吸附-吸收复叠式三效制冷循环

　　溴化锂吸收式制冷机可用低品位热能驱动，相比于电压缩式制冷机，可节电95%，且运动部件少、噪声低、无爆炸危险、冷量调节范围广、环境适应性强，加之无氟里昂问题，而被公认为绿色环保产品，在为空调或工艺过程提供冷源方面应用广泛。但以单位制冷量的一次能源消耗量相比，双效溴化锂吸收式制冷机仍高于电压缩式制冷机。为进一步提高吸收式制冷机的性能，实现能量的高效利用，重要的发展方向就是研制三效吸收式制冷机。
　　双效溴化锂吸收式制冷机的性能系数（COP 25，电压缩式制冷机的COP可达3.5以上，考虑到电厂的发电效率，若三效制冷循环的COP不小于1.5，其单位制冷量的一次能源消耗量便与电压缩式制冷机相当。
　　12―16收到修改稿。
　　基金项目：国家重点基础规划项目（No.G2000026309）和中国博士后基金资助项目。
　　提高溴化锂吸收式制冷机的COP势必要提升溶液的温度。研究表明，当溶液高于170现常用的缓蚀剂铬酸锂会分解而失效，溴化锂溶液对金属材料腐蚀剧烈。因而材料防腐蚀是研制三效溴化锂吸收式制冷机的首要技术难题。
　　近年来，在寻找高温溴化锂水溶液中具有强耐腐蚀性的材料和性能优良的缓蚀剂方面取得了一些进展，然而新型吸收式制冷工质对和制冷循环仍然是吸收式制冷研究的主流。三效吸收式制冷循环成为国际上研究的热点，但迄今尚无商业化机组面世以沸石一水为工质对的单效固体吸附式单元为高温级，以单效溴化锂吸收式制冷单元为低温级的双效吸附一吸收复叠循环由图可见，该系统由高温级单效吸附式单元1、低温级双效溴化锂吸收式单元2复叠而成。假定吸附器的金属比热容为零，吸附式单元的吸附器A、B之间充分回热后，吸附热被全部加入到低温级吸收式单元的高压发生器中。
　　以加热量Qh为热源的高温级吸附式制冷单元，其COP 1可表示为以吸附式单元部分吸附热Qa为热源的低温级吸附式单元的COP2可表示为低温级高压发生器的加热量Qa与吸附式单元的加热量Qh比率用下式表示由式（5）可以看出，系统COP分别正比于高、低温级单元的COPi和COP2，两者的增加均可显著地提高COP.低温级双效溴化锂吸收式制冷单元的COP2可视为定值，即COP21. 25.COP的变化主要取决于吸附式制冷单元的COPi.与基本型吸附式单元相比，吸附器之间适当回热，可显著增加吸附式单元的COP1.因此，吸附式单元回热方式及状态参数的优化是研究系统COP的关键。
　　2高温级回热型吸附式单元热力分析回热型吸附式单元主要由两只吸附器、冷凝器和蒸发器组成。对单只吸附器而言，理想的吸附式制冷单元，包括等容加热（A―B）、等压加热（B―D）等容冷却（D―E）等压冷却（E―A）4个热力过程，如所示。假定吸附器内吸附剂对制冷剂进行平衡吸附，即吸附量是吸附器温度与压力的函数：x=/（T，p）。吸附终了时的吸附量Xa与环境温度Ta（Ta=Tal）相平衡，压力为蒸发器温度Te下的饱和压力pe.解吸终了时的吸附量Xb与解吸温度Tg（Tg=Tg2）相平衡，压力为冷凝温度Tc下的饱和压力pc.最大与最小吸附量之差（△X=Xa―Xb）即为单位质量吸附剂的制冷剂循环量。
　　x可表示为在加热解吸过程中，吸附器得到的热量包括显热和解吸热两部分，即Q二在冷却吸附过程中，吸附器的吸附作用使制冷剂蒸发而产生的冷量为基本型吸附式单元的COP，b为为提高吸附式制冷单元的COP，有必要采用回热循环，即两个吸附器交替运行。解吸终了、处于高温状态的吸附器开始吸附后，其显热和部分吸附热传递给换热流体而温度降低，过程如中曲线D―E―F所示。另一只处于解吸状态的吸附器从换热流体处得到热量而温度上升，过程如中曲线A―B―C所示。回热过程持续到两吸附器的温差Arr（Arr=rr2―rr，）达到最小为止。在回热型循环的加热解吸过程中，仅中所示的C一D阶段需要外部加入热量而在冷却吸附过程中产生的制冷量Qref，则与基本型循环相同。因此可节省加热量提高循环效率先由Qa-b-c=Qd-e-f求得2个吸附器的回热温度Tr1和Tr2，确定状态点C，计算循环加入热量Qh=Qc-D，进而求得COPlr.数值计算流程如下。
　　首先输入工作参数：解吸温度Tg、吸附温度ra、冷凝温度r（。、蒸发温度Te和回热温差3复叠式循环的制冷性能分析由式（5）可知，系统COP的提升主要取决于高温级COP，值。高温级COP，的大小不仅与自身的循环方式有关，也与Tg、ra、r（。和Te有关。以下对以13X沸石分子筛为吸附剂、水为制冷剂，高温级分别采用基本型和回热型循环时，吸附式单元COP2和系统COP随状态参数的变化情况进行了数值模拟和分析。
　　31解吸温度Tg对系统COP的影响假定当Ta= =5DC、△Tr=5°c时。如所示，相比于其他工质对，沸石一水吸附式单元的解吸温度较高。当Tg<最大值，5；随后COPr随Tg增加而降低。Tg为240-3，0，COP，r的变化范围约9%COPr的变化范围约，。52%.由此可见，在其他温度参数不变的情况下，解吸温度存在一个最佳值，解吸温度过高或过低都会降低吸附式单元的COP，r和系统的COPr.在相同的解吸温度下，基本型吸附式单元的COPb明显低于回热型吸附式单元的COPr其差值随解吸温度增加而扩大。Qr2由Qr，=Qr2迭代求得Tr，而Qh为32吸附温度Ta对系统COP的影响假定Tg=△Tr=5°C.由可见，在相同的吸附温度下，加入低温级吸收式单元的加热量为低温级吸收式单元的COP2为采用基本型吸附式单元的系统COPb明显低于采用回热型吸附式单元的系统COPr，其差值随吸附温度的提高而减小。吸附温度Ta增加将显著降低（1）在吸附一吸收复叠式三效制冷循环中，系度的增加而扩大。蒸发温度心厉将将会显提褓统COPs正谬i吸附式单元的CO1源温度也较低。因吸收式单元高压发生器浓溶液温度约160°Q考虑到传热温差，吸附温度应不小于可见，复叠式三效循环的构建，不仅应考虑吸附与吸收式单元间传热量的大小，还应考虑两个单元间温度参数的耦合。
　　3.3冷凝温度Tc对系统COP的影响°C、Te=5°C、ATr=5°C.如所示，在相同的冷凝温度下，采用基本型吸附式单元的系统COPb明显低于采用回热型吸附式单元的系统COPr其差值随冷凝温度增加而减小。Tc增加将显著降低COPr；当Tc=25°C时，COPr1.52；当Tc=60°C时，COPr1.27.较低的冷凝温度有利于提高COPr，但冷凝温度受到外界冷却水（风）温度的限制。
　　4蒸发温度Te对系统COP的影响°C、ATr=5°C.由所示，在相同的蒸发温度下，采用基本型吸附式单元的系统COPb明显低于采用回热型吸附式单元的系统COPr其差值随蒸发温影响较为敏感。较高的蒸发温度可以显著提高COPr但会因此降低冷源的品质，而当蒸发温度接近于0°C时，则冷剂水有冻结的危险。
　　3.5回热温差ATr对系统COP的影响°C、Te=5°C.由所示，回热温差ATr对COPr也会产生一定的影响。理想情况下，ATr=0°C时，COPr1.51；当ATr=30时，COPr1.46.ATr减小，则COPr增加，但传热能力减弱，回热时间长，系统的制冷量减少。所以，在设计中应当合理选取ATr.计算表明，以沸石一水为高温级吸附式单元的可达1.50，COPb约为的COP2.COP的提升主要取决于COPi.COPi与制冷工质对和循环方式有关。
　　回热型吸附式单元的COPir明显比基本型吸附式单元的COPib高。
　　吸收式单元的冷凝热量少、温度低，而难以被吸收式单元所用。而吸附热量多、温度高，可用以加热吸收式单元高压发生器内的溶液。
　　计算表明，采用回热型吸附式单元，系统的COPr可达1. 50以上；采用基本型吸附式单元，系统的COPb约1.42.在吸附一吸收复叠式三效制冷系统中，应考虑热能在系统中的多效利用，通过状态点热力参数的耦合与优化，从而获得工程上可行、热力性能优良的制冷系统。
　　符号说明COP性能系数Cpcpw―分别为吸附剂和制冷剂定压比热容，。
　　m吸附剂质量，kg qaqg――分别为单位质量制冷剂的吸附热、解吸热，W“kg―1 qfg制冷剂蒸发潜热，W〃kg T温度，C Ts――吸附床压力对应的饱和温度，°Cw最大吸附体积，m3 x――吸附量，Pw――制冷剂密度，kg°m3下角标a――吸附b――基本型吸附式单元c――冷凝状态蒸发状态g――解吸h――加热r回热型吸附式单兀r1r2――分别为解吸态、吸附态吸附器回热终了状态点s――饱和状态