以水-溴化锂溶液为工质的制冷/制热潜能储存系统特性研究

资源类型:pdf 资源大小:901.00KB 文档分类:工业技术 上传者:杨玉凤

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【作者】 徐士鸣  张莉  李革  张为民 

【关键词】能量转换 潜能 储存 水-溴化锂 

【出版日期】2005-04-10

【摘要】详细介绍了以水-溴化锂为工作介质的制冷/制热潜能储存系统的工作原理,并根据循环流程及循环特点给出了循环热力计算数学模型,最后结合潜能储存循环计算结果对循环特性做出了详细分析.结果表明该系统可于较高储能密度下运行,且有较高性能系数,基于水在0℃以下结冰的现象,以水-溴化锂为工质的潜能储存系统比较适用于空调系统.当有低温热源时,储存的潜能还可以被转换成热能,或潜能被转换成冷能的同时还可以产生热能,这是传统的蓄能技术所不具有的.由于潜能储存系统工作循环的非连续性及采用溶晶装置及晶/液分离装置,溴化锂溶液的结晶问题可以被解决,故此循环的溶液浓度差大,蓄能密度高,是冰蓄能密度的3倍.

【刊名】大连理工大学学报

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0 引 言文献[1]叙述了制冷/制热潜能储存技术的基本工作原理,并对采用氨-水溶液为工质的制冷潜能储存系统进行了描述,研究并分析了该系统的工作特性.理论上任何可用于吸收式制冷/热泵的工作溶液都可作为制冷/制热潜能储存系统中的工作溶液.考虑到制冷剂汽化热的差异对蓄能密度及系统COP的影响,以及使用环境对工作溶液的要求,氨-水溶液并不适合于对环境质量要求较高的民用建筑的蓄能空调系统,而水-溴化锂溶液比较适用.采用水-溴化锂溶液为工质的制冷/制热潜能储存技术的中央空调系统,不仅可以替代常规的冷水机组,对昼夜电网负荷起到“削峰填谷”作用,而且还可用于昼夜负荷完全不同的太阳能、余热空调(供冷/供热)系统,较好地解决随时间变化的太阳辐射能与空调负荷不一致的问题.1 工作原理图1为在p-t图上所表示的以水-溴化锂为工质的制冷/制热潜能储存循环.由于水沸点高,制冷工作时蒸发压力非常低,蒸汽密度非常小,要满足一定质量流量要求时,体积流量很大,在这种条件下工作的水蒸汽压缩机很难设计.根据低压下水蒸汽特点,提高压缩机入口压力,可提高水蒸汽密度,使水蒸汽压缩机的设计变得容易些.图2为该循环的工作流程.与常规吸收式制冷/制热系统不同之处在于该潜能储存循环工作溶液流动是非连续的.在用电低谷时段,将储存于稀溶液储罐6内的溶液泵入冷凝/发生器1内,利用电能驱动水蒸汽压缩机3工作.压缩后的水蒸汽在发生/冷凝器的管束内冷凝,冷凝热作为水蒸汽从稀溶液分离所需的发生热.发生终了浓溶液经热交换器图1 p-t图上所表示的制冷/制热潜能储存循环Fig.1 Thecycleofheating/refrigeratingpotentialstorage(H/RPS)showninp-tchart4换热后储存于浓溶液储罐8中,温度降低及组分改变后的溶液具有制冷/制热潜能.冷凝后的水也经热交换器4换热后储存于制冷剂储罐○10中.至此一次能量转换阶段完成,电能被转换成工作溶液制冷/制热潜能并被储存起来.当需要供冷或供热时,制冷剂储罐○10中的水进入蒸发器○11,吸收冷媒水的热量变成水蒸汽,冷媒水温度降低向外供出冷量.水蒸汽进入吸收器9被来自浓溶液储罐8的浓溶液所吸收,吸收热或用于供热或排向环境.吸收终了的稀溶液进入稀溶液储罐6储存起来,待下一个蓄能循环所用.至此二次能量转换阶段完成,将储存的潜能转换成冷能或热能.1冷凝/发生器;2减温器;3压缩机;4溶液热交换器;5溶液泵;6稀溶液储罐;7晶/液分离及溶晶装置;8浓溶液储罐;9吸收器;○10制冷剂(水)储罐;○11蒸发器图2 以水-溴化锂为工质的制冷潜能储存工作循环流程设计简图Fig.2 WorkingflowchartofR/HPScycleusingH2O-LiBrasworkingfluid  以上概述了水-溴化锂制冷潜能储存系统的工作过程,对此系统还需补充:(1)如果各储罐都未采用保温措施,其在储存期间溶液和制冷剂最终都将达到环境温度,这就意味着必然存在散热损失.但由于发生终了浓溶液和从冷凝/发生器出来的水在进入各自储罐前都与来自稀溶液储罐的稀溶液(温度为环境温度)进行了热交换,散热量不会太大.散热损失对最终需要转换成冷能的潜能储存系统的经济性没有影响,过冷溶液反而有助于吸收过程.但散热对最终需要转换成热能(按热泵运行方式)的潜能储存系统的经济性有影响,在这种情况下最好对溶液储罐进行保温.(2)当溶液储罐中的溶液浓度超过了储存温度下的饱和浓度时,会产生溴化锂结晶.对于常规水-溴化锂吸收式制冷系统而言,在循环过程中不允许有结晶产生.但潜能储存系统工作流程是非连续的,允许在溶液储罐内产生结晶现象.因为在二次能量转换过程中,浓溶液储罐中未结晶的那部分饱和溶液通过晶/液分离装置进入吸收器,吸收水蒸汽后变成稀溶液并进入稀溶液储罐.可以将一部分稀溶液泵入浓溶液储罐,利用溶晶装置将溴化锂晶体溶解.由于潜能储存循环内可以存在一定量的结晶,溴化锂溶液循环的浓度差可大一些,以提高溶液蓄能密度.(3)来自发生器的过热蒸汽在进入压缩机前需要先经减温器2降温,以避免压缩终了温度过高.由于在负压条件下水蒸汽密度与压力有很大关系,为了提高压缩机单位容积制冷量,压缩机入口压力应适当大一些,这使压缩机入口水蒸汽温度提高(一般为40~50℃).这样,即使采用中间完全冷却的两级压缩系统,压缩机出口温度还会超过200℃,这对普通压缩机来说显得过高,而且在真空条件下需要采用屏蔽方式避免空气漏入系统.因此,需要研究开发与此系统相配套的新型水蒸汽压缩机.2 循环热力计算数学模型本计算模型针对采用全蓄能策略的、以水-溴化锂为工作溶液的制冷潜能储存系统.采用部分蓄能策略,以及在二次能量转换时按热泵方式运行的供热系统的计算方法与此计算模型相似.在制冷潜能储存工作循环计算模型中,按蒸发器内蒸发1kg制冷剂为基准,计算循环各点的工作介质热物性参数变化值.已知条件:在进行循环热力计算之前的蒸发温度、冷却水入口温度、环境温度及所涉及的各换热设备的换热温差.在此基础上确定循环各点工作介质状态.根据相平衡原理,对于处于饱和状态时的二元工作介质只有2个独立变量.因此,只要知道2个参数,就可根据该工质的物性关系式计算其他物性参数.溶液循环倍率(每kgH2Okg)f=ξr/(ξr-ξw)=ξr/Δξ(1)式中:ξw、ξr分别为稀、浓溶液中溴化锂质量分率.(1)压缩机实际耗功由于在低压条件下水蒸汽的密度非常低,为了便于压缩机的设计,要求提高压缩机入口处水蒸汽的密度,使得压缩机入口压力(温度)提高.在压比较大的工作条件下,采用单级压缩可能会导致压缩机出口水蒸汽温度过高,压缩机功耗增大,在这种情况下须采用中间冷却的两级压缩.采用中间冷却的两级压缩实际压缩功(每kg水kJ)为P=Pl+Ph=(1+m1)(hvm1-hv8a)ad/ηad,l+(1+m1+m2)(hv1-hvm2)ad/ηad,h(2)式中:ηad,l、ηad,h分别为低压、高压级压缩机的绝热等熵效率;hvm1、hvm2分别为低压级压缩机压缩终了(状态点为m1)水蒸汽焓值和在中间压力下过热蒸汽被冷却到饱和状态(m2)时水蒸汽焓值.在对工作循环进行分析计算时,中间压力pm按下式计算:pm=pe.pc(3)式中:pe为蒸发压力;pc为压缩机出口压力.(2)中间完全冷却所需引入的制冷剂(水)量(每kgH2Okg)m2=(1+m1)hvm1-hvm2hvm2-hl2a(4)为避免压缩机出口水蒸汽温度太高,系统内设置减温器以降低压缩机入口水蒸汽过热度.(3)喷入减温器的制冷剂(水)量(每kgH2Okg)m1=(hv8-hv8a)/(hv8a-hl2a)(5)(4)溶液热交换器热平衡f(h7b-h7a)=(f-1)(h5-h5a)+(1+m1+m2)(h2-h2a)(6)需要注意的是,为得到较大的蓄能密度,在蓄能循环中稀、浓溶液浓度差比较大.为避免浓溶液在热交换器内出现结晶,浓溶液出口温度应高于其结晶温度.稀溶液通过热交换器后从状态7a变化到状态7b,当7b点的稀溶液温度超过其饱和温度时,溶液中会有水蒸汽产生.(5)结晶率φ及最小溶晶稀溶液流量(f1)常规H2O-LiBr吸收式制冷系统会因结晶而阻塞管路和喷淋孔,影响制冷机的正常运行.对于储罐不保温的H2O-LiBr制冷/制热潜能储存系统,在储存温度下当溶液浓度超过一定值时,浓溶液储罐中就会产生溴化锂结晶水合物.但由于潜能储存系统工作循环内溶液流动是非连续的,在浓溶液储罐中设置晶/液分离和溶晶装置,可以确保管路不发生堵塞,并可用吸收后的稀溶液去溶解结晶.由此引出结晶率(φ)的概念.φ是指单位质量浓溶液在储存温度下所析出溴化锂结晶水合物的百分数:φ=Xf-1×100%(7)式中:X为(f-1)kg浓溶液中结晶水合物质量,由于在0~40℃溴化锂晶体是以LiBr.2H2O的形式析出[2],其计算式为X=(f-1)(ξr-ξsa)ma/(ma+2mb)-ξsa(8)式中:ma、mb分别为溴化锂和水的相对分子质量;ξsa为储存温度下饱和溶液溴化锂质量分率.溶晶所需的最小稀溶液质量流量(每kgH2Okg)f1,min=X[ma/(ma+2mb)-ξsa]ξsa-ξw(9)在溶液潜能转换成冷能或热能时,出吸收器的稀溶液直接被泵入浓溶液储罐进行溶晶.因此,进入吸收器的溶液焓(每kgH2OkJ)为h6=f1h7+(f-1)h5bf-1+f1(10)(6)换热设备换热量(每kgH2OkJ),循环COP值及蓄能密度(每kg溶液kJ或每m3溶液MJ)制冷量(蒸发热)qe=hv4-hl3(11)吸收热qa=(f-1)h5b+hv4-f.h7(12)冷凝热(带中间冷却的两级压缩)qc=(1+m1+m2).(hv1-hl2)(13)发生热qg=(f-1).h5+h8-f.h7b(14)要使一次能量转换能够进行,必须满足qc≥qg,否则需启动外部热源加热装置以弥补冷凝热的不足.所需要的外部热源加热热量为qh=qg-qc制冷剂储罐散热量qhl,1=h2al-h3(15)浓溶液储罐散热量qhl,2=(f-1).(h5a-h5b)(16)稀溶液储罐散热量qhl,3=f.(h7-h7a)(17)总散热量qhl=qhl,1+qhl,2+qhl,3(18)系统能量平衡we+qe+qh=qa+qhl(19)COPc=qe/(we+qh)或COPh=qa/(we+qh)(20)当冷凝热大于发生热时qh为负值,多余的热量需向外排出.此时,式(20)中的分母项不加qh值.溶液蓄能密度Estor=qef-1或Estor=qaf-1Evstor=ρ1000.qef-1或Evstor=ρ1000.qaf-1式中ρ为出溶液热交换器状态下浓溶液密度.3 制冷/制热潜能储存系统工作循环计算及特性分析如前所述,对于潜能储存系统可以通过制冷或热泵手段将储存的潜能转换成冷能或热能.下面分别取两个典型工况对制冷/制热潜能储存系统的工作循环进行计算并对其工作特性进行分析.当潜能储存系统按供冷工况运行时,各储罐不采取保温措施,取制冷剂蒸发温度为5℃(冷媒水进/出口温度为13℃/7℃),吸收器冷却水入口温度为30℃,吸收器冷端换热温差8℃,浓溶液和制冷剂储罐平均温度为30℃,稀溶液储罐平均温度为34℃,压缩机绝热等熵效率为0.8,溶液浓度差为0.085.在溶晶过程中,吸收终了的稀溶液未等散热就直接被泵入浓溶液储罐.当潜能储存系统按供热工况运行时,各储罐应采取保温措施,储罐的散热量为0.取制冷剂蒸发温度为10℃(低温水进/出口温度为16℃/12℃),吸收器冷却水进/出口温度为40℃/50℃,溶液浓度差为0.067.其他情况与供冷工况相同.应用上述潜能储存系统工作循环计算模型和溶液热物性参数计算式[3、4],得到供冷、供热工况下工质在各状态点的物性参数、各换热设备换热量、COP及蓄能密度等情况,分别列于表1和表2.在其他工作条件不变的情况下,潜能储存系统一些主要运行参数随溶液浓度差的变化关系如图3~5所示.从表1的计算结果看,以水-溴化锂为工质的制冷潜能储存系统具有较高的COP值和蓄能密度,特别是容积蓄能密度几乎是冰蓄冷的3倍,这主要得益于水有较高的汽化热和较大的溴化锂溶液密度.但是较为不利的是因为提高压缩机吸入口水蒸汽密度而提高吸入压力和温度后,即使采用减温器和完全中冷的二级压缩,压缩终了的蒸汽温度仍然较高.常规润滑的压缩机难以在如此高的温度下正常运行.因此需要研究开发采用直接喷水冷却,按湿压缩方式运行的、无油润滑的新型屏蔽式水蒸汽压缩机.表1 空调(制冷/供热)工况下,图2中制冷/制热潜能储存系统各状态点物性参数Tab.1 ThepropertiesateverystatuspointatR/HPScycleshowninFig.2underair-conditioning(cooling/heating)condition状态点t/℃ 制冷    供热 p/kPa 制冷   供热 w(LiBr) 制冷   供热 h/(kJ.kg-1) 制冷    供热 1

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