膜分离技术在氨-水-溴化锂吸收式制冷系统中的应用研究

摘要

吸收式制冷系统以其可直接被低温热源驱动和不危害臭氧层等优点得到了迅速推广和应用，近年来对三元吸收式制冷系统的研究越来越普遍，其中氨-水-溴化锂是得到普遍认可的三元工质对。但在实际应用过程中，发现吸收器中溴化锂的存在会改变溶液性质，导致溶液吸收氨的性能变差。为了改善吸收氨的效果，本文提出利用膜分离技术将溴化锂从进入吸收器的溶液中分离出来，从而将其尽可能多的保留在发生器中，并建立了一种新型循环——基于膜分离器的氨-水-溴化锂吸收式制冷循环，文中通过实验和理论相结合的方法对膜分离器在吸收式制冷循环中的应用进行了研究。 建立极限电流密度模型，用于计算膜分离器的理论分离效率。理论分析了膜参数和电参数对膜分离器分离特性的影响。得出结论：膜参数中选择透过率对分离效率影响较明显，选择透过率较大的膜分离性能较好；膜分离器的操作电流越大，分离效率越低；膜分离器进口溶液流速越大，分离效率越低。 基于理论模型计算膜分离器组装方式为一级二段、采用3363/3364异相离子交换膜时，得出溴化锂理论分离效率为98.47%。为验证理论模型，搭建了相应的膜分离实验装置，并进行膜分离实验。实验结果得出处理不同浓度的溴化锂溶液，其分离效率平均达97%以上，与模型计算的理论分离效率相比，误差不超过±5%，理论得到验证。该理论模型可用于计算膜分离器采用不同组装方式、不同类型离子膜时的分离效率。 基于实验得出的分离效率，利用Aspen Plus过程模拟器建立完整的基于膜分离器的新型循环，进一步分析溴化锂含量和分离效率对循环性能的影响，并与无膜分离器的普通三元循环对比分析。模拟结果表明：对于特定的氨和溴化锂质量分数，随着分离效率的逐渐增大，新型循环的COP逐渐增大，最大为0.6599，此时氨质量分数为60%，溴化锂质量分数为30%，COP比相同氨浓度的二元循环增加28.39%，比普通三元循环增加15.25%。另对于特定氨质量分数时，循环COP先是随着溴化锂质量分数的增加而逐渐增大，当溴化锂质量分数达到30%左右时，循环COP达到最高，然后随着溴化锂质量分数的继续增加，循环COP逐渐降低。 最后，利用Aspen Plus过程模拟器模拟分析不同工况对新型循环性能的影响。结果表明：发生温度在60℃~120℃变化时，循环放气范围逐渐增大，新型循环能耗明显低于普通循环的能耗，循环COP先逐渐增加后略有下降；蒸发温度在-15℃~4℃变化时，循环COP逐渐增大，与普通三元循环相比，COP最大增幅为14.63%，此时蒸发温度为4℃；冷凝温度在34℃~48℃变化时，循环COP逐渐降低，与普通三元循环相比，最大增幅为20.78%，此时冷凝温度为48℃。分析不同工况对循环性能的影响，对基于膜分离器的新型循环的设计具有指导意义。

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