太陽能驅(qū)動的單壓制冷系統(tǒng)熱力性能靜態(tài)分析

　　提出了與太陽能熱利用結(jié)合的單壓吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)部件進(jìn)行了熱力性能設(shè)計(jì)計(jì)算并分析了系統(tǒng)的可行性。針對不同的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和發(fā)生溫度對系統(tǒng)COP的影響進(jìn)行分析，得出相應(yīng)影響曲線。分析結(jié)果表明:系統(tǒng)理論可行，但總COP較低;提高蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和發(fā)生溫度均有利于提高系統(tǒng)的COP，但提高具有局限性，并展望提高系統(tǒng)COP的研究方向。

1、引言

　　單壓吸收式制冷因其可利用低品位熱源和太陽能以及對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的關(guān)注。整個(gè)系統(tǒng)沒有任何運(yùn)動部件，運(yùn)行時(shí)無振動和噪聲，適合于對噪聲要求嚴(yán)格的小型化制冷場所;結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，初投資少;對能源的適應(yīng)性強(qiáng)，可采用低品位能源、太陽能等驅(qū)動，引起許多學(xué)者關(guān)注。

　　單壓吸收式制冷包括擴(kuò)散吸收式制冷和愛因斯坦制冷循環(huán)2種形式。擴(kuò)散吸收式制冷從20世紀(jì)30年代到40年代中葉在家用冰箱領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，到20世紀(jì)40年代，由于蒸汽壓縮式制冷體現(xiàn)出的高能效、大制冷量等優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)散吸收制冷逐漸被蒸汽壓縮式制冷所取代。后來愛因斯坦等提出的單壓吸收制冷循環(huán)，是一種使用丁烷為制冷劑、水為吸收劑、氨為壓力平衡劑的制冷循環(huán)。其驅(qū)動的動力來源可來自低品位熱能，太陽能，廢棄能源的利用率提高，節(jié)能環(huán)保。對解決當(dāng)今環(huán)境和能源問題具有重大意義。

2、太陽能間接驅(qū)動單壓吸收式制冷

2.1、系統(tǒng)循環(huán)原理

　　圖1所示是太陽能間接驅(qū)動的單壓吸收式制冷原理圖。真空技術(shù)網(wǎng)(m.genius-power.com)認(rèn)為其工作原理主要由太陽能集熱器與單壓吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合而成，使用太陽能集熱器代替單壓吸收式制冷中的加熱裝置，通過集熱器將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能間接加熱發(fā)生器內(nèi)的溶液，通過集熱器附加的蓄能加熱裝置，彌補(bǔ)了太陽能不穩(wěn)定性對系統(tǒng)造成的影響，擴(kuò)大了其實(shí)用性。

圖1 太陽能驅(qū)動單壓制冷循環(huán)1～12.管路編號

　　單壓系統(tǒng)中以氨-正丁烷-水為循環(huán)工質(zhì)，太陽能系統(tǒng)以乙二醇和水混合溶液為工質(zhì)。太陽光射到太陽能集熱器PTC表面，集熱器將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能用來加熱蓄能加熱裝置中水和乙二醇混合溶液，蓄能加熱裝置中熱能加熱發(fā)生器中氨水溶液，溶液受熱后產(chǎn)生氣泡且密度減小，產(chǎn)生一個(gè)上浮力來將溶液提升到氣液分離器，在氣液分離器中，氨氣由管3流經(jīng)精餾器/預(yù)冷器后通入蒸發(fā)器中，使蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑正丁烷產(chǎn)生相變。氨氣與產(chǎn)生的正丁烷氣體一同經(jīng)管11進(jìn)入冷凝/吸收器，在其中被管4噴淋下來的稀氨水吸收變成濃氨水溶液，沉在冷凝/吸收器底部，經(jīng)管7、12進(jìn)入發(fā)生器中，然后被來自集熱器的熱能加熱，氨水以氣液兩相流的形式進(jìn)入氣液分離器中;從氣液分離器經(jīng)管5流下的稀氨水溶液在冷凝/吸收器中噴淋，形成濃氨水進(jìn)入低位儲液器，形成了水的循環(huán);蒸發(fā)器中正丁烷相變成為氣體，與氨氣一起經(jīng)管11進(jìn)入冷凝/吸收器，被冷凝成為液體丁烷，浮在冷凝/吸收器上部，經(jīng)管8、9再回到蒸發(fā)器，完成正丁烷的循環(huán)。

2.2、系統(tǒng)部件熱力計(jì)算分析

　　2.2.1、系統(tǒng)運(yùn)行初始參數(shù)確定

　　初始運(yùn)行參數(shù)包括:系統(tǒng)壓力、蒸發(fā)溫度、設(shè)計(jì)冷量、發(fā)生溫度和冷凝溫度等。系統(tǒng)的運(yùn)行壓力控制在0.4MPa�；�于Patel-Teja狀態(tài)方程得到0.4MPa下NH3-H2O工質(zhì)對相圖和0.4MPa壓力下NH3-C4H10混合工質(zhì)的相平衡圖，分別如圖2，3所示。

圖2 0.4MPa壓力下NH3-H2O工質(zhì)對的相圖

圖3 0.4MPa壓力下NH3-C4H10混合工質(zhì)的相圖

　　L.液體;V.氣體;1.丁烷;2.氨由圖3分析得氨最高的冷凝溫度為316K，氨氣能被吸收劑完全吸收，制冷劑正丁烷能夠被冷卻水完全冷凝。由圖還得知，NH3-C4H10二元工質(zhì)的共沸點(diǎn)為267K，該溫度即為系統(tǒng)的最低蒸發(fā)溫度。

　　分析得知在系統(tǒng)運(yùn)行壓力0.4MPa下，冷凝溫度為317K。結(jié)合吸收式制冷太陽能集熱器所提供最高溫度為155℃左右，可選擇發(fā)生溫度373K。該系統(tǒng)主要運(yùn)用于空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)單壓吸收式制冷運(yùn)行參數(shù)，可選擇蒸發(fā)溫度為282K，后面將分析不同蒸發(fā)溫度、不同冷凝溫度對系統(tǒng)性能的靜態(tài)影響�？蛇x擇設(shè)計(jì)的制冷量為6kW，這樣可以滿足30～45m2空間家用空調(diào)制冷;文中使用的氨水濃度為38%。

4、結(jié)語

　　本文提出了太陽能間接驅(qū)動的單壓吸收式制冷系統(tǒng)，并圍繞蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和發(fā)生溫度對該系統(tǒng)COP影響進(jìn)行熱力性能計(jì)算分析，結(jié)果表明:該系統(tǒng)理論可行，但總COP較低。提高蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和發(fā)生溫度均有利于提高系統(tǒng)的COP，但提高具有局限性。蒸發(fā)溫度高大16℃時(shí)，制冷系數(shù)只有0.23左右。綜上所述，若要從根本上提高系統(tǒng)COP，需要通過對換熱器部件的強(qiáng)化，全面考慮系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)的阻力損失，各部件的合理設(shè)計(jì)和運(yùn)行匹配性協(xié)同性調(diào)節(jié)，以及尋找新工質(zhì)對等方法來實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)提高系統(tǒng)性能系數(shù)研究提供了指導(dǎo)方向，對太陽能驅(qū)動的單壓吸收式制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究具有重要意義。