太陽(yáng)能驅動(dòng)的單壓制冷系統熱力性能靜態(tài)分析

　　提出了與太陽(yáng)能熱利用結合的單壓吸收式制冷循環(huán)系統，對該系統部件進(jìn)行了熱力性能設計計算并分析了系統的可行性。針對不同的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和發(fā)生溫度對系統COP的影響進(jìn)行分析，得出相應影響曲線(xiàn)。分析結果表明:系統理論可行，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的COP，但提高具有局限性，并展望提高系統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(yáng)能以及對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。整個(gè)系統沒(méi)有任何運動(dòng)部件，運行時(shí)無(wú)振動(dòng)和噪聲，適合于對噪聲要求嚴格的小型化制冷場(chǎng)所;結構簡(jiǎn)單，使用壽命長(cháng)，運轉可靠，初投資少;對能源的適應性強，可采用低品位能源、太陽(yáng)能等驅動(dòng)，引起許多學(xué)者關(guān)注。

　　單壓吸收式制冷包括擴散吸收式制冷和愛(ài)因斯坦制冷循環(huán)2種形式。擴散吸收式制冷從20世紀30年代到40年代中葉在家用冰箱領(lǐng)域得到了廣泛應用，到20世紀40年代，由于蒸汽壓縮式制冷體現出的高能效、大制冷量等優(yōu)點(diǎn)，擴散吸收制冷逐漸被蒸汽壓縮式制冷所取代。后來(lái)愛(ài)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)。其驅動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源可來(lái)自低品位熱能，太陽(yáng)能，廢棄能源的利用率提高，節能環(huán)保。對解決當今環(huán)境和能源問(wèn)題具有重大意義。

2、太陽(yáng)能間接驅動(dòng)單壓吸收式制冷

2.1、系統循環(huán)原理

　　圖1所示是太陽(yáng)能間接驅動(dòng)的單壓吸收式制冷原理圖。真空技術(shù)網(wǎng)(likelearn.cn)認為其工作原理主要由太陽(yáng)能集熱器與單壓吸收式制冷循環(huán)系統結合而成，使用太陽(yáng)能集熱器代替單壓吸收式制冷中的加熱裝置，通過(guò)集熱器將太陽(yáng)能轉化成熱能間接加熱發(fā)生器內的溶液，通過(guò)集熱器附加的蓄能加熱裝置，彌補了太陽(yáng)能不穩定性對系統造成的影響，擴大了其實(shí)用性。

圖1 太陽(yáng)能驅動(dòng)單壓制冷循環(huán)1～12.管路編號

　　單壓系統中以氨-正丁烷-水為循環(huán)工質(zhì)，太陽(yáng)能系統以乙二醇和水混合溶液為工質(zhì)。太陽(yáng)光射到太陽(yáng)能集熱器PTC表面，集熱器將太陽(yáng)能轉化成熱能用來(lái)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(lái)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/預冷器后通入蒸發(fā)器中，使蒸發(fā)器內制冷劑正丁烷產(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(lái)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(lái)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、系統部件熱力計算分析

　　2.2.1、系統運行初始參數確定

　　初始運行參數包括:系統壓力、蒸發(fā)溫度、設計冷量、發(fā)生溫度和冷凝溫度等。系統的運行壓力控制在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，該溫度即為系統的最低蒸發(fā)溫度。

　　分析得知在系統運行壓力0.4MPa下，冷凝溫度為317K。結合吸收式制冷太陽(yáng)能集熱器所提供最高溫度為155℃左右，可選擇發(fā)生溫度373K。該系統主要運用于空調系統，根據單壓吸收式制冷運行參數，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性能的靜態(tài)影響�？蛇x擇設計的制冷量為6kW，這樣可以滿(mǎn)足30～45m2空間家用空調制冷;文中使用的氨水濃度為38%。

4、結語(yǔ)

　　本文提出了太陽(yáng)能間接驅動(dòng)的單壓吸收式制冷系統，并圍繞蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和發(fā)生溫度對該系統COP影響進(jìn)行熱力性能計算分析，結果表明:該系統理論可行，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的COP，但提高具有局限性。蒸發(fā)溫度高大16℃時(shí)，制冷系數只有0.23左右。綜上所述，若要從根本上提高系統COP，需要通過(guò)對換熱器部件的強化，全面考慮系統傳熱傳質(zhì)的阻力損失，各部件的合理設計和運行匹配性協(xié)同性調節，以及尋找新工質(zhì)對等方法來(lái)實(shí)現，為后續提高系統性能系數研究提供了指導方向，對太陽(yáng)能驅動(dòng)的單壓吸收式制冷系統的設計研究具有重要意義。