氨水吸收式制冷系统的模拟

摘要

目前，节约能源和保护环境是世界范围内的重要课题，节能减排也是保证资源生态环境可持续发展的重大政策。随着氟利昂类制冷剂逐渐被替代，氨水吸收式制冷系统已受到越来越广泛的关注。氨的臭氧层消耗潜能值（ Ozone Depletion Potential, ODP）和温室效应潜能值（Global Warming Potential, GWP）均为0，是一种对环境友好的制冷工质；另一方面，氨水吸收式制冷机组可以利用工业余热、太阳能等低品位能源驱动制冷，比氨压缩式制冷机组更加节能节电。因此大力发展氨水吸收式制冷，对节能减排具有重要意义。
　　本文详细介绍了氨水吸收式制冷系统和设备模拟计算所需的物性模型，包括以Schulz氨水体系状态方程为主计算焓H、熵S、比容V和相平衡等的热力学模型，以及计算粘度μ、导热系数λ、表面张力σ和扩散系数D等的传递性质模型。结合文献中提供的氨水体系热力学性质和传递性质数据，对以上数学模型编程并进行了验证计算。
　　基于上述物性模型，利用分段数值积分的方法，对氨水吸收式制冷系统中的关键设备——氨水吸收器进行了建模，并使用Fortran语言对其进行了程序设计和计算。所建立的垂直管降膜式氨水吸收器数学模型的模拟结果与文献值吻合度较好，说明该模型能够在一定程度上为降膜式氨水吸收器的模拟和设计提供参考。通过对该氨水吸收器中液膜吸收速率、温度、密度和厚度等方面进行剖形分析，进一步对吸收器内部的物流状态做出解释。
　　最后，结合上述开发的氨水吸收器模块，应用Aspen Plus对一套制冷量为300 kW的氨水吸收式制冷系统进行了模拟。通过变工况分析，考察了冷却水温度、解吸精馏塔进料温度和组成、以及液氨过冷度对系统制冷性能系数（Coefficient of Performance, COP）的影响，发现冷却水温度每下降1℃，COP将上升1.02％；液氨过冷度每上升1℃，COP将上升0.45%；本工艺中精馏进料温度110℃、进料氨浓度0.2685时，系统的总成本较低。又考察了冷却水温度、贫液温度和氨气温度对氨水吸收器的影响，发现氨气温度的变化对氨水吸收器所需传质面积几乎不会造成影响，但冷却水和贫液的温度越高，吸收器所需传质面积就越大。

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1 引 言

1.1制冷和氨水吸收式制冷

1.2氨水吸收式制冷研究现状

1.2.1氨水吸收式制冷循环过程的研究

1.2.2氨水吸收式制冷工业概况

1.2.3氨水吸收式制冷过程中关键设备的研究

1.3本文背景及研究内容

1.3.1课题背景及意义

1.3.2研究内容

2 氨水体系物性计算模型

2.1热力学模型

2.1.1 Schulz氨水体系状态方程

2.1.2氨水体系热力学性质计算

2.1.3氨水体系的相平衡关系

2.1.4 Schulz状态方程物性计算程序与结果

2.2传递性质模型

2.2.1纯氨体系的传递性质

2.2.2纯水体系的传递性质

2.2.3氨水溶液的传递性质

2.2.4氨水体系传递性质模型及计算结果

3 垂直管降膜式氨水吸收器的计算模型

3.1垂直管降膜式吸收器的过程描述

3.2数学模型与编程计算

3.3计算结果与分析

3.3.1计算结果

3.3.2计算结果分析

3.4本章小结

4 氨水吸收式制冷过程模拟

4.1单级氨水吸收式制冷过程介绍

4.2 Aspen流程模拟及分析

4.2.1带回热器流程分析

4.2.2单级带回热器流程模拟

4.3变工况对系统循环特性的影响

4.3.1冷却水温度的影响

4.3.2解吸精馏塔进料温度的影响

4.3.3解吸精馏塔进料浓度的影响

4.3.4液氨过冷度的影响

4.4变工况对氨水吸收器的影响

4.4.1冷却水温度的影响

4.4.2贫液温度的影响

4.4.3氨气温度的影响

4.5本章小结

5 总 结

致谢

参考文献

附录

A. Schulz氨水体系状态方程

B. 降膜式吸收器计算流程