2 7 3 6 1 循环过程的比较2 7 3 6 2 循环性能系数的比较2 7 3 6 3 工作范围的比较2 9 3 7 本章小结2 9 4 氨水溶液解吸压一缩制冷循性能分析3 0 4 1 变工况对循环性能的影响3 0 4 1 1 制冷温度的影响3 0 4 1 2 吸收温度的影响3 l 4 1 3 放气范围的影响3 2 4 1 4 循环溶液浓度的影响一3 4 4 2 等压发生与变压发生的比较3 6 4 3a d a r 循环改进_ 一3 8 4 3 1 节流方式的改进一3 8 4 3 2 稀溶液冷却润滑油一4 0 4 4 本章小结4 0 5 氨水溶液解吸一压缩制冷循环炯分析4 2 5 1 少佣分析法简介4 2 5 2 吵佣分析表达式4 4 5 3a d a r 循环= j 佣分析模型4 6 5 4 少佣分析结果4 9 5 5 本章小结5 1 6 制冷循环系统关键装置试验5 3 6 1 氨水溶液升膜试验5 3 6 2 低压发生装置试验5 5 6 3 本章小结5 7 7 结论与展望一5 8 7 1 主要结论5 8 7 2 展望5 9 参考文献6 0 致谢：6 5 个人简历6 6 发表的学术论文6 6 氨水溶液解吸一压缩制冷循王1 ：r 能；j - 忻 1 前言 1 1 论文研究的背景及意义 2 0 世纪7 0 年代初，m o l i n a 和r o w l a n d 开始了对c f c s ( 氟氯烃类物质) 的 研究，并在1 9 7 4 年的n a t u r e 杂志上发表了c f c s 中的氯离子对大气臭氧层有破 坏作用的文章。自此臭氧层的破坏问题受到全世界关注，并被列为当今四大全 球性环境问题之一。自工业革命以来，大气中的二氧化碳与其他几种温室气体 的浓度正在逐年上升，大多数的c f c s 和h c f c s ( 氢氟氯烃类物质) 也有温室 效应，这类气体在大气中的寿命很长，因而有足够的时间在大气中积累起来， 并对地球辐射平衡和气候产生持续的影响。温室效应造成的全球气候变暖也被 列为当今四大全球性环境问题之一。 由于臭氧破坏和温室效应引起了严峻的环境问题，导致8 0 年代末开始全球 禁止c f c s ，进而波及到h c f c s 。京都议定书从保护全球气候变暖的角度把 作为c f c s 替代工质的h f c s 列入要限制排放的6 种温室气体，开发研究环保节 能的c f c s 和h c f c s 的替代物已经成为制冷业的当务之急。 氨( a m m o n i a , n h 3 ) ，是一种常见的无机化合物，同时也是一种天然制冷剂 ( r 7 1 7 ) i l j ，应用于制冷技术已有近1 3 0 年的历史。2 0 世纪3 0 年代氟利昂制冷 剂的问世使氨制冷剂的应用范围受到了某些限制。近年来，由于环保问题，人 们在不断寻找新的替代制冷剂的同时又开始对氨制冷剂进行重新评价，研究其 替代r 2 2 制冷剂的可能性。毕竟氨作为制冷剂的历史很长，是一种比较成熟的 制冷剂，有待解决的只是它的使用安全性问题。氨作为制冷剂，其环境性能十 分优良，o d p = 0 ，g w p = o ，单位制冷量大，导热系数大，蒸发潜热大。氨易溶于 水，当系统出现紧急情况时，可以用水吸收氨。氨泄漏到大气被雨水吸收后可 以成为农田的肥料，是一种非常好的环保性制冷剂，这是其他制冷剂无法比拟 的【2 】o 现有的氨制冷系统一般采用单一的氨蒸汽压缩式制冷循环或氨水溶液吸收 式制冷循环。氨蒸汽压缩式制冷循环循环压比较大，压缩机耗功多，压缩机出 口温度高，且循环工质为纯氨工质，容易挥发泄漏，造成事故，故该循环安全性 氨水溶液解吸一压缩制冷循环性能分析 低；氨水溶液吸收式制冷循环中的工质一氨与水的沸腾温差较小，需要对发生 器中发生出来的氨蒸汽进行精馏，而精馏过程存在较大的不可逆传热传质损失， 同时循环的主要换热设备仃蒸发器、冷凝器、发生器、吸收器等，设备较多， 热损失大，所以该循环的制冷效率较低。在能源同趋紧张的今天，迫切要求制 冷系数更高的新型氨制冷系统。 另外，氨制冷机中换热设备的性能对整个机组的质量、性能以及系统运行 的经济性和可靠性起着重要作用。传统氨制冷机的各个换热设备( 冷凝器、蒸 发器、吸收器、发生器等) 大多采用卧式或立式布置的壳管式换热器结构，其 换热效果较差而且体积庞大。因此，通过强化传热技术，强化传热元件，改进 换热器机构，提高传热效率，使设备投资和运行费用降低，对节能、节材和节 约资金都有着重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 吸收式制冷系统的研究现状 为了充分发挥氨吸收式制冷系统的优势，提高循环的性能系数，扩大其使 用范围，目前世界各国正在积极研究各种新的氨吸收式制冷循环，主要有g a x 吸收式制冷循环、复叠式吸收制冷循环及复合式吸收制冷循环等。 1 2 1 1g a x 吸收式制冷循环 就小型吸收式循环系统而言，比较有前途的是g a x ( g e n e r a t o ra b s o r b e rh e a t e x c h a n g ec y c l e ) 吸收制冷循环，该循环在具有高温热的条件下为了提高吸收式 制冷循环的性能系数，将吸收过程所排出的部分热量回收，作为发生过程的部 分加热热量。g a x 是目前国际上研究的焦点。对氨水吸收式制冷循环的研究与 分析表明，在制冷温度和冷却水温度一定的条件下，当放气范围达到一定值后， 单靠提高发生器内溶液温度，增大循环的放气范围，对提高制冷系统的性能系 数不仅不起任何作用，而且性能系数随放气范围的继续增大而略有减少。这是 因为此时吸收制冷循环的吸收热并不随放气范围的增加而减少。因此，当具有 较高冷源温度的条件下，在增大循环放气范围的同时，回收吸收过程的部分热 量作为发生器内的加热热量，以减少向环境的排热，使制冷系统的热力系数有 2 氨水溶液解吸一压缩制冷循环性能分析 较大幅度的提高。 p h i l l i p s 与1 9 9 0 年提出了较为成熟的g a x 循环方式，称为基本g a x 循环。 在基本g a x 循环的基础上，人们对g a x 循环的热力学机理进行了深入研究， 并提出了许多改进循环。例如，mds t a t i c o c i c i 3 】( 1 9 9 5 ) 提出了p b r g a x 循环 ( p o l y b r a n c h e dr e g e n e r a t i v eg a xc y c l e ) ，认为p b r g a x 循环比简单g a x 循环 效率提高3 0 - 4 0 。北京化工大学的郑丹星教授1 4 等分别对单级氨水吸收式制冷 循环和g a x 循环进行了计算机模拟，并在a - h 图上对两个循环的热力学结构进 行了分析，得出g a x 循环在制冷系数与姑瞰率上高于前者的结论和原因。h y u n g h e eu n i v e r s i t y 的ytk a n g 5 1 等进行了新型混合g a x 循环( h g a x 循环) 的性 能研究，提出了将氨水吸收式制冷与氨蒸汽压缩式制冷结合起来的4 种循环， 并作了分析比较。ark u m e r l 4 1 等人对h g a x 循环在空调工况下的性能进行了计 算机模拟，得出了h g a x 循环比传统g a x 循环的c o p 平均高出3 0 的结论。 尽管如此，g a x 循环技术在实际应用领域仍然没有得到广泛的展开，其原 因是由于g a x 循环供冷与供热运行模式的参数差异大，运行操作弹性使得利用 g a x 循环吸收器和发生器的温度滑移重叠的可能性大大减少，导致循环的实际 效率下降。另外成本高也是重要因素【6 j 。 1 2 1 2 复叠式吸收制冷循环 基于热交换思想的另一种制冷循环是复叠式制冷循环。复叠式循环是由高 温高压发生和中温中压两个氨水吸收式制冷循环复叠而成。将高温冷源加入到 高压发生器内，产生高压饱和氨蒸汽，因饱和压力的提高，使氨蒸汽的冷凝温 度也随之提高，这样就可利用氨的冷凝热来作为中压发生器的冷源。冷凝后氨 液经减压进入蒸发器内蒸发，吸收低温环境的热量。蒸发后的氨蒸汽在吸收器 内被低浓度氨水所吸收，所产生的吸收热也作为中压发生器的冷源f 7 1 。目前已经 在发展研究中的复叠式吸收制冷循环还包括中压双效复叠式吸收制冷循环、降 压发生复叠式吸收制冷循环等【8 1 。jfg u l i c h t 9 1 研究发现采用复叠式吸收制冷循环 可以大幅度地提高制冷系统的性能系数( c o p ) ，在降压发生复叠循制冷环中，当 使用氨水工质对时，其循环c o p 值可达到2 o 左右。大连理工大学的徐士鸣【1 0 l 教授研究认为中压双效复叠吸收式制冷循环最适宜于氨水吸收式制冷系统，其 循环c o p 值可超过1 o ，并且系统压力与常规氮水吸收式制冷系统相当。 氨水溶液解吸一压缩制冷循环性能分析 1 2 1 3 复合式吸收制冷循环 复合式吸收制冷循环由水溴化锂吸收式制冷循环和氨水吸收式制冷循环 复合而成。水溴化锂吸收制冷循环中冷凝热和吸收热均作为低温级氨水吸收制 冷循环的加热热量。高温级制冷循环制冷剂所吸收的热量仅仅是低温级制冷循 环制冷利冷凝所放出的热量，由于氨水制冷循环制冷剂冷凝压力的降低，在热 源温度不变的条件下，可使加入发生器内的冷源温度降低。目前已经在发展研 究中的复合式吸收制冷循环包括单纯复合式吸收制冷循环以及双级复合式制冷 热泵循环【5 1 。 1 2 2 其他形式的氨制冷循环研究现状 鲍鹤龄、杨思文【l i 】对氨水吸收压缩制冷系统进行了研究。该系统的低压部 分为吸收式，高压部分为压缩式。通过建立数学模型、变工况实验和技术经济 分析得出结论：氨水吸收压缩制冷系统是实际可行的，该系统既具有吸收式系 统的优点，又具有压缩式系统的优点，比较适用于所需制冷温度低，而又有低 品味余热的场合，热耗量和电耗量可以降到较低的程度。 l a h l b y 1 2 】等对压缩吸收式循环的优化进行了研究，通过研究压缩机功、泵 功及溶液换热器热损失在不同工况下的变化，确定循环的最佳工作点。并且通 过对比分析指出，用氨水为循环工质的压缩吸收式循环比用纯r 1 2 为工质的传 统压缩式循环的c o p 高。 陈光明、夏中吲1 3 】基于热电联产动力循环的思路，提出一种热电联合驱动 制冷新循环。循环较传统吸收式制冷系统多了一个增压器，该增压器将发生器 出来的制冷剂蒸汽作为输入热，其输出热作为发生器的补充热量，起到了换热 器的作用，实现了将电能高效地转化为热能而用于发生热不足的补充。在制冷 量、制冷温度及冷源和环境温度不变的条件下，新循环的c o p 比传统吸收式制 冷循环高，经济性好。 js w i n n e y 1 4 】等提出了一种新的氨水溶液联合循环一d a h x 循环，该循环在 压缩式循环的基础上加上溶液循环，并在发生器与吸收器之间设置了溶液换热 器。通过实验证明d a h x 循环的循环压比较小，因此压缩功减小，能耗小于传 统压缩式热泵循上不，制冷量是传统单级及两级压缩式热泵循环的2 5 倍，且制 4 氨水溶液解吸一压缩制冷循环件能；，衙 冷量随氨水溶液浓度的上升而上升。 顾兆林研究认为n h 3 c 0 2 两级低温制冷系统利用n h 3 和c 0 2 的双工 质两级制冷系统代替传统的氨低温制冷系统，减少了制冷系统中氨制冷剂的充 注量，减低了危险性，同时系统安装成本、操作和维护成本降低。 张娜1 1 6 1 等提出一个新的氨水工质功冷联供循环一氨水工质浓度可调型功冷 联供循环。该循环由氨水r a n k i n e 子循环和氨吸收式制冷子循环通过吸收、分离 及换热过程耦合而成，通过设置分流、吸收式冷凝实现系统内氨水工质浓度变 换，兼顾动力子循环加热蒸发和冷凝过程不同的浓度要求，达到改善换热过程 匹配和提高透平作功能力的目的。计算表明当透平进气温度为4 5 0 时，循环热 效率为2 5 - 2 8 ，错瞰率达4 5 5 3 ；且存在最佳分流比使热效率及燃率达到 最佳。 1 2 3 解吸一压缩复合循环研究现状 在已有的研究中虽然涉及到将氨水吸收式制冷与氨蒸汽压缩式制冷结合起 来的循环，如氨水吸收压缩式制冷系统【1 1 1 2 1 4 1 ，但系统与外界进行热交换的主 要设备仍为冷凝器和蒸发器，仅是对传统氨水吸收式制冷循环的改进。o b r u n i n 17 】等人提出了压缩一吸收式热泵循环( c o m p r e s s i o n - a b s o r b e rh e a tp u m p ) 的雏形一用发生器代替传统压缩式热泵( c o m p r e s s i o nh e a tp u m p ) 的蒸发器， 用吸收器代替冷凝器的热泵循环。随后对使用不同工质的c h p 循环与使用氨水 溶液为工质的c a h p 循环进行了工作范围讨论，得出了c a h p 循环工作范围大、 应用前景广的结论。m a g n u sh u l t e7 n ，t h o r eb e m t s s o n 1 8 】【1 9 1 进一步进行了一系列 研究，包括影响c a h p 循环c o p 的因素，从新角度对比c a h p 循环与c h p 循 环，c a h p 循环的设计方案改进。 近年来，国内学者对解吸压缩复合循环也做了一定得研究。彭梦珑 2 0 i 2 1 1 等 研究了吸收压缩式组合循环( v c c s c ) 及解吸器吸收器热交换( d a h x ) 的组 合循环的工作原理及特点。使用氨水溶液为循环工质，在吸收器温差7 3 一5 7 ， 解吸器温差l 1 0 ，浓溶液质量浓度5 0 的条件下，将v c c s c 及d a h x 组 合循环与传统的n h 3 、c 0 2 蒸汽压缩式制循环进行对比，v c c s c 循环及d a h x 组合循环的c o p 分别为1 9 4 和1 9 2 ，而n h 3 、c 0 2 压缩式制循环的c o p 为1 7 6 馥水溶液解吸压缩制冷循环性能分析 和1 5 4 ，解吸一压缩复合循环特性要优于传统压缩式循环。文章研究发现采用 d a h x 组合循环可明显降低压比，并介绍了适合于这两种组合循环的几种新工 质对。 在压缩吸收式热泵循环的基础上，作者所在实验室提出一种新型制冷循环 一氨水溶液解吸压缩制冷循环i 捌，氨水溶液解吸压缩制冷循环( a d a r 循环) 用氨水溶液的解吸吸收过程代替氨的蒸发冷凝过程，在解吸和吸收过程之间保 留了压缩机，将氨水吸收式制冷与氨蒸汽压缩式制冷结合起来。循环工作条件 为空调工况( 5 蒸发，4 0 冷凝) 。将水平螺旋槽管管外壁面升膜技术运用到 氨水溶液发生器中，取代传统的竖管降膜发生器。在对a d a r 循环的循环机理 研究中，得出了该制冷循环理论制冷系数( 7 2 4 ) 高于现有的蒸汽压缩制冷循 环的理论制冷系数( 5 7 4 ) 的结论。 王峰、杜垲【2 3 1 对氨压缩一吸收复合热泵循环循环进行了理论分析和热力计算， 并与传统氨蒸汽压缩热泵循环进行了比较( 研究范围冷源温度进口5 0 ，冷 源进口温度1 5 ) 。结果表明，在研究范围内氨压缩吸收复合热泵循环循环 系统的a d a r 要低于传统的氨蒸汽压缩热泵循环；在循环压力相等的条件下， 复合循环能提供更高的供热温度；在冷源温度较高时( 5 6 ) ，压缩机出口压 力( 1 8 m p a ) 低于氨压缩热泵循环的出口压力( 2 4 m p a ) ，提高整个系统安全 性。 1 2 4 膜式换热与蒸发研究现状 近年来，微通道强化传热引起人们的重视，在理论上得到了很好的验证， 如何将理论转化为工程应用是一个新的研究方向。为促进氨制冷系统的广泛应 用，必须进行氨用换热器的强化传热研究，缩小换热器尺寸。将微通道强化传 热技术运应用到换热器就是一个很好的研究方向。 流动的液体层在较低流速时有相对较高的能量和质量交换潜能，所以目前 采用的换热器多利用小流量液体在管壁面上形成液膜实现热量和质量的交换， 以强化吸收器或发生器的传热传质性能。因此在换热和蒸发设备中，膜式换热 和蒸发是目前国内外广泛采用的换热和蒸发手段，液膜形成有升膜和降膜西种。 降膜发生传热的理论研究最早在1 9 1 6 年由n u s s e l t 提出，在国内外有许多关于 6 氨水溶液解吸一压缩制冷循环性能分析 纯净物和混合物降膜发生传热的研究报道【4 7 6 0 “2 1 ，并应用于制冷循环性能的改 进中。 升膜蒸发能蒸发溶液在管外呈薄液膜状流过受热表面，迅速蒸发，缩短了 加热的停留时间，提高了传热系数1 2 4 l 。对于升膜换热国内外也进行了相关研究 【2 5 2 8 “8 】，研究结果表明将升膜蒸发原理运用到换热器中，可在较小的流量和较 小的温差下获得较高的热流密度及传热传质系数。目前，对此方面的研究大都 集中在升膜形成机理、流动特性及传热传质特性上，工程运用多用于升膜蒸发 器、升膜汽化燃烧装置【4 8 】、冷凝发生器f 4 9 1 等，而将升膜蒸发装置直接运用到制 冷系统的溶液发生过程中的报道较少。 1 3 本文的主要工作 1 3 1 研究的目的 本文在以上理论研究的基础上，将解吸一压缩复合循环运用到空调制冷领 域，目的是对这种新的制冷循环一氨水溶液解吸一压缩制冷循环的性能进行分 析。研究a d a r 循环的热力学原理，在理论上对此循环进行计算，分析各种因 素对循环性能的影响；通过a d a r 循环的必盼析，指出能量转移过程中必f j 圭5 失 较大的环节，为有效利用能量，改进系统设计指明方向；结合相关装置的试验 验证证理论分析的可行性。 1 3 2 研究的意义 氨水溶液解吸一压缩制冷循环具有单位制冷量高、性能系数高、能耗小、制 冷剂对环境无影响等优点，符合节能环保的制冷研究发展趋势。对a d a r 循环 性能的研究弥补了以往对解吸一压缩复合循环在制冷领域研究的不充足之处，进 一步验证了a d a r 循环的优越性，为该制冷系统的产业化应用提供了依据，有 重要的理论意义和实际意义。 1 3 3 研究内容 1 对氨水溶液作为制冷循坏工质对的热力学性质进行研究，选定合适的热力 氨水溶液解吸一压缩制冷循环性能分析 参数计算方法，编制计算氨水溶液热力性质的通用程序和针对a d a r 循环模 拟计算的程序； 2 在理论上对a d a r 循环进行热力计算，分析各种因素对循环性能的影响，并 对比传统压缩制冷循环进行分析； 3 结合热力学原理，对a d a r 循环各过程能量转化的必獭失进行研究，寻找 该系统能量利用的薄弱环节，并对比传统压缩制冷循环的炯分析结果。 4 结合氨水溶液溶液升膜试验与低压发生试验来验证理论分析的可行性。 1 3 4 创新点 1 将氨水溶液在具有特殊表面微槽的水平横管表面升膜技术运用到a d a r 循 环的低压发生过程中，替代传统的发生器，换热能力高，传质效果好，省去 了氨气精馏过程，减少了循环能量损失。 2 将热力学第一定律与热力学第二定律结合起来分析a d a r 循环的性能。从热 力学第一定律的角度出发，指出a d a r 循环性能变化规律和工作的高效区， 对比不同循环模式对循环性能的影响。从热力学第二定律的角度出发，通过 火盼析，找到系统能量利用的的薄弱环节，分析结果更加科学合理。 8 氨水溶液解吸一压缩制冷循环性能分圻 2 氨水溶液状态参数程序化 氨水溶液制冷系统的仿真、优化设计和模拟计算离不丌对氨水溶液状态参 数的选取、调用和计算。所谓氨水溶液的状态参数是指二元溶液的温度、压力、 浓度、焓值及熵值等，以往大都是按照已知参数，查热力学图表获得，误差较 大且对氨水溶液制冷循环的模拟计算带来极大不便。目前，对于氨水溶液，通 过实验研究已积累了较丰富的热物性数据，在这些数据的基础上，国内外学者 提出一批比较精确的状态方程，包括汽液两相区状态方程，饱和液相和汽相状 态方程。氨水溶液的状态参数可根据一般热力学关系式用上述基本方程计算。 2 1 氨水溶液的性质及状态方程 2 1 1 氨水溶液的性质 氨是最早开始使用的制冷剂之一，它的热力性质有着许多优点，主要是：标 准蒸发温度很低，在冷凝器和发生器中压力适中，单位容积制冷量大，导热系 数大，蒸发潜热大，- 1 5 ( 2 时的蒸发潜热是r 1 2 的8 1 2 倍，r 2 2 的6 0 4 倍。节流损 失小，制冷系数高，所以，相同温度和制冷量时，氨压缩机的尺寸比r 2 2 d 、，可 实现冷凝器等设备的小型化；价格低廉，容易获得。氨的主要物性如下： 化学式 分子量 成分 比重 标准蒸发温度( 沸点) 蒸发压力 冷凝压力 凝周温度 自燃点 最低制冷温度 9 n i t 3 1 7 0 3 1 n ( 8 2 3 6 ) ：h ( 1 7 6 4 ) 0 5 9 7 1 ( 气态氨，对空气而言) - 3 3 4 0 2 4 m p a ( - 1 5 ) 1 1 7 m p a ( 3 0 ) - 7 7 7 6 3 0 一4 6 。c 0 0 l 氨水溶液舸吸一j 蕞缩制冷循环性能分析 氨对钢铁基本上无腐蚀性，但当氨中含有水分时，则对锌、铜、青铜合金 有腐蚀作用。所以在氨制冷系统装置的管道、仪表、阀门等均不能采用铜和铜 合金材料，即所谓的“避铜”要求。氨有一定的毒性，与空气混合后( 1 6 2 5 ) 有爆炸危险，这也是它受到限制的主要原因。氨具有强刺激性气味，容易发现 泄漏。氨极易溶于水形成氨水溶液，在常温下，一升水可溶解7 0 0 倍体积的氨， 因而氨水溶液也是一种很理想的吸收剂。由于氨的沸点很低，在吸收式制冷系 统中，欲制取0 以下的低温，氨是目前唯一实用的制冷剂。 氨水溶液的最大缺陷在于氨和水的标准沸点相距太近，在发生器受热产生 的氨蒸汽中，不可避免地会带有少量的水蒸汽，为此，通常氨吸收式制冷系统 需要设置精馏塔，将水蒸气从氨气中分离出来，使氨蒸气的浓度提高到9 9 8 以上。 2 1 2 氨水溶液的状态方程 氨水体系的气液平衡预测与热力学性质的推算是氨水制冷系统研究与开发 的重要基础工作【6 4 1 。对于氨水体系的气液平衡预测多采用状态方程法与活度系 数法进行研究，两者针对不同的溶液压力、温度、浓度等条件各有优势。本文 主要参考氨水溶液状态方程的方法进行氨水溶液的热力学性质计算。 斯托克尔( w f s t o e c k e r ) 根据文献数据应用最小二乘法导出了一个氨水 溶液的多项式。吉恩( j a i n ) 和盖勃尔( g a b l e ) 等人也根据文献数据推导出氨 水溶液在0 3 3 4 5 0 5 4 7 2 m p a 和1 7 2 3 - - - 2 4 3 2 m p a 两个压力范围内的多项式。 1 9 7 1 年舒尔茨【2 9 】( s c h u l z ) 在前人研究的基础上，通过氨水溶液两种物质的g i b b s 自由焓和混合物超额g i b b s 自由焓的计算，将两部分结合起来构成氨水溶液的 g i b b s 自由焓的气液相关联式，温度范围为- 7 3 1 7 7 ，压力范围为 0 9 8 0 7 k p a 2 4 5 2 m p a ( o 0 1 至2 5 绝对大气压) 。后来经过进一步修正，用此关 联式计算结果比较满意。其他学者如z i e g l e r 6 5 1 等人( 1 9 8 4 ) 、韦藤幼【吲( 1 9 8 7 ) 、 r e n o n 等人( 1 9 8 6 ) 分别提出了一些氨水溶液状态方程用于计算。 bz i e g l e r 和c ht r e p p 将其它状态方程与s c h u l z 状态方程在不同条件下作了 对比，也发现s c h u l z 状态方程在上述温度、压力范围内的计算结果与实验结果 之间的误差较小。国内学者【3 0 1 【3 l l 对s c h u l z 状态方程的推导与修j 下也进行了相应 l o 氨水溶液解