余热驱动氨水吸收式制冷系统的理论及实验研究

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3.0 陈辉 2025-01-09 10 4 3.28MB 83 页 15积分
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摘 要
氨水吸收式制冷系统使用低品位热源驱动，节能环保。本文以单级氨水吸收
式制冷系统作为研究对象，对其进行了理论和实验研究。
理论研究上：首先对舒尔茨氨水溶液状态方程进行了程序化工作。然后对单
级氨水吸收式制冷系统进行了数学建模。在氨水物性状态方程和氨水系统数学模
型的基础上，计算了整个氨水吸收式制冷系统性能系数随发生温度、冷却水温度、
蒸发温度和回流比的变化趋势。计算结果表明：氨水吸收式系统 COP 随着冷却水
温度的升高而降低，且冷却水对系统性能影响较大；COP 随着蒸发温度的升高而
升高；一定的操作条件下，氨水吸收式系统发生温度存在最佳值，以本文中的算
例为例， 冷却水温度 30℃，蒸发温度-10℃，回流比为 0.5 时，氨水系统最佳发生
温度约为 125℃；在一定操作条件下，回流比也存在最佳值，本算例中，冷却水温
度30℃，蒸发温度-10℃，发生温度 100℃时，最佳回流比为 0.3。
实验研究上：通过热力计算，设备设计、选型计算，搭建了一套氨水吸收式
制冷系统实验台，并在此实验台上进行了一系列系统性能测试实验。得到了各部
件的开机动态响应曲线，由此得出系统的稳定时间约为 40~50 分钟左右。系统性
能实验结果显示：和理论计算的趋势一致，氨水吸收式系统冷却水温度越高，系
统性能越低，蒸发温度越低，系统性能越低；发生温度存在最佳值，但在冷却水
温度 30℃，蒸发温度-10℃，回流比 0.5 时，实测最佳温度约 130℃，回流比也存
在最佳值，冷却水温度 30℃，蒸发温度-10℃，发生温度 100℃，实测最佳回流比
约0.4。
关键词：氨水吸收式制冷系统 理论模型 性能测试实验
ABSTRACT
Since the ammonia-water absorption refrigeration system is driven by low-grade
heat source, it is an energy-saving and environmental-protecting system. In this paper, a
single ammonia-water absorption system is studied theoretically and experimentally.
First, computer program of Schulz equations is built. Then the mathematical
model of the single system is built. Based on the mathematical model, a theoretical
calculation is performed. The results show that: the system performance is proportional
to the evaporation temperature and inversely proportional to the cooling water
temperature. Under a certain operating condition, the generation temperature exists a
best value. For example, when the cooling water temperature is 30℃, the evaporation
temperature is -10℃, and the reflux ratio is 0.5, the optimum generation temperature is
125℃. For the reflux ratio, there also exists an optimum value. When the cooling water
temperature is 30℃, the evaporation temperature is -10℃, and the generation
temperature is 100℃, the optimum reflux ratio is 0.3.
Secondly, a single ammonia-water absorption system is built after the thermal
dynamic calculation and equipment design. On this experimental system, performance
test and dynamic characteristic experiment were done. The dynamic curve shows the
dynamic characteristics and tells us that the absorption system needs 40 to 50 minutes to
get stable. The system performance test shows the same results to the theoretical results.
The difference between theoretical results and experimental results are the optimum
value of generation temperature and reflux ratio value, which is 130℃（cooling water
temperature is 30℃, the evaporation temperature is -10℃, and the reflux ratio is 0.5）
and 0.4（the cooling water temperature is 30℃, the evaporation temperature is -10℃,
and the generation temperature is 100℃）, different from the theoretical values 125℃
and 0.3.
KEY WORDS: Ammonia-water absorption system, theoretical
model, performance test
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................................ 1
§1.1 背景概述 .......................................................................................................................... 1
§1.2 氨水吸收式制冷机概述 ............................................................................................... 2
§1.2.1 氨水吸收式制冷机的发展历史和应用现状 .............................................. 2
§1.2.2 氨水吸收式制冷机的特点 .............................................................................. 3
§1.2.3 氨水吸收式制冷循环介绍 .............................................................................. 6
§1.3 国内外发展研究现状 ................................................................................................... 8
§1.4 本文研究的意义及主要工作： ................................................................................ 9
第二章 氨水吸收式制冷系统的数学建模 ....................................................................... 11
§2.1 氨水物性计算 ............................................................................................................... 11
§2.1.1 Schulz 状态方程表达式 .................................................................................. 11
§2.1.2 各参数表达式 ................................................................................................ 14
§2.2 数学建模 ........................................................................................................................ 17
§2.3 数学模型的求解 .......................................................................................................... 24
§2.4 数学模型的误差分析 ................................................................................................. 24
§2.5 计算结果 ....................................................................................................................... 24
第三章 氨水吸收式制冷系统的设计 ................................................................................... 27
§3.1 初步方案的确定 .......................................................................................................... 27
§3.2 系统热力计算 ............................................................................................................... 28
§3.3 设备计算及选型 .......................................................................................................... 33
§3.3.1 换热器 .............................................................................................................. 34
§3.3.2 吸收器 .............................................................................................................. 35
§3.3.3 发生器 .............................................................................................................. 38
§3.3.4 精馏器 .............................................................................................................. 38
§3.3.5 溶液泵 .............................................................................................................. 42
§3.3.6 主要阀门 ......................................................................................................... 42
§3.3.7 储罐 .................................................................................................................. 43
§3.4 管路 ................................................................................................................................ 43
§3.5 实验测点的布置 ......................................................................................................... 44
§3.6 数据采集 ....................................................................................................................... 45
§3.7 氨制冷冷却水系统设计 ............................................................................................ 46
§3.8 系统控制方案 .............................................................................................................. 47
第四章 单级氨水吸收式制冷系统的实验研究 ................................................................ 51
§4.1 部件匹配特性实验分析 ............................................................................................ 51
§4.2 动态性能实验 .............................................................................................................. 52
§4.2.1 精馏塔 .............................................................................................................. 53
§4.2.2 冷凝器 .............................................................................................................. 54
§4.2.3 液氨储罐 ......................................................................................................... 54
§4.2.4 吸收器 .............................................................................................................. 55
§4.2.5 溶液热交换器 ................................................................................................ 55
§4.2.6 过冷却器 ......................................................................................................... 56
§4.2.7 蒸发器盘管 ..................................................................................................... 57
§4.3 整体系统性能实验分析 ............................................................................................ 57
§4.4 变工况实验数据分析 ................................................................................................ 58
§4.4.1 精馏器 .............................................................................................................. 58
§4.4.2 冷凝器 .............................................................................................................. 59
§4.4.3 吸收器 .............................................................................................................. 59
§4.4.4 溶液热交换器 ................................................................................................ 60
§4.5 总结 .............................................................................................................................. 60
§4.5.1 系统分析 ......................................................................................................... 60
§4.5.2 实验台改进意见 ............................................................................................ 61
§4.6 系统性能实验 ............................................................................................................... 62
§4.7 余热利用实验 ............................................................................................................... 64
第五章 总结及展望 ..................................................................................................................... 66
主要符号表 ..................................................................................................................................... 67
参考文献 ......................................................................................................................................... 69
附 录1 电气原理图 ............................................................................................................... 73
致 谢 ................................................................................................................................................ 81
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 背景概述
制冷空调技术的产生为人类社会的文明和舒适生活做出了重要贡献。其中，
蒸汽压缩式制冷系统由于其稳定高效的性能而得到了人们的重视和青睐。但随着
时间的推移，蒸汽压缩式制冷系统带来的能源和环境问题也引起了人们的日益重
视。
众所周知，蒸气压缩式制冷系统主要采用氟利昂作为制冷剂。氟利昂是饱和
碳氢化合物及其氟、氯、溴衍生物的总称，它突出的物理、化学性质，优越的制
冷性能，使得它从上个世纪五十年代开始，逐渐替代了早期出现的一些制冷工质，
并至今都占据着统治地位[1]。1974 年，加里福尼亚大学的两位教授：Molina 和
Rowland，首先提出了氟利昂中的氯原子会破坏臭氧层。在青藏高原出现的臭氧层
低谷和南北极出现的臭氧层空洞现象给我们敲响了警钟。臭氧层的破坏会形成臭
氧层空洞，造成地表紫外线辐射增加，紫外线会对人体免疫系统造成伤害，引起
白内障、皮肤癌等疾病。同时还会导致农作物减产、树木坏死以及光化学烟雾等
严重后果。为了应对此危机，需要我们逐步限制对氯氟烃类物质的应用。世界 21
个国家和欧洲共同体在 1985 年3月签订了《保护臭氧层维也纳公约》，建立起了
保护大气臭氧层的全球机制。1987 年9月，《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定
书》在加拿大的蒙特利尔市签订生效，该文件提出了 5种CFC 和3种哈隆禁用时
间表。1990 年6月，《蒙特利尔议定书（修正案）》在英国伦敦通过了，修正案把
受控的 ODS 扩大到 5类20 种，并且禁用的时间提前了，另外还把 34 种HCFC 列
为过渡物质。1992 年11 月，《蒙特利尔议定书（修正案）》进一步得到了修订，这
次受控的 ODS 范围扩大到了 7类的上百种物质，新增 HCFC， HBrFC 和CH3Br
三类物质，并再次提前了禁用的时间。我国非常重视生态环境的保护，于 1989 年
9月加入了《维也纳公约》；1993 年1月，编制了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰
国家方案》，对当时生产和使用的 3种CFC、CCl4和CH3CCl3规定了禁用或者限用
的时间表。与此同时，国际社会为了应对氟利昂物质的温室效应，也采取了相应
的一些措施。联合国气候变化框架公约的缔约国于 1997 年12 月在日本东京通过
了《京都议定书》，CO2、HFCS等6种气体在该议定书中被确定为受管制温室气体，
并限制了其生产和使用[2]。2009 年12 月7日—18 日，《联合国气候变化框架公约》
余热驱动氨水吸收式制冷系统的理论及实验研究
2
缔约方第 15 次会议在丹麦首都哥本哈根举行。会议商讨《京都议定书》一期承诺
到期后的后续方案，就未来应对气候变化的全球行动签署新的协议。
除了环境方面的问题，能源问题也是我们不容忽视的。下表为一些常用能源
储量和消耗情况表。
表1.1 常用能源储量及消耗情况表
能源类型
能源储量
年消耗量
耗尽年限
石油
1180-1510（亿吨）
33.2（亿吨）
50 年左右
天然气
131800-152900 兆立方米
2300 兆立方米
57-65 年
煤
5600 亿吨
33 亿吨
供应 169 年
铀
6万吨
30~50 年左右
核聚变
到2050 年还没希望实现
从表格 1.1 中我们可以看到常规的主要能源都在 60 年左右将会耗尽，煤的供
应时间较长一些，也会在 170 年左右耗尽。而原料储量较丰富的核聚变技术（地
球上能够用于核聚变的氘和氚的数量，可供人类使用上千亿年）在短期内还是无
法实现。人类面临着的能源形势非常严峻。
而制冷空调领域对能源的消耗量非常的巨大。以上海市为例，工业用制冷设
备和建筑空调设备耗电约占电力总负荷的三分之一左右[3]。2010 年夏季电网峰值
负荷为 2157.7 万KW，其中制冷空调行业的电力负荷达到约 900 万KW。发达国
家在制冷空调行业的耗电量约占总电能的 20~25%。由此可见，制冷空调领域的节
能对全球范围内节能减排大局有着举足轻重的地位。
能源和环境危机，警醒我们对制冷空调行业做出改变和调整。正是在这样的
背景下，氨水吸收式制冷系统在被人们忽视了半个世纪后又重新受到了国内外的
专家学者的重视，对它研究和应用日益增多。
§1.2 氨水吸收式制冷机概述
§1.2.1 氨水吸收式制冷机的发展历史和应用现状
吸收式制冷技术是一种古老的制冷技术。早在 1810 年，苏格兰的约翰﹒莱斯
里（John Leslie）制造了间歇型吸收式制冷机，这是最早的吸收式制冷机。1860
年，法国的费迪南德﹒卡尔发明了连续性吸收式制冷机，该机取得了美国专利。
这是一种以氨为冷剂、以水为吸收剂的氨吸收式制冷机，这种机型后来在欧洲得
第一章 绪 论
3
到了进一步的改进，并应用于低温制冷。但由于设备比较复杂，热效率低，加以
当时正值机械制造业蓬勃发展，1875 年出现了氨蒸汽压缩式制冷机，当时的吸收
式制冷机发展较为缓慢。直到上个世纪七十年代，由于科学技术的发展和能源危
机，吸收式制冷机才获得了迅猛的发展。
氨水吸收式制冷机是吸收式制冷机的一种。它是一种利用热量驱动，并可以
获得 0℃以下低温、冷量的低温吸收式制冷系统。比如，当热源温度为 140℃左右
时，它的最低蒸发温度可达-30℃。在实际使用中，常采用多级的型式，不仅可以
得到更低的蒸发温度，还可实现热源温度的梯级利用和得到多级蒸发温度。氨水
吸收式制冷机的设计容量可以很大，因此，在合成氨、石油化工一类对冷量需求
量较大的生产企业使用较多。氨水吸收式制冷机除具有一般吸收式制冷机的特点
外，由于它需要精馏，同时又有一定的工作压力，因此设备较为笨重复杂、钢材
消耗量较大，初期投资较高。但是将氨水吸收式制冷机与蒸汽压缩式制冷机进行
比较时，根据国内实际情况和国外资料来看，当制冷机蒸发温度低于-15℃时，采
用氨水吸收式制冷机的一次投资仍然比蒸气压缩式制冷机低。从运行费用来看，
虽然前者的理论效率较低，但实际上氨水吸收式制冷机消耗的热能比蒸气压缩制
冷机消耗的电能，其费用往往要低。尤其是有余热、废热可利用时，更是如此。
在国外，氨水吸收式制冷机以俄罗斯、德国、美国、日本等国家研究和应用
较多。目前装置的最大容量已经超过 1.9×
hkcal/107
（≈22000kW），最低蒸发温度
为-55℃～-60℃。随着日益增多的应用需要，氨水吸收式制冷机已具有各种类型的
流程和多级系统，其热源除采用蒸汽外，还出现了采用燃气直接燃烧、重油或其
它气体直接加热的装置，热效率明显改善。因而，过去氨水吸收式制冷装置主要
用于有废热、余热的化工部门，而现在其应用范围就更加广泛了。
§1.2.2 氨水吸收式制冷机的特点
目前研究和应用较多的吸收式制冷系统主要有氨水吸收式制冷系统和溴化锂
吸收式制冷系统两种。
溴化锂吸收式制冷系统以水为制冷剂，以溴化锂为吸收剂[4]；而氨水吸收式制
冷系统则以氨为制冷剂，以水为吸收剂。由于水的蒸发温度不能达到 0℃以下， 因
此溴化锂吸收式制冷机，虽然有着许多优点，例如设备结构紧凑，性能系数较高
等，近二十年来得到了很大发展，但其局限性就在于只能产生 5℃以上的温度供空
调和某些工艺过程冷却之用。在需要获得 0℃以下的温度的场合时，它就完全不适
用，这时就只有采用氨水吸收式制冷机。
余热驱动氨水吸收式制冷系统的理论及实验研究
4
总的来说， 氨水吸收式制冷机具有以下优点[5]：
1. 节约能源。氨水吸收式制冷机的热源温度只要在 80℃以上就行。它可利用
的低品位热能除了低压锅炉的蒸汽外，还可以广泛利用生产过程中的废热余热，
如废汽、废液、废水，废气等废弃能源。此外，太阳能，地热能也能够作为驱动
热源使用。这样可使能源得到合理的利用，从而对节约能源有着重大意义。
2．设备制造简单。除了泵以外，系统内主要是一些换热设备，对生产加工工
艺要求不高，一般具有压力容器制造许可证的生产厂家都能生产，所以它便于推
广。
3．节省电能。氨水吸收式制冷机的耗电量很小，除了溶液泵外，其它的设备
都不要耗电。即使把冷却水循环泵的电能也计算进去，总耗电量也只有同等制冷
量的压缩式制冷系统的 10%左右。这对于减轻电网负荷，缓和我国当前十分突出
的电力供应紧张状况，大有帮助。例如：一台蒸发温度为- 45℃、制冷量为 2MW
的氨水吸收式制冷机，每年可节省电能 610 万度以上。
4．可在一台机组上实现多个蒸发温度。可在一套设备中产生多个温度的冷量，
既可产生低于 0℃的冷量，也可供给 0℃以上的冷量。使机组充分发挥功效，减少
初投资。
5．运行平稳，操作简单。系统长期在低负荷下运转时，也不会象离心压缩机
那样发生喘振现象。当系统冷负荷在 10～100％范围内变动时，设备的运行都能保
持平稳，即操作弹性大。可实现无级调节。
6．噪音小。因为运动部件只有泵，系统内部也没有高速气流流动，所以运转
时振动和噪音都较小，有益于操作人员的身心健康和操作环境的改善。
7．易于维修。除泵以外，没有其它运动部件，所以容易维护，运行周期长，
检修次数少，润滑油也可以省，因此维修费低。
8．系统内没有润滑油。没有润滑油有利于换热设备保持传热面的清洁，增强
传热。
9．除泵外，无需备用机。因为整个系统只有泵是运动部件，所以备有一台备
用泵， 就可满足机组 100%的负荷。不象蒸气压缩式制冷系统那样，必须要有备
机。
10．以自然工质氨和水作为工作工质，环保。氨作为一种制冷剂来说，各方
面性质都很好。它在标准状态下的沸腾温度低（-33.14℃）， 工作时在冷凝器和蒸
发器中的压力适中（冷凝温度为 30℃时的压力约为 1.2MPa ，蒸发温度为-15℃时
的压力约为 0.25MPa）；它的导热系数大，单位容积制冷量大，蒸发潜热也大（-15℃
时的蒸发潜热是 R22 的6.04 倍，R12 的8.12 倍）。节流损失小，有泄漏发生时易
第一章 绪 论
5
被发现，并且它的价格低廉。最重要的是它环保，对环境无害。它的全球变暖潜
能（GWP）为 0，臭氧层消耗潜能（ODP）也为 0。表 1.2 是一些常用制冷剂的
ODP 和GWP。从中可以看出，氨是一种极好的环保型制冷剂，这是 R12、R11 以
及用作它们过渡性替代物的 R134a、R123 和R22 等所无法比拟的。
表1.2 常用制冷剂的 ODP 及GWP 值
编号
分子式
ODP 值
（R11 = 1）
GWP 值
（CO2 = 1）
是否受控物
质
R11
CCl3F
1
1500
是
R12
CCl2F2
1
4500
是
R123
C2HCl2F3
0.02
29
过渡性
R134a
C2H2F4
0
420
过渡性
R22
CHClF2
0.05
510
过渡性
R717
NH3
0
0
否
当然，氨水吸收式制冷系统也存在一些缺点，主要有：
1．部件多，钢材消耗的多，使初投资费用增加。但机组蒸发温度愈低，则与
压缩式制冷机的投资费用愈接近，当机组容量大或一台机组同时供应多个蒸发温
度冷量时，则如前所述，可相对地降低投资费用。
2．冷却水耗量多。因此比风冷压缩式机组增加了一定的运行费用。
因此，综上所述， 氨水吸收式制冷机的最大特点是可利用低品位的余热作为
驱动热源，使能源得到充分合理的利用，并可大量节省电能，这对缓和电力供需
矛盾具有重大意义。所以它在那些既需要较多冷量，同时又有余热或是热电联产
的企业中特别适用。
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