1、2009 年第 28 卷增刊 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 459化 工 进 展低温余热驱动的氨吸收 /压缩联合制冷循环的热力性能分析 赵宗昌，张晓冬（大连理工大学化工学院，辽宁 大连 116012） 摘 要： 提出了以低温余热为驱动热源的氨吸收 /压缩联合制冷循环过程，根据 Schulz 所建立的氨水溶液的热力学性质方程，对此循环过程的热力性能进行了模拟计算。分析考察了蒸发温度、压缩比、放气范围等参量对系统的制冷系数，发生温度和循环倍率的影响规律。结果表明，与单级氨吸收制冷相比，在同样的蒸发温度下，氨吸收 /压缩联合制冷循环过程可以显著
2、降低热源温度，为有效利用低温位余热进行制冷提供了一种有效的方法。 关键词： 吸收 /压缩制冷；氨水；低温位余热；性能模拟 目前，石油化工中存在大量低温位余热，由于其温位较低， 不能直接被生产工艺过程所直接利用，通常被排放到环境中 （循环水或大气中） ， 从而造成能量的巨大浪费。与此同时，工艺过程中很多单元过程则需要对物料或产品进行冷却或冷冻，需要大量不同温位的冷量。目前，制取这些冷量多采用机械压缩制冷的方式， 从而耗费了大量高品质的电能。吸收制冷是利用热能驱动进行制冷循环的。在吸收式制冷技术中，氨是最早被使用的制冷剂之一，有其独特的热力性质。氨的标准沸点为 33.4，在常用制冷温度下，制冷机的
3、低压部分的压力保持在大气压力上下。氨的凝固点为 77.7，因此一般认为它的制冷温度可低至 46。氨的气化潜热很大，在常用的蒸发温度下达 1300 kJ/kg，约为 R22的 7 倍。此外，氨的价格低廉，容易获得。 氨有着其它工质不可取代的作用，在蒸发温度低于 0的情况下，它是唯一实用的制冷剂。水与氨能够完全互溶，在制冷机的工作温度和压力范围内没有结晶析出。 单级氨吸收制冷需要热源温度较高（如蒸发温度为 20时，热源温度为 140以上） ，所以通常需要温度和压力都很高的动力蒸汽进行驱动。由于单级氨吸收制冷其性能系数较低 （ 0.45 左右） ， 所以在过去很长一段时间里，氨吸收制冷逐渐被氨压缩制
4、冷所替代。近年来由于能源价格的提高以及节能减排的实际需要，探索利用低温位工业余热进行制冷的技术，受到人们的广泛关注。许多研究者对两级或类似两级的氨吸收制冷循环进行了研究1-2， 但两级氨吸收制冷所需设备以及设备的投资费用是单级氨吸收制冷的两倍，同时性能系数较低（ 0.25 左右） 。为了降低热源温度，本文提出了吸收 /压缩联合制冷流程，并根据 Schulz 所建立的氨水溶液的热 52a32466a7 84a8a精馏塔氨水泵吸收器冷凝器过冷却器蒸发器压缩机91图 1 氨吸收 /压缩联合制冷循环 力学性质方程对其循环性能进行模拟分析。 1 氨吸收 /压缩联合制冷循环的构成及其特点 氨吸收 /压缩联
5、合制冷循环是由发生器、精馏塔、吸收器、冷凝器、过冷器、蒸发器、溶液换热器、氨水泵和压缩机所构成。与单级氨吸收制冷的区别是在蒸发器和吸收器之间添加了氨压缩机。 氨吸收 /压缩联合制冷循环的特点是，由于氨压缩机的增压作用提高了吸收器的吸收压力和浓氨水溶液的浓度，提高了发生器中稀溶液的浓度，从而有效降低了发生器的发生温度。 对于生产装置中目前正在使用压缩机进行制冷， 同时又有一定温位的工业余热可以利用的场合，采用这种循环，可以利用工业余热作为驱动热源， 同时有效降低了压缩机的压缩比，降低了压缩机的用电负荷，具有节能降耗的作用。 2 循环过程的热力性能分析 循环过程的热力性能与其循环工质的热力学性化
6、工 进 展 2009 年第 28 卷 460质密切相关。为了对其性能进行分析，需要给出氨水溶液的热力学性质方程。 2.1 氨水溶液的热力学性质方程 1973 年舒尔茨3发表了温度范围为 73 177 ，压力范围为 0.9807 kPa 2.452 MPa（绝压）的氨以及氨水溶液的吉布斯自由能表达式，在此基础上，利用热力学基本关系式可以获得氨水体系的相平衡状态方程式和焓浓关系式3 5。 2.1.1 纯组分状态方程 气相： 00gpRgg g gRo o pR1o2 oooo32o0ln()() ()( 2 ) (1)CGH S Cd dCCC =+ +式中 g2pR 1 2 3CDDD =+ +
7、 液相： 00fpRff f fRo o pR221o223o4 odd() ( )/2( ) ( ) (2)oCGH S CAA =+ + + 其中fpR 1 2CBB=+ 2.1.2 混合物状态方程 气相： 23gggRm RH O RNH(1 )(1 )ln(1 ) ln (3)GyGyGyyyy= + +液相： 23fffRm RH O RNHeR(1 )(1 )ln(1 ) ln (4)GxGxGxxxxG= + + +其中 e2 2R1232345 67 82910 1 1213214 15 16()()/()/(2 1) ( )/ (2 1) ( / )GxxFFFFF FF F
8、xFF F FFxFFF = + + + + + + + + + +上述方程中， /bTT = ；b/PP = ； R m m b PR Pm m/( ), /GGRTC CR= 其中 Tb=100 k， Pb=1 MPa， Rm=8.314 J/mol K。x 为液相中氨的摩尔分数， y 为气相中氨的摩尔分数。 上角标： g气相， f液相， e过剩性质。下角标： R对比值， m混合物或摩尔量方程中的系数参见文献4-5。 2.1.3 氨水混合物的焓 3R,H O2gg gRm Rm RmgR,NH(1 ) (5)HG SyH yH=+= +R23Rff fRm Rm RmeffeR,H O R
9、,NH(1 ) (6)HG SGxH xH G=+= + + 2.1.4 氨水溶液相平衡关系式 2233HOeeRR HOeeRRNHNH1( , , ) exp ln(1 )(/) 1exp ln (1 )( / ) 1 0 (7)fRgRfRgRfpTx G xGxGx GGxGxGxG=+ +=,3eReR NH1(,) exp ln(1 )( / ) 0 (8)gRfpTy G x GxG x G y=+ =3fRnh, 当纯氨气液平衡时， x = 1， y=1，而纯水气液平衡时， x=0， y=0。从式（ 7 8）可得纯氨或纯水的气液平衡方程式。 33NH NH( , ) 0 (9)
10、fgRRfpT G G= 22HO HO( , ) 0 (10)ffRRfpT G G= 2.2 循环过程的性能分析 为了模拟系统的热力学性质，基本假设如下离开精馏塔发生器，吸收器和冷凝器的液体为饱和液体， 没有过冷和过热； 压缩机为等熵压缩过程，效率取 0.7； 忽略管路和设备内的流体压降； 溶液热交换器的冷热流体间最小传热温差为 10 。 为计算方便，取第 5 流股的流量为 1 kg/s 作为计算基准。 通过建立系统各个组成部分的物料平衡、能量平衡和相平衡方程，可以获得各个流股的流量，组成，温度，压力以及焓值，在此基础上可以得到各个设备的热负荷量。 系统的性能系数定义为： EGS(11)/
11、(0.7 0.3)QCOPQN=+这里 0.3 为热电转换效率， QE， QG为蒸发器和精馏塔再生器的热负荷， kW， NS为压缩机的理论功耗， kW 循环倍率定义为： 15FFRF= (12) 这里 F1， F5为第 1 和第 5 股物流的质量流量，kg/s。 图 2图 4 给出了在冷凝温度和吸收温度均为tA=tC=40，放气范围 x=x 浓 x 稀 =0.06 条件下，压缩比 对精馏塔的发生温度 tG，循环倍率 FR，制冷系数 COP 的影响规律。 由图可见，随着 的增 增刊 赵宗昌等：低温余热驱动的氨吸收 /压缩联合制冷循环的热力性能分析 461406080100120140160180
12、0 2 4 6 8压缩比 tE= 20tE= 30tE= 40发生温度tG/图 2 发生温度随压缩比的变化 4812160 1 2 3 4 5 6 7压缩比 循环倍率FRtE= 20tE= 30tE= 40图 3 循环倍率随压缩比的变化 0.20.30.40.50 1 2 3 4 5 6 7压缩比 性能系数COPtE= 20 tE= 30 tE= 40 图 4 性能系数随压缩比的变化 加， tG、 FR 以及 COP 都逐渐降低。当蒸发温度 tE为 30 ，压缩比为 5.0 时，发生温度 tG=87 ，如果发生器的传热温度差取 10 ， 则 97 以上温位的余热即可满足要求，而如果采用单级氨吸
13、收制冷， 则热源温度要在 152.8以上。 由图还可以看到，蒸发温度越高，所需热源温度越低，当蒸发温度为 20 ，压缩比为 5.0 时，发生温度 tG=66 ，则76 以上的余热即可满足要求。所以氨吸收 /压缩联合制冷循环可以有效降低加热热源温度，在许多场合下，都有其应用的可能性。 图 5图 7 给出了在冷凝温度和吸收温度均为 tA=tC=40，压缩比 =5.0 条件下，放气范围x=x 浓 -x 稀 对 tG， FR 以及 COP 的影响规律。由图可见，放气范围越大，发生温度越高，性能系数越大，而循环倍率越小。 204060801001201400.02 0.04 0.06 0.08 0.1
14、0.12 0.14放气范围 x 发生温度tG/tE= 20 tE= 30 tE= 40 图 5 发生温度随放气范围的变化 2468101214160.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14放气范围 x 循环倍率FRtE= 20 tE= 30 tE= 40 图 6 循环倍率随放气范围的变化 0.20.30.40.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14放气范围 x 性能系数COPtE= 20 tE= 30 tE= 40 图 7 性能系数随放气范围的变化 3 结 论 通过以上分析，可以得出以下结论。 （ 1） 制冷温度越高或压缩比越大， 则热源温度越低
15、。 （ 2）放气范围越大，循环倍率越小，性能系数越高，但热源温度越高。 （ 3）氨吸收 /压缩联合制冷循环可以较大幅度降低加热热源温度，在许多场合下，可以利用工业化 工 进 展 2009 年第 28 卷 462余热作为加热热源，既回收利用了工业余热，又可以制备较低温位的冷量， 具有重要的节能减排功效。 参 考 文 献 1 袁竹林， 杨思文 . 双级氨吸收制冷数学模型及对中间压力的研究 J.东南大学学报， 1996， 26(2)： 38-43. 2 苏晓群，林贵平 .双级氨 -水吸收制冷循环分析 J. 北京航空航天大学学报， 1997， 23(5)： 556-559. 3 Schulz S G
16、C. Equation of state for the system ammonia-water for use with computersC. Proceedings of 13th International congress of Refrigeration， 1973， 2： 431-436. 4 杨思文 . 氨水吸收式制冷机的基础理论和设计 J.流体工程， 1991（ 1） ： 53-58. 5 徐士鸣，袁一 . NH3/H2O 溶液热力学系数表达式的推倒与程序编制J. 流体机械， 1995（ 2） ： 55-59. 第一作者简介： 赵宗昌（ 1955），男，教授。 E mail 。
