王 瑛，李 靜，王克良，李 琳，連明磊，葉 昆，李國雨，劉漢國

(1. 六盤水師范學院 化學與化學工程系，貴州 六盤水 553004；2. 中國石油集團工程設計有限責任公司 華北分公司，河北 任丘 062552)

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含離子液體工質對的吸收式制冷循環(huán)特性分析

王 瑛1，李 靜1，王克良1，李 琳1，連明磊1，葉 昆2，李國雨1，劉漢國1

(1. 六盤水師范學院 化學與化學工程系，貴州 六盤水 553004；2. 中國石油集團工程設計有限責任公司 華北分公司，河北 任丘 062552)

選擇兩種強親水性離子液體1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯鹽[Emim]DEP和1，3-二甲基咪唑磷酸二甲酯鹽[Mmim]DMP為吸收劑. 對于H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系作為新型工質對應用到吸收式制冷循環(huán)中的性能系數和循環(huán)倍率進行了計算，同傳統(tǒng)吸收式循環(huán)工質對H2O-LiBr體系進行比較，兩個體系均具有較高的性能系數，H2O-[Mmin]DMP體系更加具有成為高效吸收式工質對的潛力. 最后分析了發(fā)生溫度、 蒸發(fā)溫度和吸收溫度等因素對循環(huán)性能的影響.

離子液體； 吸收式制冷； 循環(huán)特性

近年來，吸收式制冷循環(huán)引起了人們廣泛關注[1-3]. 該循環(huán)主要優(yōu)勢在于能夠利用低品位熱做功制冷，而不是采用費用較高的電能[4]，其廣泛應用于化工、 制藥、 鋼鐵和電力等各個領域.

傳統(tǒng)應用的溴化鋰及氯化鋰溶液存在易結晶、 高溫時對設備腐蝕性強等缺陷，嚴重影響循環(huán)性能[5]. 針對這些缺陷問題，很多學者提出將離子液體作為吸收劑引入到工質對中. Yokozeki 等[6-9]研究了不同的離子液體分別與水、 NH3、 氟利昂配對組成的新型吸收式制冷循環(huán)工質. Kim 等[10]測定了[Bmim]Br-H2O體系和[Bmim]BF4-H2O體系的汽液相平衡數據，并用Antoine方程對實驗數據進行了關聯(lián)，認為這兩個體系具有作為吸收式循環(huán)工質對的潛力. Sun 等[11]基于基團貢獻法研究了離子液體與氨水組成的工質對在循環(huán)中的應用.

本文選擇了兩種強親水性離子液體1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯鹽[Emim]DEP和1，3-二甲基咪唑磷酸二甲酯鹽[Mmim]DMP作為吸收劑. 將H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系作為新型工質對應用到單效吸收式制冷循環(huán)中，對其性能進行研究. 基于文獻中已經發(fā)表的H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系的氣液相平衡數據、 比熱容數據[12-14]等，關聯(lián)建立了這些工質對的物性模型，研究了新工質對應用到單效吸收式制冷循環(huán)中的特性，探索其是否具有成為新型高效工質對的潛力.

1 單效吸收式制冷循環(huán)

單效吸收式循環(huán)是最簡單的吸收式循環(huán)，主要由冷凝器、 發(fā)生器、 蒸發(fā)器和吸收器構成. 圖 1 為單效吸收式制冷循環(huán)的示意圖. 單效主要是指加入到循環(huán)中的發(fā)生熱量被利用一次. 對于水-離子液體體系來說，水為制冷劑組分，離子液體為吸收劑組分.

圖1 單效吸收式制冷循環(huán)示意圖

2 吸收式制冷循環(huán)性能

對吸收式制冷循環(huán)進行如下假設：所有裝置均處于穩(wěn)定和熱力學平衡狀態(tài)； 在制冷循環(huán)中，蒸發(fā)器與吸收器的工作壓力相等； 發(fā)生器和冷凝器的工作壓力相等； 換熱器SHX的最小傳熱溫差為5 K； 裝置與外界環(huán)境沒有熱交換； 溶液泵功忽略不計.

為了更詳細地分析單效吸收式流程圖，各個設備間的物流分布情況見圖 2. 其中縱坐標為系統(tǒng)壓力，橫坐標為系統(tǒng)溫度.

圖2 P-T圖上的單效循環(huán)分析圖

在發(fā)生器G中，在溫度TG下加入外部熱量QG； 蒸發(fā)器E中，在溫度TE下，從外部取得熱量QE； 在吸收器A和冷凝器C中，分別在溫度TA和TC下向外放熱. 因此，根據能量平衡關系，有

QG+QE=QA+QC.

(1)

性能系數COP(Coefficient of Performance)是評價吸收式制冷循環(huán)的一個重要指標，反映了消耗單位能量所制得的冷量. 其定義式[15]為

(2)

式中：QE為蒸發(fā)器的制冷量，kW；QG為發(fā)生器所需的加熱量，kW.

循環(huán)倍率f是評價循環(huán)特性的另一個重要參數. 循環(huán)倍率增大，通常意味著設備成本和操作費用也會相應增大. 所以人們通常追求在盡量小的循環(huán)倍率下，達到盡可能大的性能系數.

溶液的循環(huán)倍率為

(3)

式中：ms為進入發(fā)生器的稀溶液的質量流量，kg/s；mr為發(fā)生器蒸發(fā)出水蒸氣的質量流量，kg/s. 其物理意義為發(fā)生器蒸發(fā)出1 kg水蒸氣所需的進入發(fā)生器的稀溶液的質量.

由圖 2 可見，進入發(fā)生器的稀溶液3中離子液體的質量為msw2，流出發(fā)生器的離子液體質量為(ms-mr)w4，由于發(fā)生過程中只有水的蒸發(fā)，離子液體的質量保持不變，即離子液體進入和流出的質量保持不變，則

msw2=(ms-mr)w4.

(4)

等式兩邊同除以mr，并將式(3)代入式(4)中，得

(5)

以下循環(huán)過程按照循環(huán)單位質量的制冷劑來進行分析，根據熱平衡關系有：

冷凝器的單位熱負荷

QC=h6-h7.

(6)

蒸發(fā)器的單位熱負荷

QE=h1-h7.

(7)

吸收器的單位熱負荷

QA=h1+f(h5-h2)-h5.

(8)

發(fā)生器的單位熱負荷

QG=h6+f(h4-h3)-h4.

(9)

則

(10)

式中：hi為物流i的比焓，kJ/kg；wi為物流i的質量濃度分數.

3 結果與討論

在循環(huán)性能計算中，設定蒸發(fā)器溫度為10 ℃，冷凝器溫度為40 ℃，吸收器溫度為30 ℃，發(fā)生器溫度變化范圍為58～105 ℃. 對H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系的循環(huán)性能進行了計算，列于表 1.

表1 兩個工質對的單效循環(huán)性能比較

將H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系的性能系數同傳統(tǒng)工質對H2O-LiBr進行比較，見圖 3. H2O-LiBr體系的性能數據取自文獻[16].

圖3 3種不同工質對的性能系數隨發(fā)生溫度的變化

由圖 3 可以看出，隨著發(fā)生溫度TG的升高，3種工質對的單效吸收制冷循環(huán)的性能系數COP先急劇升高后趨于平穩(wěn)并略有下降的趨勢. 在性能系數平穩(wěn)段，H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系均呈現出高于H2O-LiBr體系的COP，且操作范圍也較寬.

圖4 H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系的循環(huán)倍率隨發(fā)生溫度的變化

由圖 4 可以看出，隨著發(fā)生溫度TG的升高，兩個體系的循環(huán)倍率f先急劇下降后趨于平穩(wěn)，降低的趨勢依然存在，但是降低程度比較緩慢. 在相同的操作條件下，H2O-[Mmim]DMP體系的循環(huán)倍率f要低于H2O-[Emim]DEP體系. 較低的循環(huán)倍率也意味著設備成本和操作費用也會相應降低. 綜合比較圖 3 和圖 4 可以看出，隨著發(fā)生溫度的升高，性能系數和循環(huán)倍率呈現了相反的趨勢. 基于上述性能系數COP和循環(huán)倍率f的比較，可以看出兩個體系都呈現出了成為新型高效工質對的潛力，特別是H2O-[Mmim]DMP體系的循環(huán)性能更加優(yōu)良.

在此基礎上，繼續(xù)對蒸發(fā)溫度和吸收溫度對體系的性能系數、 循環(huán)倍率和放氣范圍等性能參數的影響進行了計算和分析. 由圖5和圖6可以看出，隨著蒸發(fā)溫度的升高，兩個體系的制冷量QE也呈現線性增加的趨勢，COP也相應升高. 這主要是因為隨著蒸發(fā)溫度的升高，蒸發(fā)壓力也升高，相應地物流7經過節(jié)流閥后的汽化量減小，則冷凝水在蒸發(fā)器中吸收的熱量會增加，即制冷量QE增大，由式(2)可知，QE增大，相應地COP也會增大.

圖5 兩個體系的制冷量隨蒸發(fā)溫度的變化

圖6 兩個體系的性能系數隨蒸發(fā)溫度的變化

圖7 是兩個體系的放氣范圍隨著吸收溫度的變化趨勢. 可以看出，隨著吸收溫度的逐漸升高，體系的放氣范圍呈現逐漸降低的趨勢. 這主要是因為吸收器壓力確定后，隨著吸收溫度的升高，吸收器出口稀溶液的濃度會相應增加，進而放氣范圍降低. 在相同的吸收溫度下，H2O-[Mmim]DMP體系明顯具有更寬的放氣范圍.

圖8 是兩個體系的循環(huán)倍率隨著吸收溫度的變化趨勢. 可以看出，隨著吸收溫度的升高，f呈現單調增大的趨勢. 由式(5)可知，放氣范圍降低，則循環(huán)倍率相應地升高. 在相同的吸收溫度下，H2O-[Mmim]DMP體系明顯具有更低的循環(huán)倍率. 綜合比較圖3和圖6，圖4和圖8可以看出，發(fā)生溫度、 蒸發(fā)溫度和吸收溫度3個因素對于循環(huán)的性能系數和循環(huán)倍率影響最大的是發(fā)生溫度. 因此，為了獲得較高的性能系數和較低的循環(huán)倍率，應在確定了合適的發(fā)生溫度后再選擇最優(yōu)的蒸發(fā)溫度和吸收溫度.

圖7 兩個體系的放氣范圍隨吸收溫度的變化

圖8 兩個體系的循環(huán)倍率隨吸收溫度的變化

4 結 論

1) 計算了H2O-[Emim]DEP體系和H2O-[Mmim]DMP體系應用到單效吸收式制冷循環(huán)中的性能系數，同傳統(tǒng)吸收式循環(huán)工質對H2O-LiBr體系進行了比較. 兩個體系的性能系數均高于H2O-LiBr體系，且均有較寬的操作范圍.

2) H2O-[Mmim]DMP體系對相比H2O-[Emim]DEP體系，性能系數更高、 循環(huán)倍率更小、 放氣范圍更寬，這些性質表明H2O-[Mmim]DMP體系更加具有成為高效吸收式工質對的潛力.

3) 分析了發(fā)生溫度、 蒸發(fā)溫度和吸收溫度等工況對工質對循環(huán)性能的影響. 隨著發(fā)生溫度的升高，性能系數先急劇升高后逐漸趨于平穩(wěn)并略有下降. 循環(huán)倍率先急劇下降后逐漸趨于平穩(wěn)，降低的趨勢依然存在，但是降低程度比較緩慢； 隨著蒸發(fā)溫度的升高，體系的制冷量也呈現線性增加的趨勢，性能系數也相應升高； 隨著吸收溫度的增加，體系的放氣范圍逐漸降低，循環(huán)倍率則呈現單調增大的趨勢.

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Study on Absorption Refrigeration Cycle with New Working Pairs Containing Ionic Liquids

WANG Ying1, LI Jing1, WANG Ke-liang1, LI Lin1, LIAN Ming-lei1,YE Kun2, LI Guo-yu1, LIU Han-guo1

(1. Dept. of Chemistry and Chemical Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui 553004, China;2. North China Company, China Petroleum Engineering Co. Ltd., Renqiu 062552, China)

Two ionic liquids 1-ethyl-3-methylimidazolium diethylphosphate ([Emim]DEP) and 1-methyl-3-methylimidazolium dimethylphosphate ([Mmim]DMP), which have super water-absorption capabity, were selected as absorbents in this study. Coefficient of performance(COP) and solution circulation ratio(f) of H2O-[Emim]DEP system and H2O-[Mmim]DMP system as new working pairs for absorption refrigeration cycles were calculated and compared with the traditional lithium bromide-water working pair. Two systems both had higher COP. At last, the influences of generation temperature, evaporating temperature, absorption temperature and other factors on the cycle performance were analyzed.

ionic liquid; absorption refrigeration; cycle performance

2016-03-29 基金項目：貴州省科技廳聯(lián)合基金項目(黔科合J字LKLS[2013]28號)； 貴州省教育廳重點科研項目(黔教合KY字[2014]282)； 國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目(201310977005)； 貴州省普通高等學校煤系固體廢棄物資源化技術創(chuàng)新團隊(黔教合人才團隊字[2014]46號)； 貴州省教育廳特色重點實驗室項目([2011]278)

王 瑛(1993-)，女，主要從事制冷工質技術研究.

李 靜(1986-)，女，碩士，講師，主要從事工程熱物理及能源高效利用技術的研究.

1673-3193(2016)05-0511-05

TQ013

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.05.014