燃气轮机废热吸收式制冷进气冷却系统设计-硕士论文

专业学位硕士论文 燃气轮机废热吸收式制冷进气冷却系统设计 D e s i g no f i n l e ta i rc o o l i n gs y s t e mb a s e do nA b s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o nd r i v e nb yw a s t eh e a tf r o mg a st u r b i n e 学号 3 1 4 1 0 0 0 8 完成日期 2 Q 鱼 立6 0 6 大连理工大学 D a l i a nU n i v e r s j t yo fT e c h n o l o g y 万方数据 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文不包含其他个人或集体己经发表的研究成果 也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文题目 燃氢捡扭废垫哩噍式剑猃进氢猃塑丕统遮j 土 作者签名 二吾闫 舀鋈1 日期 丛年 月 L 日 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着经济的不断发展 能源问题和环境问题日渐突出 对于地处沙漠地带的天然气 加压站 能源显得尤为可贵 因此能源高效利用的重要性也被提上日程 作为一种常见 的燃气轮机能源高效利用策略 进气冷却技术有效的修正了环境温度对燃气轮机性能的 影响 一直以来都受到极大重视 与此同时 多数燃气轮机电厂已经达到了一个高层次 的热利用节点 以至于未来的能效提升只能依赖于废热利用 低品位排气废热利用的发 展潜力不容小觑 吸收式制冷技术将两者有机的结合起来 利用燃气轮机排出的废热作为驱动力 制 取冷量可用于进气冷却 以废热制冷 既回收利用了废热 又提高了燃机效率 目前 吸收式冷却技术己经被成功的应用于燃气轮机的进气冷却领域 相比蒸发式冷却 吸收 式冷却在废热利用方面的优势明显 吸收式制冷机只需要蒸汽压缩式制冷机十分之一的 能量就可以运转起来 同时还具有环境友好 无噪音 易于与现有燃气轮机设备集成的 优点 必将得到越来越多的关注和运用 本设计以地处沙漠的天然气加压站的进气冷却需求作为工程背景 选取合适的工质 对和循环 构建出一套燃气轮机废热吸收式制冷进气冷却系统 但由于系统的负荷计算 过程冗长繁复 为了便于计算多工况下的循环热力参数 本设计编写了针对R 1 2 4 D M A C 的吸收式制冷系统负荷计算软件 可计算各状态点的压力及温度等参数 使得计算过程 大大简化 为换热器的设计选型和多工况监测做好了铺垫 此外 为了完成整套系统的 设计 本文根据设计工况的要求对系统中包括蒸发器 冷凝器 吸收器 发生器在内的 换热器设备进行了热力设计计算并针对不同换热情况提出了符合实际要求的换热器结 构 最终得出了整套系统的性能系 为0 5 2 8 经过理论估算 搭载此吸收式制冷系统 的进气冷却系统可以为燃气轮机机组带来2 0 的输出功增量和1 0 的进气质量增量 关键词 废热吸收式制冷 负荷计算 软件 换热器 万方数据 燃气轮机废热吸收式制冷进气冷却系统设计 D e s i g no fi n l e ta i rc o o l i n gs y s t e mb a s e do nA b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nd r i v e n b yw a s t eh e a tf r o mg a st u r b i n e A b s 仃a c t W i ht h ed e v e b p m e n to fe c o n o m y t h ee n e r g ya n de n v 哥o n m e n ti s s u eb e c o m e s p r o m i n e n ti n c r e a s i n g l y F o rg a sp r e s s u r es t a t i o nl o c a t e d 证t h ed e s e r ta r e a e n e r g yb e c o m e s v e r yv a l u a b l e S Ot h ei m p o r t a n c eo ft h ee f f a c i e n tu s eo f e n e r g yi sO nt h ea g e n d a A sak i n do f c o r m ng a st u r b m c e n e r g ye f f a c i e n tu t i l i z a t i o ns t r a t e g y t h em l e ta kc o o l i n gt e c h n o l o g y e f f e c t i v e l yc o c o t st h ee f f e c to fe n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t m eo nt h eg a st u r b i n ep e r f o n m m e a n dh a sa t t r a c t e da t t e n t i o ng r e a s y A tt h eS a l T I et i m e m o s to f t h eg a st u r b i n ep o w e rp l a n th a s r e a c h e da 峥l e v e lo fh e a tu t i l i z a t i o nd e g r e e S Ot h a tf u t u r ee 位l e m yc a l lo n l yr e l yO nw a s t e h e a tu f f l i z a t i o n T h u sb wg r a d ee x h a u s tw a s t eh e a tu t i l i z a t i o nd e v e b p r n c n tp o t e n t i a lt ob e r e c k o n e dw i t h A b s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n t e c h n o l o g yc o r r b i n e st h eb o t ha b o v e u s i n gt h ew a s t eh e a to f g a s t u r b i n ee x h a u s t 勰d r i v i n gf o r c em e v a n gc o l dq u a n t i t yt h a tc a l lb eu s e df o ri n l e ta i rc o o l i n g I t m 证泌st h ew a s t eh e a tt oc o o lt h ei n l e ta i ra n di m p r o v e st h ee b m yo f g a st u r b i n e A t p r e s e n t t h ea b s o r p t i o nc o o l i n gt e c h n o b g yh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h eg a st u r b i n ei n l e t a i rc o o l i n gf i e l d C o m p a r e dw i t he v a p o r a t i v ec o o l i n e a b s o r p t i o nc o o l i n gh a so b v i o u s a d v a n t a g e si nt h eu s eo f w a s t eh e a t A b s o r p t i o nc h i l l e ro n l yn e e d st e n t ho f t h ee n e r g yo f s t e a m c o m p r e s s i o nr m c h i n et ob ep u t t ow o r k I th a sa d v a n t a g e ss u c h 嬲e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y o f n on o i s e e a s 证ym t c g r a t e dw i t ht h ee x i s t i n gg a st u r b i n e e q u i p m e n t T h e r e f o r e i tw i l lg e tm o r e a n d l O r ea t t e n t i o na n da p p l i c a t i o n A to fg a st u r b m cw a s t eh e a ta b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i n gi n l e ta kc o o l h gs y s t e mW a s d e s i g n e df o rg a sp r e s s t a es t a t i o nl o c a t e di nt h ed e s e r t D u et ot h ec o m p l i c i t yo f t h eb a d c a l c u l a t i o np r o c e s s s o f t w a r es p e c j a yd e s i g n e df o rb a dc a l c u l a t i o no f t h ea b s o r p t i o n R 1 2 4 D M A Cr e f r i g e r a t i o ns y s t e mt os 妇p l i f yt h ec a l c u l a t i o ni sn e c e s s a r y D i f f e r e n tk i n d so f c o n d i t i o n so fc y c l i ct h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r sc a i lb ec a l c u l a t e db yt h es o R w a r e T h ed e s i g n o f t h es o f t w a r ep a v e dt h ew a yf o rt h eh e a te x c h a n g e rd e s i g n t y p es e l e c t i o na n d m u l t i w o r k i n g c o n d i t i o nm o n i t o r i n g I na d d i t i o n t h et h e n m ld e s i g no ff o u rm a i nh e a te x c h a n g e r si n c l u d i n g e v a p o r a t o r c o n d e n s e r a b s o r b e ra n dg e n e r a t o rw e r ef i n i s h e db a s e do nt h ec o n d i t i o no fg a s p r e s s u r es t a t i o n w i t hd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o np r o p o s e dt os 如矽d i f f e r e n th e a te x c h a n g e r e q u k e m e n t s B ym e a l l o f t h e o r e t i c a le s t i m t i o n t h es y s t e mr e a c h e saC O Po fO 5 2 8a n d s u c c e s s f u l l y 证n p r o v e st h eo u t p u ta n dm a s so fi n l e ta i rb y2 0 a n d10 r e s p e c t i v e l y 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 e x c h a n g e r w a s t eh e a ta b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n b a dc a l c u l a t i o n s o f t w a r e h e a t 一 一 万方数据 燃气轮机废热吸收式制冷进气冷却系统设计 目录 摘要 I A b s t r a c t I I 1 绪论 1 1 1 工程背景 1 1 1 1 蒸发式冷却 2 1 1 2 机械式冷却 3 1 1 3 吸收式冷却 4 1 1 4 蓄冷冷却 4 1 1 5 其他方式 5 1 2 废热利用 5 1 3 吸收式制冷 6 1 3 1吸收式制冷系统的工作原理 6 1 3 2 吸收式制冷系统的工质对 7 1 3 3 吸收式制冷系统的循环 1 2 1 4 本文研究思路与内容 2 1 2 负荷计算软件 2 2 2 1 软件计算模型 2 2 2 1 1 燃气轮机废热吸收式制冷循环 2 2 2 1 2 工质对选择 一2 3 2 1 3 循环热力计算 2 3 2 2 软件说明书 2 7 2 2 1 安装与卸载 2 7 2 2 2 主界面及功能 3 l 2 2 3 常见问题补充说明 3 3 3 软件实用性评估 3 5 3 1 算例一 3 5 3 2 算例二 3 8 3 3 算例三 4 0 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 4 实用性分析 4 2 4 换热器设计 4 3 4 1 发生器 4 3 4 2 冷凝器 4 6 4 3 吸收器 4 8 4 4 蒸发器 5 1 结论 5 5 附录A 发生器 6 1 附录B 吸收器 6 2 致谢 6 4 大连理工大学学位论文版权使用授权书 6 9 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1工程背景 天然气的使用最早始于2 0 世纪中叶 作为三大化石能源之一 它在能源市场中的 重要性与日俱增 天然气是一种自然形成的碳氢化合物的混合物 主要成分是甲烷 但 通常还包含不同数量的其他高比例烷类和其他的微量组分 比如二氧化碳 氮气 硫化 氢等 天然气由几百万年前动植物有机残留物质堆积层在强压和强热作用下形成于地表 下 它的能量最早来源于植物对太阳能的吸收利用形成的化合物 在化石能源中 单位 能量的天然气燃烧释放的碳密度和二氧化碳都是最低的 这些特点保证了天然气在工业 市场 特别是家用和商用制热领域的绝对优势 更进一步 加快发展低碳能源 保证世 界能量供给安全 关注全球气候变化也十分紧迫 天然气是一个很好的能源选择 但由于天然气开采地大多处于沙漠或海洋地带 因 此天然气的输送在天然气的使用中也是不小的阻碍 事实上 目前世界上的天然气运输 基本上是陆上管道运输和海上液化天然气运输 而在陆地上 天然气的输送基本上靠管 道来承担 压气站是实现天然气从一个地区向另一个地区转移的辅助设施 天然气在通过管道 运输的时候 每隔6 0 至1 6 0 千米需要被加压一次 压气站的选址是根据地形和周围油 气井的数量来确定的 地理高度的变化和油气井的增多都会需要更多的加压站 天然气在加压站中的压缩通常需要特殊的涡轮机和发动机 加压站又被称为泵站 它充当了整个输气管道的 饯动机 的作用 为省际天然气管道提供动力 顾名思义 加 压站压缩天然气 提高天然气的压力 为其提供能量使得天然气在管道中顺利流动 目前有三种常见的 饯动机 为天然气管道运输提供原动力 燃气轮机拖动离心式压缩 机 电动离心式压缩机和内燃机拖动往复式压缩机 而目前应用比较广泛的是燃气轮机 拖动的离心式压缩机 对于燃气轮机而言 压缩功与膨胀功的比值被称为背功率 通常而言 超过5 0 的 膨胀功被用来驱动压缩机 当压缩机的耗功增加 背功率随之增加 同时也伴随着输出 净功的减小 l 压缩机的耗功增大通常是与进气温度的升高造成的空气比体积的增大密 不可分的 而在夏季用电高峰期 环境温度升高就会造成燃气轮机输出净功的减少 这 是一个亟待解决的矛盾 有研究称 环境温度每升高1 输出净功就会降低约O 6 4 2 1 万方数据 燃气轮机废热吸收式制冷进气冷却系统设计 出于以上考虑 人们提出了许多方法来冷却燃气轮机的进气 比如蒸发式冷却 吸收式 冷却 机械式冷却和蓄冷冷却 1 1 1 蒸发式冷却 由于石油 天然气电站的作用范围通常是气候炎热的南美洲 非洲和中东等地区 蒸发式冷却因其较低的初投资和运行费用以及较短的经济回收期的优势占据代表性的 地位 蒸发式冷却利用中间冷媒或高压雾化系统给压缩机的进气增湿 使其达到当地湿 球温度 如图1 1 所示 S a n a y e 和T a h a n i 分别研究了1 6 台产值2 0 至1 8 0 M W 不等的 燃气轮机的进气冷却系统 压缩机进气导管雾化和在2 饱和范围以外的过喷相结合 其环境温度是4 3 相对湿度4 0 3 1 A l h a z m y 和N a j j a r 在对喷雾式冷却的进气冷却 方式的燃气轮机的研究中提到 喷雾式制冷机在潮湿的气候下运行效率更高 它能产生 相对湿度10 0 的湿空气使进气温度降低到湿球温度 4 H o s s e i n i 发现 使用蒸发式冷却 方式的伊朗某联合循环燃气轮机压缩机的进气温度可以被降低到1 9 而其输出功的增 量也达到了5 2 8 0 M W h 5 1 M a r m u k 和H a n a f i 在埃及南部一座2 6 4 M W 的燃气轮机电站 的分析报告中指出 通过使用蒸发式冷却系统和冷水机组作为进气冷却方式而增加的发 电量达到了1 1 7 0 2 7 M W h 投资回报周期是3 3 年 6 而单独使用蒸发冷却系统作为进气 冷却方式增加的发电量是8 6 1 1 8 M W h 投资回报率是O 6 6 年 为了提高环境温度3 5 相对湿度5 3 的进气的密度 U t a m r a 等用加湿的空气替代传统的蒸发式冷却取得了 1 0 的电力增量 这些分析和预测在一台1 5 M W 的轴流式压缩机中得到了验证 7 但尽 管蒸发式冷却可以提高高温干燥地区的燃气轮机的输出净功 它的制冷能力在高温高湿 的地区却受到了限制 而且虽然可以在此基础上使用干燥剂来达到除湿的效果以更好地 冷却压气机进气 但这种系统的初投资就会大大增加 挡木糖 图1 1燃气轮机进口空气蒸发冷却示意图 F i g 1 1 S c h e m eo fg a st u r b i a ei n l e ta i re v a p o r a t i v ec o o l i n g 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 1 2 机械式洽却 最具代表性的机械式冷却是利用一个丙烷压缩制冷系统来冷却燃气轮机进气 如图 1 2 所示 在低级丙烷循环中 丙烷被膨胀机拖动的压缩机压缩后 产生温度足够低的冷 量来冷却从环境中进入燃气轮机压缩机的空气 丙烷压缩式制冷冷却系统的运行可靠性 和低维护成本的优点在石油 天然气工业中得到证明 然而这种装置由于其基建成本高 和峰值期耗电量大的劣势造成了它整体的非经济性 所以在燃气轮机进气冷却领域运用 较少 图1 2 丙烷制冷系统的燃气轮机进气冷却系统 1 1 F 远 1 2 S c h e m a t i co fG a st u r b i n eC a s c a d e dp r o p a n eS y s t e m 一 b e 弦 州 旧 罢 叩 咖 T m3 万方数据 燃气轮机废热吸收式制冷进气冷却系统设计 1 1 3 吸收式冶却 吸收式冷却技术目前已经被成功的应用于燃气轮机的进气冷却领域 不仅如此 许 多研究都强调了吸收式冷却相对于蒸发式冷却在废热利用方面的优势 吸收式制冷机只 需要蒸汽压缩式制冷机十分之一的能量就可以运转起来 同时还具有环境友好 无噪音 易于与现有燃气轮机设备集成的优点 吸收式制冷机的工作原理与蒸汽压缩式制冷机相 似 不同之处就是在于能量的输入 压缩式制冷消耗机械功 而吸收式制冷消耗热能 D a w o u d 等根据分析推算 s 在阿曼 相比于蒸发式冷却而言搭载吸收式进气冷却系统 的G E 燃气轮机循环大约提高了2 0 的输出功 但报告中忽略了相对湿度对冷却系统的 影响 K a k a r a s 等也强调了H 2 0 L i B r 吸收式制冷冷却相比于蒸发式冷却可量化的优势 不管燃气轮机循环是简单循环还是联合循环 9 1 Y a n g 等 分析比较了燃气轮机的压缩机 进气冷却采用H 2 0 U B r 吸收式冷却和蒸发式进气雾化冷却的一类燃气和蒸汽联合循环 的出力系统 得出了以下结论 当环境温度和相对湿度分别高于2 5 和4 0 时 吸收 式冷却优于进气雾化冷却 1 0 B o o m m s a 提出了一套废热驱动蒸汽A R S 联合循环的进气 冷却系统 可以将进气冷却至1 5 C 并分别推算出透平和联合循环净功大约1 1 和6 的增幅 回报期为3 8 年 1 1 1 1 1 4 蓄冶冷却 蓄冷冷却是指在电网低谷时期利用电动压缩式制冷或余热驱动的吸收式制冷方式 提前制备一定冷量储存在冷媒 通常是水 冰或共晶盐 中 带到用电高峰的时期在将 储存的冷量释放出来用以冷却燃气轮机进气 达到增加输出功 提高效率的作用 这种 方式解放了用电高峰时期的高负荷 也使用电低谷时期的设备使用率得到提高 调整了 电网的负荷 增加了利润 A l I b r a h i m 和V a m b a m 总结了多种燃气轮机进气冷却技术 并针对环境条件和能 源需求综合比较了他们的核心优势和短板 得出了高水消耗量和高压雾化限制了蒸发式 冷却在沙漠气候下的应用的结论 1 2 除此之外 在夏季用电高峰期 对于出力的发电厂 而言利用水冷或冰冷的蒸发压缩式冷蓄冷冷媒被发现比吸收式冷却更加经济 由于峰值 负荷几乎是非峰值时期的两倍 电厂的出力在一天之中并不是均匀分配的 在这种情况 下 如果燃气轮机的发生器负荷不因为峰值期受到限制 尽管基建费用较高 吸收式冷 却系统的优势却显现了出来 S h i r a z i 等研究了以冰蓄冷为进气冷却方式的燃气轮机循环 发现净功输出增加了1 1 6 3 系统效率提高了3 5 9 投资回收期是4 7 2 年 J 3 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 1 5 其他方式 除了以上的冷却方式 其他的燃气轮机进气冷却方案也在研究开发之中 S a n j a y 等 调查了通用电气的M S 9 0 0 1 型燃气轮机废热发电循环的叶片冷却方案 他发现 在给定 的压缩机进气温度的条件下 蒸汽内部对流为由此获得的高能源利用率和高电热比提供 了可能 l4 1 B l a n e o 等提出在压缩机进气的导管中喷洒更高蒸发压力的制冷剂 比如用 氨来替代水 1 5 1 但是尽管这种替代可以使得蒸发时间得到缩短 但却没能实现能量的节 省 C h a c a r t e g u i 等对比了不同燃气轮机进气冷却方案的效果后 推荐使用机械蒸汽压 缩制冷冷却与蓄冷冷却相结合的方案作为西班牙某燃气轮机电厂联合循环的进气冷却 方案 最具经济性 l6 S h i 等提出使用液化天然气冷能对压缩机的进气进行冷却的方案 还提到了一种内部冷却的对流联合循环的电厂方案 他们报告指出所有的输出功和发电 效率的提高分别达到7 6 M W 和3 1 7 基于以上的研究结果 相比于蒸发式冷却和机械式冷却而言吸收式冷却是一种比较 有发展前途的燃气轮机进气冷却技术 特别是在热带地区的环境下它的优势尤为明显 机械制冷会消耗大量的电能 蒸发式冷却对进入压缩机的空气湿球温度过于敏感 M o h a p a l r a 和S a n j a y S a n j a yM 对比了蒸汽压缩式制冷和蒸汽吸收式制冷两种进气冷却 方式的的效果 发现蒸汽压缩式制冷的进气冷却方式使得燃气轮机循环的效率提高 4 8 8 输出净功提高1 4 7 7 而通过蒸汽吸收式制冷循环冷却进气的燃气轮机的效率 和输出净功分别提高9 4 7 和1 7 2 I s P y 血等在波兰的研究发现 搭载蒸发式冷却 系统和冷水机组的进气冷却后的燃气轮机效率的提高带来的收益与其投入的初投资而 言相形见绌l J 引 可以看出对于燃气轮机而言 进气冷却带来的经济效益是十分明显的 如果将这项 技术应用于天然气加压站 燃气轮机的效率提高之后 消耗的燃气就会减少 从而达到 节约能源的目的 1 2 废热利用 目前 废热利用还没能在提高中东地区的燃气轮机发电站效率中扮演重要的角色 这种应用一定程度上被废热利用局限性限制住了 主要有以下三个原因 1 缺乏财政 激励来减少电厂能源消耗 2 相比于主要的电厂运行过程 现行许可技术常常会阻止 高效的能量利用方案在现有设备中的整合 3 存在与废热热源相关的安全问题 然而 随着环保需求和国际能源短缺局势日渐紧张 电厂受到的压力也不小 它们可能不得不 考虑将废热利用技术引入现有的运行方案中来 更值得关注的是 大多数燃气轮机电厂 万方数据 燃气轮机废热吸收式制冷进气冷却系统设计 已经达到了一个高层次的热利用节点 以至于未来的能效提升只能依赖于废热利用 客 观来讲 在炎热地区 废热驱动的吸收式制冷技术的潜力是值得被强调的 一大部分天 然气提供给燃气轮机的能量以高温排气的方式散发在环境中 在这种情况下 废热驱动 的吸收式制冷系统不失为一套高效的燃气轮机能量利用方案 A r m r i 和H e j a z i 估算发现 在伊朗某1 7 0 台联合能量容量为9 5 0 0 M W 燃气轮机单元中 大约有1 9 0 0 M W 的能量损 失是由于夏季的高温造成的幽 此外 经济分析报告显示 使用废热驱动的吸收式制冷 机冷却压缩机进气带来的年发电量增量达到了1 4 0 0 0 M W h 其投资回报率达到了2 3 回报周期是4 2 年 M o h a n t y 和P a b s o 提出了一种废热驱动的双效H 0 L i B r 吸收式制冷 系统将压缩机进气冷却到了1 5 从而使同一台燃气轮机的输出净功从8 上升至1 3 而且还实现了l1 M W 的发电量增量 2 1 1 1 3 吸收式制冷 吸收式制冷首次被提出是在公元1 7 7 7 年 以硫酸作为工质对 法国科学家F e r d i n a n d C a r t 6 在1 8 5 8 年发明了以N H 3 H 2 0 作为溶液的吸收式制冷单元 一项关于吸收式制冷 单元的美国专利在1 8 6 0 年才得以申请 2 2 1 最常用的吸收式制冷工质对是溴化锂水溶液 和氨水溶液 溴化锂水溶液的吸收式制冷机由于其高效率的优势被广泛应用于生产生活 氨水溶液的吸收式制冷机由于其不结晶和可制冰的优势也受到了用户欢迎 此外 氨水 溶液宽泛的浓度适用范围为吸收式制冷系统发生器和吸收器之间的热回收 G A X 提供 了可能 2 3 1 1 3 1 吸收式制冷系统的工作原理 2 4 吸收式制冷系统的工质是一种由制冷剂和吸收剂组成的二元溶液 如图1 3 和图1 4 所示 两根排液管间接连通 a 图的管子中流动的是液态的制冷剂 而b 图的管子流动 的是吸收剂和制冷机组成的二元溶液 b 图中的溶液可以吸收a 图中的制冷剂 使a 图 中的压力下降 当制冷剂蒸汽被吸收之后 剩下的制冷剂的温度就会因为蒸发作用而降 低 这就在a 图中形成了制冷效应 同时 b 图中的溶液由于制冷剂被吸收 浓度也随 之降低 这就是吸收过程 正常工作条件下 吸收过程是一个放热的过程 因此它必须 向外界释放热量来保证吸收能力 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 a b 图1 3 吸收式制冷工作原理 1 2 4 1 F i g 1 3 T h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i D n 当溶液由于制冷剂的饱和而无法继续吸收过程的时候 制冷剂就会从稀溶液中被分 离出去 热能就是这个分离过程的动力 它被用于析出b 图中的溶液中的制冷剂 制冷 剂蒸汽向周围放热之后再冷凝 通过这些过程 制冷效应可以通过热能来产生 然而 由于这些过程无法同时进行 因而制冷效果并不是连续的 因此 吸收式制冷循环将这 两个过程结合了起来 使冷量可以连续产生 如图1 4 当分离过程的压力高于吸收过 程的压力时 系统就需要循环泵来带动溶液的流动 r e f r i 群 r a n l p m i J m t 一 一 d l 讲7 n K P t 图1 4吸收式制冷工作原理 2 洲 F 远 1 4 T h ew o r l 幽gp r m c i p l eo ft h ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n 1 3 2吸收式制冷系统的工质对 吸收式制冷循环的制冷效果取决于工质对的热力性质 制冷剂 吸收剂混合物应该 满足化学稳定性好 无毒 不易爆炸等条件 具体要求如下 1 沸点差距 相同压力下制冷剂纯净物与制冷剂 吸收剂混合物之间的沸点只之 差 尽可能大 万方数据 燃气轮机废热吸收式制冷进气冷却系统设计 2 为了保持单位制冷量发生器和吸收器之间的低循环倍率 制冷剂的汽化潜热 应该较高 并且相对而言吸收剂的浓度应该较高 3 影响热质传递的运动参数 比如粘度 导热系数 扩散系数等 应该足够合 适 4 制冷剂和吸收剂都是无腐蚀性 低造价和环境友好型工质 为了更清晰的区分工质对 可以以制冷剂作为分类标准 将工质对分为5 个类别 氨系 水系 乙醇系 卤代烃系和其他制冷剂系 1 氨系 自从吸收式制冷系统被发明以来 N H 3 H 2 0 工质对就被广泛的应用 氨和水在很大 温度和压力范围内都具有较高的稳定性 氨因其大汽化潜热和低至一7 7 的凝固点被视 为一个好的制冷剂选择 众所周知 由于水和氨在发生器中的不完全分离 在N H 3 H 2 0 作为工质的吸收式 制冷系统中不得不增加精馏设备 为了提高氨气在发生器中的分离效果 同时降低制冷 温度和精馏损失 可以在氨水中加入氢氧化钠 基于实验数据的模拟循环表明 相比于 同样条件下的传统N H 3 H 2 0 吸收式制冷循环而言 添加了氢氧化钠之后C O P 提高了2 0 氢氧化钠通过效率高达9 9 的羟基分离技术进行分离 2 s 2 水系 H 2 0 L i B r 工质对被用于吸收式制冷循环的历史可以追溯到1 9 3 0 年 2 6 得益于水蒸 气的高汽化潜热和高温下的大沸点差 H 2 0 L i B r 工质对得到了快速的发展 相比于以氨 作为制冷剂的吸收式制冷循环 H 2 0 L i B r 吸收式制冷循环效率更高 工作压力更低 无 需精馏 2 6 J B e r e s m e f fA A 在将吸收式循环应用于制热的循环时发现水 碘化锂展示出了与 H 2 0 L i B r 同样好的性能 2 8 刀 他还对比了卡罗尔混合物与L i B r H 2 N C H 2 2 0 H H 2 0 L i B r H O C H 2C H 2 2 N H H 2 0 L i B r H 2 N C H 2 2 0 H H 2 0 和 H O C H z C H z 2 N H H 2 0 按质量比3 5 1 为工质对的空气冷却吸收式循环 结果显示 这些溶液都可以在较高的 吸收器和冷凝器温度下运行 并且具有一定的制冷效果和C O P 2 7 科研人员通过模拟了H 2 0 L i B r C H 0 2 K 盐的质量比为2 1 和H 2 0 L i B r 毛E 吸 收式制冷循环中的运行情况 发现H 2 0 L i B r C H 0 2 K 比H 2 0 L i B r 的发生温度更低 腐蚀性更小 密度和粘度更小 2 引 众所周知 离子溶液是一类熔点低于1 0 0 C 的盐类 它由有机阳离子和无机阴离子 组成 近来 研究人员发现离子溶液因其具有可忽略的蒸发压力 强溶解度 液相范围 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 广和在空气 水中稳定性强的优势在工业催化 分离流程 电化学等工业领域中具有相 当大的应用潜能 N a O H K O H C s O H 和水被用于吸收式热泵中 4 2 埘 由于与H 2 0 L i B r 相比 这几 种物质具有更宽的溶解域 吸收剂中加入N a O H 和K O H 配合水作为制冷剂 2 9 1 实验发 现 这种工质对在双效吸收式热泵中可以达到2 1 的C O P 和2 5 C 的温升 热泵的制热 能力达到了4 5 k W 3 0 氢氧化物的三元水溶液N a o H 暇O H 屺s O H 质量比4 0 3 6 2 4 在发生器温度1 3 0 至1 6 0 之间的运行情况良好 但是 与H 2 0 L i B r 相比这种组合因其高粘度和高温下的 腐蚀问题具有更低的热质传递系数 研究人员认为 这种替代混合物可能适用于更大范 围的冷凝和吸收温度 因为这保证了更大的温升且不容易结晶 4 5 4 6 研究人员对吸收式制冷系统下的水系蒸汽吸收式循环与四种二元混合物 H 0 L i B r H 2 0 N a O H 和H 2 0 L i C l 五种三元混合物 H 2 0 十L i B r L i I H 2 0 L i C l L i N 0 3 H 2 0 L i B r Z n B r 2 和H 2 0 L i B r L i S C N 和七种四元混合物 H 2 0 L i B r L i C l Z n C l 2 H 2 0 L i B r Z n C l 2 C a B r 2 H 2 0 L i B r Z n B r a L i C l H 2 0 L i B r L i I C 2 H 6 0 2 H 2 0 N a O H K O H C s O H H 2 0 L i N 0 3 K N 0 3 N a N 0 3 和 H 2 0 L i C l C a C l 2 Z n N 0 3 2 进行了模拟 热力分析表明从熔断温度的角度和循环 倍率的角度而言H 2 0 L i C I 的表现较好 从C O P 和效率的角度而言H 2 0 L i B r L i C l Z n C l 2 的表现更好 3 乙醇系 含有乙醇的工质对最大优势在于 稳定性强 出口温度高和完美的压力 温度 浓度 曲线 然而 大多数含有乙醇的工质对却与氨一样具有相同的毒性 研究人员对比了 E 2 2 2 t r i f l m r o e t h a n 0 1 N M P N m e t h y l 2 p y r r o l i d o n c T F E E 1 8 1 t e t r a e t h y l e n eg l y c o ld i m e t h y le t h e r 和T F E P Y R 2 p y r r o l i d o n e 这几种运行工质 的吸收式换热器 发现当出口温度低于1 5 0 时 H 2 0 L i B r 的表现更好 因为1 5 0 是 H 2 0 妇不出现腐蚀和结晶的最高温度 而T F E N M P T F E E 1 8 1 和T F E P Y R 在温 度高达2 0 0 2 的时候还处于稳定的状态 3 1 1 T F E N M P 第一次作为吸收式循环的工质对 被提出是因为它工作温度范围大 工作压力低和安全系数高的优点 3 2 1 随着低温热源 太阳能和化工低品位废热等 驱动的吸收式循环的发展 制冷温度 低至O 热源温度7 0 至1 0 0 的情况下 N H 3 H 2 0 工质对的优势显现了出来 T F E T E G D M E t e I r a e t h y l e n eg l y o o ld i m e t h y le t h e r 也被认为是这种应用条件下一种良好 的替代工质对 3 2 3 3 万方数据 燃气轮机废热吸收式制冷进气冷却系统设计 一种模块化的软件包被用来比较T F E T E G D M E 和N H 3 H 2 0 在蒸汽交换双吸收循 环中的表现 34 1 结果显示T F E T E G D M E 的C O P 比N H 3 H 2 0 高1 5 T F E E 1 8 1 在双效吸收式换热器的模型中的C O P 达到了O 5 8 总温升达到了3 0 C T F E P Y R 在与H 2 0 L I B r T F E N M P 和T F E E 181 的对比中发现 H 2 0 L i B r 适合更低 的运行温度 而T F E P Y R T F E N M P 和T F E E 1 8 1 适合更高的运行温剧3 1 T F E 中 被激活的氢原子可以与质子受体发生反应 这种工质对在模拟结果中证实了自己可以作 为H 2 0 L i B r 和N H 3 H 2 0 替代物的可能性 3 5 3 6 4 卤代烃系 N H 3 H E O 和H 2 0 啪r 是目前应用最广的吸收式循环的工质对 然而 N H 3 H 2 0 这 种组合在制备温度低于O 的冷量时要求热源温度必须高于1 2 0 C 这就使得系统的压 力过高而不得不配备精馏塔 氨的热物力性质是处于接受范围之内的 但它易燃 有毒 有刺激性 还会腐蚀铜 H 2 0 L i B r 溶液可以适用于热源温度高于7 0 C 的空调系统 但 很难满足低于0 C 的制冷需求 H 2 0 L i B r 溶液具有腐蚀性 且粘度大于水 为了克服这 些限制条件 基于环境可接受范围之内的碳氟化合物 m r C 制冷剂和有机吸收剂被提 出 研究发现 在R 2 1 R 2 2 R 3 0 P 3 1 R 1 3 3 a R 1 2 4 a 和R 1 3 4 a 参与的吸收式制冷 循环中 R 2 1 的C O P 最高 因为它的汽化潜热最大 37 1 然而对铜的腐蚀性限制了它的 应用 在R 13 4 分别与D M E T E G d i m e t h y l e t h y l e n e u r e a M C L N m e t h y l c a p r o l a e t u m 和D M E U d i m e t h y l e t h y l e n e u r e a 种吸收剂配对组成的工质对中 他们的C O P 都很接 近 而R 1 3 4 a M C L 循环倍率最小 在分别以R 2 2 R 1 3 4 a 和R 3 2 为制冷剂 D M A C N N7 一 d i m e t h y l a c e t a m i d e D M E U D M E T E G N M P 和M C L 为吸收剂的单级和多级吸收式 热泵循环中 R 2 2 的表现优于R 1 2 4 而R 1 3 4 a 可以在单级的吸收式热泵中工作 38 1 从 R 2 2 D M E D E G 压力 温度 浓度图和焓 浓度图中可以看出 R 2 2 D M E D E G 可以被用于吸 收式循环 3 9 4 0 研究人员通过对热力参数表的拟合 给出了R 1 3 4 a R 1 4 3 a r 3 2 和R 1 2 5 的热平衡 方程 4 1 1 考虑以R 1 2 5 和六种吸收剂组成的工质对 发现 R 1 2 5 D M E U 溶液性能最好 其次是R 1 2 5 N M P R 1 2 5 D M A C R 1 2 5 M C L R 1 2 5 D M P U 和R 1 2 5 D M E T E G 在1 1 P L 三级压力单级吸收式循环 中计算出来的C O P 居于0 4 5 至O 5 9 范围内 循环倍率在 2 至5 之间f 4 2 1 在以R 1 2 4 为制冷剂 D M A C N M P M C L D M E U 和D M E T E G 为吸收剂的工质 对的研究中发现 R 1 2 4 D M A C 的整体表现最为推荐 4 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 N H a H 2 0 L i B r N H a L i N 0 3 N H 3 H 2 0 N a O H H 2 0 L i B r C H 2 0 哪2 L i B r H 2 N C H 2 2 0 H H 2 0 L i B r H O C H 2 a O H H 20 L i B r H O C H 2 C H 2 2 0 H H 2 0 H 2 0 I 讯0 3 H 2 0 C a C l 2 H 2 0 L i B r C H 3 C O O K H 2 0 L i B r C H 3 c H 0 H C O O N a H 2 0 C H 0 2 N a L i B r H 2 0 C H 0 2 K L i B r H 2 0 L i B r L i I L i C I L i N 0 3 N a O H K O H H 2 0 N a O H K O H C s O H H 2 0 H 2 0 L i B r L i N 0 3 H 2 0 L i B r L i l H O C H 2 a 0 H T F B 忖4 N 口 T F B E 18 1 T F E T E G D M 哐 R 1 3 4 a D N 皿T G R 1 3 4 a M C L R l3 4 a D 任c U R 1 2 5 N 皿 R 1 2 5 D M A C R 1 2 5 M C L R 1 2 5 0 D 口U R 1 2 5 十D r E G R 1 2 4 1 岫 R 1 2 4 I M 魄C R 1 2 4 M C L R 1 2 4 D M P U R 1 2 4 D h 伍T E G R 1 3 4 a 十D M A C A c e t o n e 2 阻 H 2 0 m o n o m e t h y l a m i n e 进入精馏器的水蒸汽大为减少 C O P 高于N H 3 H 2 0 发生温度低于N H 3 H 2 0 N H 3 分离过程有进步 热源温度低 C O P 高 与H 2 0 L i B r 类似 溶解度高8 0 空冷制冷机的结晶危险低于H 2 0 L i B r 高粘度 腐蚀性 空冷制冷机的结晶危险低于H 2 0 L i B r 高粘度 腐蚀性 空冷制冷