吸收式制冷用氨_硝酸鋰工質(zhì)對及循環(huán)系統(tǒng)的研究

1、低溫與超導第35卷第1期制冷技術Cryo.&Supercond.吸收式制冷用氨-硝酸鋰工質(zhì)對及循環(huán)系統(tǒng)的研究靳華棟,孫淑鳳,王立(北京科技大學機械工程學院,北京100083)摘要:氨-硝酸鋰作為新型吸收式制冷工質(zhì)對有很多突出優(yōu)點,但有關其熱物理性質(zhì)及循環(huán)系統(tǒng)的研究資料比較少。文中詳細介紹了氨-硝酸鋰吸收式制冷工質(zhì)對的特點、熱力學性質(zhì)以及目前國內(nèi)外對此工質(zhì)對的研究進展,并提出利用此工質(zhì)對的一種吸收壓縮混合循環(huán)系統(tǒng)。利用此系統(tǒng),可將總效率提高10%,具有較好的經(jīng)濟性。關鍵詞:吸收式制冷;氨/硝酸鋰;熱物性;經(jīng)濟性ThestudyofAmmonia-LithiumNitrateMixturesand

2、absorptionrefrigerationcycleJinHuadong,SunShufeng,WangLi(SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:Althoughammonia-lithiumnitratemixturesforabsorptionrefrigerationcyclehasitsuniquethermodynamicprop2ertiesofAmmonia-LithiumNitrateMixturesandther

3、esearchonabsorptionrefrigeratiamnitratemixturesarelack.Inthispaper,thethermodynamicpropertiesofammonia-lithiump.nitrateabsorptionrefrigerationsystemcombinedwithmechanicalvapourcompressioninpnitispossibletoachieveuptoa10%increaseinoverallefficiencyusingcombinedabsorptions.Keywords:Absorptionrefrigera

4、tion,micproperty,Economicalefficiency1前言自上世紀30年代初氟利昂被用作制冷劑以來,R11、R12、R22、R114等一直被認為是理想的工質(zhì),因為它們無毒、無臭、不可燃,對金屬幾乎無腐蝕作用,而物理性質(zhì)又能相當好地滿足熱力循環(huán)的需求。但是自1974年發(fā)現(xiàn)氟利昂中氯元素(以及溴元素)能與臭氧結成氯的氧化物,并由此導致地球周圍的臭氧層衰減以來,人們對這些工質(zhì)的應用產(chǎn)生了疑慮。因為臭氧層能吸收從太陽輻射到地球的紫外線,臭氧層的衰減被認為可能導致人類皮膚癌的增加以及地球的溫室效應。1987年的“蒙特利爾協(xié)定”和1997年的“京都議定書”,都對氟利昂的使用提出了限制

5、,乃至除部分用途外,禁止使用。尋求替代物質(zhì)的工作刻不容緩,一些工業(yè)發(fā)達的國家已相繼決定提前結束使用上述物質(zhì)。吸收式制冷系統(tǒng)是解決由于使用氟利昂而引起的一系列環(huán)境問題的有效途徑之一,同時吸收式制冷系統(tǒng)還具有可使用低溫熱源作為動力等優(yōu)點。目前常用的吸收式制冷機主要有氨-水吸收式與溴化鋰-水吸收式兩種。氨-水吸收式制冷機以氨為收稿日期:2006-08-24制冷劑,以水為吸收劑,可以實現(xiàn)0以下的溫度,但氨工質(zhì)有刺激性氣味,氨水溶液對有色金屬材料(除磷青銅外)有腐蝕作用,且由于氨和水在相同壓力下的氣化溫度比較接近(例如在一個標準大氣壓力,氨與水的沸點分別為-33.4和100,兩者僅相差133.4),因而

6、必須使用精餾設備。溴化鋰-水吸收式制冷機以溴化鋰為吸收劑,水為制冷劑,一般只能制取5以上的溫度,且需要保持真空狀態(tài),其結晶問題以及腐蝕問題也為制冷系統(tǒng)的運行與維護帶來很大的問題。為解決氨-水吸收式與溴化鋰-水吸收式的不足,近年來國內(nèi)外對許多新的吸收式制冷工質(zhì)對進行了研究和探討,氨-硝酸鋰(NH3-LiNO3)就是其中的一種。它具有我們所期望的特點:較高的溶解度、較低的蒸汽壓和粘滯性、較高的熱導率和汽化熱以及對鋼材的無腐蝕性。硝酸鋰是一種鹽,由于它的沸點與氨相差較大,因此由它們所組成的溶液在蒸發(fā)時硝酸鋰是不揮發(fā)的。這就保證了進入冷凝器和蒸發(fā)器的制冷工質(zhì)的純潔性,無須像氨水系統(tǒng)那樣需要考慮它的精餾

7、提純問題。因而,在循環(huán)效率中也就不存在精餾效率問題。同時,因采用氨做制冷劑可制取0以下的溫度,且不需考慮真空問題。這樣就避免了氨1作者簡介:靳華棟(1979-),男,碩士研究生,從事吸收式制冷技術的研究。66第1期制冷技術Refrigeration-水吸收式與溴化鋰-水吸收式的一些缺陷。DA-WenSun對氨-水、氨-硝酸鋰、氨-硫氰液有限的P-T-x數(shù)據(jù)7,Aggarwal通過實驗測定了酸鈉在吸收式制冷系統(tǒng)中的實際性能進行了實驗比較,結果表明氨-硝酸鋰與氨-硫氰酸鈉的實際性能接近,氨-硝酸鋰比氨-硫氰酸鈉COP略高,兩者比2氨-水的COP要高很多,而且不必使用精餾設備。M.Venegas等通

8、過對兩級及多級吸收式系統(tǒng)進行濃度為0-70%的LiNO3,溫度范圍在-25156,壓力達22bar時LiNO3-NH3混合物的P-T-x數(shù)據(jù),涵蓋了整個可供使用范圍內(nèi)的LiNO3-NH3蒸汽壓力、溫度及成份等熱力學物性數(shù)據(jù)。C.A.InfanteFerreira給出的LiNO3-NH3系統(tǒng)的焓-濃度圖如圖1所示,理論計算時可利用該圖直接查數(shù)據(jù)。8了模擬仿真也得出了類似結果。由KimDS再版的2002年國際吸收式熱泵論文集中空冷式太陽能吸收式制冷系統(tǒng)評估一文也得出在這些工質(zhì)對中,氨4-硝酸鋰的結果最好。32氨-硝酸鋰混合物的性質(zhì)2.1基本物理性質(zhì)硝酸鋰:分子量為68.946,呈無色六方晶體或白3

9、色粉末,密度2380kg/m,熔點264,加熱至600時分解。硝酸鋰易溶于水、乙醇、液氨(25時可溶解243.7g硝酸鋰),性;,解?；鸺七M劑、煙火制造的氧化劑、抗靜電劑、冶金工業(yè)中的熔鹽組分等,也用于熒光體的制造6同溫度下硝酸鋰的粘度。5圖1氨-硝酸鋰系統(tǒng)的焓-濃度圖Fig.1Enthalpy-concentrationdiagramforthesystemNH3-LiNO3由于氨-硝酸鋰屬于新型工質(zhì)對,其各種熱力學參數(shù)還很不完善,C.A.InfanteFerreira及DA-WenSun都給出了類似的經(jīng)驗公式2,9。表1給出了不如下:(1)3表1硝酸鋰溫度與粘度關系Tab.1Temper

10、atureandviscosityrelationshipoflithiumnitrate壓力:1nP=A+(B/T)式中:A=16.29+3.859(1-x),3B=-2802-4192(1-x)密度:(T,x)=2046.222-1409.653x-1.(T-273.15)-0.0039(T-273.15)2-3-3熱導率:=2.09310-1.547810x+10-12溫度/280290300320340360380400420427粘度/57.554.150.84438.833.528.824.721.320.3Pas3463(2)(4.7(3)(4)氨:氮和氫組成的化合物,化學式NH

11、3,無色有刺鼻性臭味的氣體,熔點-77.7,沸點-33.4,密度30.7710kg/m。氨很容易被液化(臨界溫度132.9,臨界壓力11.38MPa),液氨是無色液體,密度0.63863kg/m。氨在空氣中遇火能爆炸,常溫常壓下,爆炸極限為16%28%(體積百分比)。液氨可作有機化合物的溶劑,并能溶解堿金屬和鈣、鍶、鋇。氨液化后再蒸發(fā)為氣體時,可從環(huán)境吸收大量熱,這一性質(zhì)被用作制冷劑。氨作為傳統(tǒng)的、天然的制冷劑,歷史悠久,早在1859年,卡列就發(fā)明了氨水吸收式制冷系統(tǒng);1875年,卡列和林德用氨作制冷劑,使蒸汽壓縮式制冷機開始占據(jù)統(tǒng)治地位。2.2熱力學性質(zhì)Gensch和Blytas&Danie

12、ls提出了氨-硝酸鋰溶-7.61210-7x)T-1.535310-8xT定壓比熱容:cp=1.15125+3.382678x+(0.002198+0.004793x)T+0.000118xT2焓:x0.54h=1570(0.54-x)x0.54h=689(x-0.54)1.52-215+cdTpT(5)-215+cdTpT(6)對于不方便查圖表,或查圖表所得數(shù)據(jù)不準確的情況下,可以通過這些經(jīng)驗公式進行計算。3利用此工質(zhì)對的循環(huán)流程圖第1期制冷技術Refrigeration67吸收系統(tǒng)采用氨/硝酸鋰(NH3/LiNO3)作為工質(zhì)對比NH3/H2O工質(zhì)對有一個較高的性能系數(shù),并且其裝置簡單,可以

13、產(chǎn)生純氨制冷劑。因此,易于同氨蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)組合。這樣,一個利用電能及熱能的NH3/LiNO3吸收壓縮式混合系統(tǒng)就可以運行了。該系統(tǒng)有兩種方式進行混合:第一(串聯(lián)),可在蒸發(fā)器及吸收器中間安裝一個能力適度的壓縮機來提高吸收系統(tǒng)的效率。這種模式可以提高吸收系統(tǒng)的運行參數(shù),允許利用溫度很低的廢熱。第二(并聯(lián)),同壓縮機并聯(lián)在一起的吸收系統(tǒng)可以利用高效能的蒸汽壓縮機出口的過熱來進行循環(huán)。圖4采用并聯(lián)方式的NH3/LiNO3吸收壓縮式混合系統(tǒng)Fig.4P-Tdiagramofabsorption/compressionhybridsysteminparallel下標注釋:AB-吸收器;GE-;CO

14、-冷凝器;EV-蒸發(fā)器;RA-吸收用制冷劑;RC-;RT-總的制冷劑;SS-;W(圖2-5、8-,定義壓CP):(MRT-MRA)MRCCP=圖2P-T圖Fig.2P-TdiagramofmechanicalvapourcompressioncoolingsystemMRTMRT(7)其中:MRT蒸發(fā)器中所有制冷劑質(zhì)量流率;MRC壓縮機中的制冷劑質(zhì)量流率;MRA混合系統(tǒng)中吸收部分產(chǎn)生的制冷劑質(zhì)量流率。當CP=1時,系統(tǒng)成為只有壓縮部分工作的裝置,當CP=0時,系統(tǒng)成為只有吸收部分工作的裝置?？芍诖讼到y(tǒng)中,當CP處于某一值時,壓縮機出口處工作流體的過熱正好可以滿足制冷劑濃溶液所需的熱量,此值即

15、為最優(yōu)壓縮比。最優(yōu)壓縮比主要由壓縮機效率、各個換熱器的溫度等因素決定。給定壓縮機效率后,吸收過程的最優(yōu)壓縮比對發(fā)生器內(nèi)溫度不敏感,而對蒸發(fā)器、冷凝器以及吸收器的溫度很敏感。如果冷卻水及蒸發(fā)器的溫度適當?shù)脑?不輸入額外的能源,制冷能力比單純使用壓縮式制冷增加10%是可行的10圖3吸收式制冷系統(tǒng)P-T圖Fig.3P-Tdiagramforanabsorptioncoolingsystem。圖2是普通蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個換熱器:冷凝器和蒸發(fā)器、一個壓縮機、一個膨脹閥組成。圖3是吸收式制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)同圖2相比,用一個溶液循環(huán)代替了壓縮機。此溶液循環(huán)中包括三個換熱器:發(fā)生器、吸收器、節(jié)熱器

16、、一個膨脹閥,并由一個溶液泵壓縮流體來提高壓力。本文就并聯(lián)方式進行簡單分析。圖4為采用并聯(lián)方式的NH3/LiNO3吸收壓縮式混合系統(tǒng)。在壓縮/吸收系統(tǒng)中,在制冷劑濃溶液進入發(fā)生器之前,利用壓縮機出口處工作流體的過熱來增加制冷劑濃溶液的熱量?；旌舷到y(tǒng)的優(yōu)點依賴于電能及熱能的相對成本?？紤]長期相對價格,從整個生命周期來看,具備高效發(fā)電及輸電,并使用最優(yōu)壓縮比的混合吸收系統(tǒng)從整體10來說,其能源利用率很高。圖5為一種改進型并聯(lián)式吸收壓縮混合系統(tǒng),此系統(tǒng)通過閥門的調(diào)節(jié),可因環(huán)境與需求而異,作為制冷設備或熱泵。小型化后,可望作為冷暖空調(diào)機來使用。如圖5所示,最粗的線路為共用線路,打開閥門同較細的線路連為

17、一體后可作為熱泵使用;同最細的線路連為一體時可作為制冷設備使用。閥門的開閉對于小型68第1期制冷技術Refrigeration設備而言可使用手動,對于大型設備,如多級循環(huán)或者有多個換熱設備時,也可采用電動控制。需精餾設備,極大減少了設備體積,節(jié)省了投資,方便了運行時的維護。系統(tǒng)避免了氨-水吸收式與溴化鋰-水吸收式的一些缺陷,是解決由于使用氟利昂而引起的一系列環(huán)境問題的有效途徑之一。(2)本文給出了氨-硝酸鋰工質(zhì)對的基本物理性質(zhì)、熱力學性質(zhì),計算出大范圍的壓力、溫度及組分的LiNO3-NH3混合物的焓值,從而為吸收式系統(tǒng)可達到的一般工況計算提供服務,可以通過圖1及公式(1)(6)直接查出或利用經(jīng)

18、驗公式計算得出所需數(shù)據(jù),為后續(xù)研究工作提供了基礎。(3)提出了一種使用氨-硝酸鋰的吸收壓縮混合循環(huán)系統(tǒng),建立了各部分的平衡方程。當處于最優(yōu)壓縮比時,氨-硝酸鋰吸收壓縮混合循環(huán)系統(tǒng)比單純使10%。通過改進,余國和.吸收式與蒸汽噴射式制冷機.北京:機械圖5氨-硝酸鋰吸收壓縮混合循環(huán)制冷/熱泵系統(tǒng)Fig.5NH3-LiNO3absorption/compressionhybridrefrigeration/heatpumpsystem運用熱力學第一定律,并參考圖5,統(tǒng)為例,8)MSS=M9=M7=M5(9)MWS=(MSSM86M4(10)MRT=(MRC+M1=2=M3=M12MRC=M11=M1

19、0MSSMSS工業(yè)出版社,1985.2SunDawen.ComparisonoftheperformancesofNH3-H2O,NH3-LiNO3andNH3-NaSCNabsorptionrefrigerationsys2tems,.EnergyConvers,1998,39(5):357-368.3VenegasM,IzquierdoM,etal.,Thermodynamicstudyofmul2tistageabsorptioncyclesusinglow-temperatureheat.Interna2tionalJournalofEnergyResearch,2002,26:775

20、-791.4KimDS,MachielsenCHM.Evaluationofair-cooledsolarab2sorptioncoolingsystems.Source:proceedingsoftheinterna2tionalsorptionheatpumpconference,2002,117-123.5化學化工物性手冊編寫組.化學化工物性手冊.北京:化學(11)發(fā)生器:QGE=MRC(H12-H11)+MRA(H12-h8)+(h8-h9)(12)吸收器:QAB=MRA(H3-H4)+MRC(H3-H10)+(h4-h5)(13)冷凝器:QCO=(MRC+MRA)(H12-h1)蒸發(fā)器:QEV=(MRC+MRA)(H3-h2)壓縮機:WC=MRC(H11-H10)實際制冷性能系數(shù)(COPA)可按下式計算:COPA=QEV/(QGE+WC)(14)(15)(16)(17)工業(yè)出版社,2002,350.6程能林.溶劑手冊.北京:化學工業(yè)出版社,1994,901905.7GenschK.Lithiumnitrat