可利用低品位热源的Einstein制冷循环的可行性分析

　　1 引言

　　单压吸收式制冷循环是由 Baltzar Carl Platen等人于二十世纪 20 年代提出[1，2]。1930 年，相对论的创立者 Albert Einstein 和其同伴对 Platen 提出的循环进行了研究和改进，并申请了美国专利[3]( 该制冷系统被后人称为 Einstein 制冷循环) 。

　　Einstein 制冷循环的整个系统运行在较低的单一压力状态，采用制冷剂、吸收剂和压力平衡剂三工质协同作用产生制冷效应。系统循环运行的外部动力由位于发生器和气泡泵的低品位热源提供。

　　目前该循环在国内外的发展和研究尚处于初步阶段。Delano 对 Einstein 制冷循环进行了改进，并进行理论分析，认为发生器是系统性能降低的主要部件[4]。Schaefer 使用 Delano 的模型设计了热泵系统分析[5]。White 使用水替代氨水作为工质进行了气泡泵实验研究[6]。随后，Mejbri 等对该制冷循环进行了数值模拟求解，得出了冷凝/吸收温度为 30℃ 时系统 COP 最高为 0. 19 的结论[7]。王汝金等对经初步改进的 Einstein 循环制冷机进行了火用分析，并提出了降低损失的方法[8]。

　　基于能量、质量守恒原理，对改进型 Einstein制冷循环进行热力学建模，并对系统的工况进行模拟，采用 Patel - Teja 状态方程[9]对系统各状态点参数进行求解，并对循环进行热力学第二定律分析及系统性能研究。

　　2 循环描述

　　循环装置( 见图 1) 使用正丁烷作为制冷剂、氨作为压力平衡剂以及用水作为吸收剂。它包括蒸发器，预冷器，冷凝吸收器，溶液换热器，水冷型精馏器，发生器，气泡泵以及贮液器。与原始循环[3]相比，该循环新增了溶液换热器及精馏器，并且氨蒸汽经过多次换热最后通入蒸发器中。

　　系统运行时，液态丁烷从点 1 处离开冷凝/吸收器，经过预冷器降温由点 2 进入蒸发器。而由发生器生成的氨气(8) 被精馏器精馏后(5) 通入蒸发器的液态丁烷中，使得丁烷的分压力降低并相变制冷。随后氨/丁烷混合气体离开蒸发器(3) 经过预冷器加热后进入冷凝/吸收器(6) 。由于在冷凝/吸收器中，混合气体中的氨气被稀氨水(12) 吸收，丁烷的分压力迅速上升并接近系统总压，随后丁烷气体开始冷凝。由于液态丁烷与吸收后的浓氨水互不相容，两者在重力的作用下自然分层。位于上层的液态丁烷(1) 被虹吸入蒸发器中，而位于底部的浓氨水溶液(7) 在溶液换热器中与来自溶液分离器的稀氨水溶液(11l) 和来自发生器的氨蒸汽(8) 换热后进入发生器。换热后的浓氨水溶液(7’) 在发生器中加热，而剩余的稀氨水溶液(10) 被气泡泵泵送到贮液器中(11) ，贮液器中氨蒸汽(11v) 通入到溶液换热器与氨蒸汽(8) 混合后进入精馏器。