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以跨临界CO2-离子液体[bmim]PF6为工质对的吸收式制冷循环性能分析

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  1 引 言

  传统吸收式制冷循环采用的工质对主要有两种:NH3-H2O和H2O-LiBr,但这两种工质对都存在一些缺陷:NH3具有毒性和爆炸性且NH3-H2O分离比较困难。LiBr水溶液具有较强的腐蚀性,高浓度下容易结晶而且对系统气密性要求较高。因此寻求新的工质对势在必行。

  离子液体由阴阳离子组成并在常温下呈液态形式存在,具有良好的热稳定性、低挥发性、无毒性和环境友好性,是一种常用的绿色溶剂[1-2]。由于其蒸气压可以忽略,用其作为吸收剂,无需设精馏装置[3]。离子液体[bmim]PF6(中文名为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐)由[bmim]阳离子和PF6阴离子组成。CO2是一种安全环保的自然工质,用其作制冷剂,在高压工作条件下单位体积制冷量大,制冷系统可以做得较小,其临界温度为30.98°C,临界压力为7.377MPa,跨临界放热过程无相变发生,温度和压力为独立的参数,水力当量易于冷却水形成匹配,减小传热损失。同时,跨临界CO2等焓节流线更接近于等熵线,可降低节流损失。

  本文采用跨临界CO2-[bmim]PF6工质对,在设计的循环结构和给定工况下计算了的制冷效率并对结果进行了分析讨论,为后续研究提供一定的参考。

  2 CO2在[bm im]PF6中的溶解度

  2.1 溶解曲线

  图1[4]为CO2在离子液体[bmim]PF6中随温度和压力变化的溶解度曲线,横轴为CO2的摩尔分数,纵轴为二元体系的压力。可以看出,CO2的摩尔分数随压力升高而升高,随温度升高而降低。在温度为25°C、压力为4MPa时,CO2在[bmim]PF6中的摩尔分数达到了48%,而在120°C时,即使压力达到10MPa,其摩尔分数也只有30%左右。如果温度继续升高时,CO2在[bmim]PF6中的溶解度会进一步降低,因此[bmim]PF6可以满足在低温低压时吸收CO2,在高温高压时放出CO2的要求[3]

  2.2 溶解度计算

  查阅文献[5]可知, CO2在离子液体[bmim]PF6(以下简称离子液体)的溶解度是关于温度和压力的二元函数,经推导得到如下关系:

  3 工质体系的热物性

  各热物性参数之间有如下关系:

  根据文献[5]进行推导,可以得到如下关系式:

  而h~co2,hliq,c~p, co2,cp, liq的值在已知混合液的温度和压力时可通过相关文献[6-7]查取,因此可以通过上述式子计算出混合液的焓值和比热。

  4 循环工作原理

  CO2制冷循环如图2所示。发生器出来的高温高压CO2气体在回热器H1中与来自溶液泵P的低温高压的混合溶液进行换热,温度降低。接下来进入冷凝器C中放热,成为高压室温气体,进一步进入回热器H3进行过冷,然后进入节流阀F1进行节流,之后进入蒸发器E。在蒸发器中,CO2液体蒸发吸收潜热,成为CO2蒸气,达到制冷目的。

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