太阳能1.x级溴化锂吸收式制冷循环性能分析

    能源与环境是人类赖以生存和发展的基础.面对日趋严重的环境污染问题和化石能源枯竭问题,开发可再生能源是中国乃至世界可持续发展能源基本战略的重要组成部分,其中利用太阳能制冷空调已成为研究热点.在多种利用太阳能的制冷方式中,溴化锂吸收式制冷系统的能量转换效率较高,且是目前最成熟的方式[1,2],溴化锂是绿色工质,没有损害臭氧层的OZD效应.国内已有2个利用太阳能的溴化锂吸收式制冷系统在广东和山东示范运行[3,4],并有部分单位开展了一些微型和小型热水型溴冷机的研制[5,6].尽管如此,从技术经济性角度目前太阳能溴化锂吸收式制冷系统离普及推广尚有距离.国内外适合用于太阳能空调的微型和小型热水型溴冷机产品均还是空白,在针对太阳能特点的溴冷机循环流程优化、换热器传热传质强化和结构紧凑化、降低成本、优化控制以及蓄能方式或与辅助能源匹配等方面还有不少基础性问题有待解决.

    太阳能溴化锂吸收式制冷循环方式主要采用单效和两级2种方式.单效循环的热力系数Cop虽然较高,但采用单效循环的前提是集热器出口热水温度保持在85~95℃以上,且在发生器内的热水温降较小.这样的条件将大大限制机组实际利用太阳能的运行时间,温差小则导致热水流量增大而使循环水泵功耗增大,集热器的能量转换效率也会因进水温度偏高而降低;而两级循环则因其Cop较低而经济性不佳,并且因效率低就需要更多的集热器面积,从而将增加设备费用.因此,设计一种能够利用较大热水温差,且具有较高的热力系数和较宽的变工况性能的循环是很有必要的.

    为了解决单效循环在热源温度较低时不能正常运行而两级循环的能量转换效率偏低的问题,朱玉群等[7,8]提出了一种被称为SE/DL的循环.随后万忠民等[9]又提出太阳能混合吸收式制冷循环.这2种循环都是在两级循环基础上再附加1个高压发生器来实现部分单效循环,然而这2种循环的回热流程不尽合理,且分别采用3台和5台工质泵,这将增加设备成本,但这种从加强单效循环的作用来提高循环效率的思路是值得肯定的.

    1 1.x级溴化锂吸收式制冷循环流程

    作者在深入研究了以上几种溴冷机循环方案的基础上,对溴化锂溶液的回热流程加以改进,提出了将高压发生器Ⅱ(高发Ⅱ)出口的溶液引入高压发生器Ⅰ(高发Ⅰ)继续发生循环,图1(a)显示了其单泵型的循环流程,图1(b)是该循环在焓浓图上的表示.由于该循环的性能介于单效循环和两级循环之间,故称此循环为1.x级溴化锂吸收式制冷循环(1.x-lift LiBr absorption refrigerationcycle).

    新型1.x级溴冷机循环增大了单效部分的作用,使循环效率更高,循环热力系数Cop不仅远高于两级溴冷机循环,而且比文献[7,8]中流程的Cop高出约5%~10%.此外,新型1.x级溴冷机循环还从提高热力学完善度和经济性的角度采取以下一些措施:①热水依次流经高发Ⅰ、高发Ⅱ和低发,热水利用的温降可达20~30℃.因而水泵功耗可随热水流量的减少而下降,回水温度的降低还可使太阳能集热器中的能量转换效率有所提高,传热量增加.②采用钎焊型板式换热器和板壳式换热器,比传统管壳式换热器在传热效率和紧凑性方面都优越得多,且因材料消耗少而在批量生产时能降低成本[10].③尽量省去机械泵,因溴冷机工质的循环使用机械泵既耗电,又由于溴冷机的密封性要求很高,只能使用比较昂贵的屏蔽泵或磁力泵,这对于降低成本和普及推广不利,且会增加可能的泄漏点.本文介绍的方案只保留了低压吸收器(低吸)出口的1台溶液泵. ④1.x级溴冷机循环的概念还可延伸为一种包括单效(即单级)和两级循环的变级值x1的循环控制流程,以满足不同热源温度状况实现制冷的要求.