吸收-压缩混合式制冷系统的设计与研究文献综述

 2022-10-23 10:09:12
  1. 文献综述(或调研报告):

目前的广泛应用的制冷方法,我们知道的有普通的蒸汽压缩循环制冷以及大型设备或工业场景中广泛应用的吸收式制冷(包括氨/水式以及溴化锂/水式)。这两种制冷方法首先从原理上讲是不同的,前者用压缩机提升制冷剂蒸汽的压力,后者通过外部热源的介入,提升制冷剂蒸汽的压力。一般来说二者是不会同时出现在同一个系统中的。然而,仅仅运用单一的压缩或吸收式制冷系统,我们通过实践经验发现, 是不经济的。仅仅使用压缩式会对电力资源造成较大的消耗,同时对于工业场景中产生的种种工业余热废热,不加以回收利用也是一种浪费。正如焦永刚在《余热回收型吸收式制冷循环优化研究》中所说,特别是在我国,能源消耗量巨大,同时能源利用率又很低,生产单位产品的能耗比发达国家高出50%-100%,能源的综合利用效率为30%左右,可见能源的浪费是巨大的,其中大量的热通过废热的形式白白浪费掉了,据统计,我国仅工业炉窑烟气每年排放的余热热值相当于4000万吨标准煤的热值。但是仅仅用余热废热驱动吸收式制冷又会存在余热废热不足以驱动其工作的情况存在。这就启发我们,应该寻找一种方法让压缩式和吸收式制冷系统互相耦合共同配合工作,补足另一种不足的地方。

我们知道,制冷系统除了机械机构之外还有一个非常重要的部分就是制冷剂工质。压缩式制冷系统常用的工质是HCFC类物质,吸收式制冷系统常用的有溴化锂或氨水。他们虽然被广泛应用但是却存在着不可忽略的缺点,首先HCFC类物质有的会存在GWP和ODP,即会对大气层的臭氧层造成损坏亦或者造成温室效应,而对于吸收式,首先,氨水,它本身是一种具有毒性的物质,一旦泄露会对人造成伤害,并且遇明火爆炸;其次,溴化锂系统,对系统中的重要组成部件——铜部件,有强腐蚀性。并且这两者不适合对于低品位的热源的应用。所以我们必须寻找新的制冷剂工质对——既满足压缩系统又可以利用低品位热源来驱动吸收式系统的工质对。

另外,系统的结构设计也是非常重要的一个部分,如何能让两类不同的制冷系统良好的耦合工作并且满足经济性安全性要求也是我们必须考虑的一个重要的问题。

在调研过程中我研读了许多相关文献,接下来将根据几个关键问题阐述这些学者们的观点以及我的理解和带给我的启发。

  1. 关于制冷剂工质的选择

卞宜峰等在《吸收式制冷工质对的研究进展》中提出吸收式制冷系统的制冷剂工质必须

拥有以下特质:1)制冷剂具有较高的蒸发潜热以及合适的工作压力范围;2)吸收剂的粘度、比热较小,吸收制冷剂的能力很强,在相同的压力下,制冷剂的沸点温度远远低于吸收剂的沸点温度;3)制冷剂和吸收剂都有很高的化学稳定性,无燃烧、爆炸危险,对人体和环境好,且价格便宜、易获得;4)制冷剂在吸收剂中具有较高的溶解度、较低的混合热和比热容。

贾炯等在《基于R124/DMAC为工质的压缩吸收式制冷系统的性能分析》中提到了R124a/DMAC的应用,一些研究人员对使用新型制冷剂在吸收式制冷系统中的性能进行了研究,发现用R23或R134a作为制冷剂,二甲基甲酰胺(DMF)作为吸收剂时在吸收式制冷系统中具有可行性。ROY等研究了使用R134a/DMAC(二甲基乙酰胺)作为制冷工质对时吸收式制冷系统的性能,发现系统可以利用80℃以下的热源进行制冷;EZZINE等研究了利用太阳能驱动单效吸收式制冷系统、R124/DMAC作为制冷工质对时具有可行性;徐士鸣等搭建了试验台测试了R124/DMAC作为制冷剂时系统的影响因素,发现系统的最大COP可达0.54。

在该文中贾炯等还提到在单效吸收式制冷系统中使用新型制冷剂时的发生温度为90~160℃,但发生温度小于100℃时的系统COP较低;传统氨/水吸收式制冷系统发生压力高,并且系统腐蚀性大,系统的使用期限短,所需热源温度较高。综上,无论使用新型制冷剂还是改良传统氨吸收式制冷系统均不能有效利用100℃以下的工业余热。

  1. 关于系统部件

首先,关于单效吸收式制冷系统,贾炯等在《基于R124/DMAC为工质的压缩吸收式制冷系统的性能分析》中提到,GAX,即热交换器可以提高氨水系统的cop,GAX多被置于吸收器和发生器中间,吸收器中被泵送到发生器的浓溶液和发生器中返回吸收器的稀溶液进行热交换。

  1. Jelinek等在《Performance of a triple-pressure level absorption/compression cycle》中提到,为了提高三压吸收式循环的优点,喷射器被替代为一个压缩机以及混合器。压缩机被布置在蒸发器和吸收器中间的过热蒸汽管道线上。这一点相比之前的系统也是一个创新点。这样的改变降低了对发生器中驱动热源的温度要求,提升了cop,并且可以使热交换器的尺寸进一步缩小。唯一的不足是增大了系统的电能消耗。这是增加电驱动部件所不可避免的。
  2. 关于余热利用与系统整体设计

蒋皓波等在《一个柴油机驱动的复合制冷循环》中以柴油机为载体创新性的将柴油机的排气废热和缸套水的热量也作为驱动热来驱动吸收式制冷,即有三种热源参与到吸收式制冷中:有效功,废气热以及缸套水热。经过分析此种方式比普通压缩式直燃式吸收循环能效比分别提高了19%和58%。减少了能量的损失,提高了一次能源利用率。

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