用于深度冷冻的自行复叠吸收制冷循环理论研究

    0 引 言

    吸收式制冷机既可由太阳能、地热、工业废热等低品位热源驱动,又可避免使用对大气臭氧层有破坏作用的CFCs类制冷剂,在环保、节能型制冷、空调等产品的开发中有巨大的潜力。但传统吸收式制冷机的蒸发温度不低是吸收制冷的一个突出缺陷。Thioye[1]和Berlitz[2]对吸收制冷机的实验结果表明了这一点。制冷温度高大大地限制了吸收制冷的应用范围,尤其在既有大量热能又需冷冻的场合,例如在制药、食品加工等行业或在太阳能、地热能富集的地区,一方面大量热能白白浪费掉,另一方面又要消耗电能用于制冷使电力供应更加紧张。显然,降低吸收制冷的蒸发温度很有实用意义。

    为了获得较低的制冷温度,早在1959年前苏联A.P.Kleemenko[3]就在液化天然气的流程中采用了压缩机驱动的自行复叠循环(Auto Cascade Refriger-ation Cycle)。从1982年起, W. A. Little等对Kleemenko的此类制冷循环进行了一系列研究,已经获得低于120K的制冷温度[4]。近年来,中国科学院[5]和浙江大学[6]的研究都表明,这类循环能够获得较低的制冷温度。本文试图将自行复叠式循环与吸收式制冷循环结合起来,采用环保无公害的R23和R134a非共沸混合物作为制冷剂,DMF(二甲基甲酰胺)为吸收剂,以达到利用低品位热能获得较低制冷温度的目的。

    1 流程结构

    本文研究的自行复叠式吸收制冷循环系统如图1所示。从发生器中逸出的混合制冷剂(R23+R134a)先进入冷凝器被冷凝,然后经节流阀2节流进入汽液分离器。经汽液分离器分离后,液相制冷剂(大部分是高沸点的制冷剂R134a)经节流阀3一级节流后进入冷凝蒸发器蒸发并冷凝从汽液分离器分离出来的汽相制冷剂(主要是低沸点的制冷剂R23与少量高沸点的制冷剂R134a),最后进入吸收器被吸收。在冷凝蒸发器中被冷凝的汽相制冷剂经过回热器被从蒸发器出来的低温制冷剂进一步冷却,然后由节流阀4经二级节流进入蒸发器蒸发制冷,最后也进入吸收器被吸收。溶液循环与传统的单效吸收制冷循环(如图2)相同。

    2 新循环与传统循环最低制冷温度的比较分析

    本文在给定了相同的外部加热温度、冷却水和冷冻液的温度及一定的设计温差后,求出系统的发生温度(Tg),冷凝温度(Tk),吸收温度(Ta),然后由这些参数可求得最低制冷温度、系统的性能系数(COP)等系统参数,分别对新循环(如图1)和传统循环(如图2)的最低制冷温度及性能系数进行了计算和比较分析。给定的设计状态点为:Tg=140℃,Tk=35℃,Ta=30℃点,冷凝终温T3=30℃,溶液热交换器的小端温差(即换热器两端流体温差较小的那端的温差)为8℃。新循环3、4点间的节流压差DP=100kPa,冷凝蒸发器、蒸发器前换热器的小端温差都为3℃。