吸收喷射复合制冷与双效吸收式制冷系统热经济性比较

吸收喷射复合制冷与双效吸收式制冷系统热经济性比较

z设备投资，元朝。A传热面积,m2B设备年运行时间,hW功率,kWCele电价,元/(kW·h)Bc年度总成本,元/aβ相对价格比ξ锅炉的热效率ˉhh¯燃料的热值,kJ/kgCop性能系数Cgas天然气价格,元/N·m3Q设备热负荷,kWGgas天然气流量,N·m3/s下标hg高压发生器lg低压发生器g发生器a吸收器c冷凝器e蒸发器ct冷却塔ej喷射器pump溶液泵及循环水泵fan轴流风机hex高温溶液热交换器lex低温溶液热交换器ex溶液热交换器hyb三压吸收?喷射复合制冷循环dou双效吸收式制冷循环作为制冷设备,其商业应用前景取决于综合的热经济性能.研究表明,吸收?喷射复合制冷循环的性能系数Cop比一般的单效吸收式高30%～60%,显示出较好的工程应用前景.本文对三压吸收?喷射复合制冷循环与小型双效吸收式制冷循环的热经济性能等方面进行了研究,并分析了小型三压吸收?喷射复合制冷系统的应用前景.1计算方法的验证图1是串联方式的双效吸收式制冷循环原理图.图2是三压吸收?喷射复合制冷循环原理图,为了便于比较,假设两种流程均采用LiBr?H2O工质对,溶液的总浓度差ΔX=0.055,而设计工况的制冷量Q0=30kW,发生温度tg=170℃,冷凝温度tc=42℃,蒸发温度te=7℃,吸收温度ta=40℃,溶夜热交换器效率η=0.9,两系统的热交换设备对外无热损失.同时,假设双效吸收式制冷机组低压发生器的热平衡相对误差小于10%.根据文献提出的计算方法,分别对两流程进行计算,得到了图3的计算曲线.计算结果表明如下.(1)双效吸收式制冷循环利用高温高压的冷剂蒸汽直接加热经高温溶液热交换器降温的浓溶液,并再次生成二次冷剂蒸汽,使高温高压的一次冷剂蒸汽的显热、潜热得到了充分的利用,而吸收?喷射复合制冷循环则利用它引射低压蒸汽,喷射器出口混合气体为过热态.两者利用较高品位的一次蒸汽形式的不同,导致系统■效率的不同.经计算,前者为26.18%;后者为19.64%.喷射器的■损失占整个吸收?喷射复合制冷循环系统■损失的37.4%.因此,在利用高温高压蒸汽的显热、潜热方面,双效吸收式制冷循环比吸收?喷射复合制冷循环更有效.(2)双效吸收式制冷循环理论计算的性能系统Cop略高于吸收?喷射复合制冷循环系统,如图3所示.理论计算表明,Cop的差别在于低温稀溶液进入高温发生器前进行了两次加热,温度高达154℃,而吸收?喷射复合制冷循环的稀溶液在进入发生器前的温度仅为138℃(te=7℃).(3)与吸收?喷射复合制冷循环相比,双效吸收式制冷循环的溶液热交换器热负荷增加50%左右,主要原因是增加了低温溶液热交换器.另外,由于小型化设计(制冷量小于30kW),使各换热器的无效面积比例增大,更增加了双效吸收式制冷机的投资费用.由图1、图2及以上分析可知,与双效系统相比,三压吸收?喷射复合系统减少了低压发生器、低温溶液热交换器,其结构简单,初投资小,性能系统略小于双效系统,而后者则相反.因此,对于两种系统的优劣,需要用热经济学综合评价方法进行分析.2轴流风机的投资在进行热经济学分析时,以年度总成本为目标,年度总成本包括年度化了的投资费用和运行费用.系统初投资包括各种换热设备、喷射器、溶液泵和冷却塔用轴流风机的投资;运行费用主要是热源费用、冷却水费用及电费.冷却水采用闭式循环空气冷却,因水蒸气挥发而损失的冷却水只占总量的很小一部分,因而冷却水费用可略去不计.因此,运行费用集中于溶液泵、冷却水循环泵和轴流风机所需的电费以及热源方面.2.1主要传热形式利用余热等低品位能源作热源是节约能源、提高经济效益的有效途径之一.如果认为余热成本为零,则双效吸收式制冷系统和三压吸收?喷射复合制冷系统的年度总成本可表示为BCdou=δ(Ζhg+Ζlg+Ζhex+Ζlex+Ζc+Ζe+Ζa+Ζpump+Ζfan+Ζct)+CeleB(Wpump+Wfan)(1)BChyb=δ(Ζg+Ζex+Ζe+Ζc+Ζa+Ζej+Ζct+Ζpump+Ζfan)+CeleB(Wpump+Wfan)(2)BCdou=δ(Zhg+Zlg+Zhex+Zlex+Zc+Ze+Za+Zpump+Zfan+Zct)+CeleB(Wpump+Wfan)(1)BChyb=δ(Zg+Zex+Ze+Zc+Za+Zej+Zct+Zpump+Zfan)+CeleB(Wpump+Wfan)(2)又因为喷射泵的投资远低于换热器的投资,故式(2)可略去Zej不计.上两式中δ=i(1+i)n/[(1+i)n-1](3)Ζ=p+qAr(4)δ=i(1+i)n/[(1+i)n−1](3)Z=p+qAr(4)式中:p、q、r为取决于换热形式的价格常数;A为传热面积,由传热方程确定A=QΚ(Δ-aΔt1-bΔt2)(5)A=QK(Δ−aΔt1−bΔt2)(5)式中:Q为各换热设备的热负荷,单位为kW;K为对应的换热系数,单位为kW/(m2·K);Δ为两流体最大温差;Δt1为流量×比热值较大的流体温差;Δt2为流量×比热值较小的流体温差;a、b为与流体在换热设备中流动状态有关的常数,当逆流时,a=0.35,当顺流时,a=0.65,当叉流时,a=0.45～0.55;b=0.65.2.2直燃型冷水机组的燃料价格确定目前,冷水机组广泛地采用直燃型.特别是由于近年来人们的环保意识日益加强,加上我国天然气田的不断开发,因此采用天然气为燃料的直燃型冷水机组日益受到人们的重视和关注.采用以天然气为燃料的直燃型冷水机组时,需要进一步考虑燃料的价格,所以式(1)、式(2)应加上一项,即CgasBGgas,其中Ggas=Qg/(ˉhξ)(6)Ggas=Qg/(h¯ξ)(6)3冷水机组的节能方法设计由于热经济学评价采用的数据大部分来自预测或估计,为了分析这些不确定因素的影响,本文采用限定幅度的计算方法,各种方案的费用均以相当于最高费用(如图4中双效的最大值)和最低费用的计算线(如图4中双效的最小值)作成的带状图.在两方案的比较中,会出现重叠的部分,这表示两方案的优越性相接近.在设备投资方案决策中,作为年度总成本(Bc)要素的年利率、年运行小时数、电费、使用年限等,都是对未来因素的估计值,包含着相当大的不确定性.因此,对于这些因素的处理,有利于作出较合理的决策.首先确定基本方案,两流程设计工况如前所述,而最高费用对应的年运行小时数为1000h,最低费用对应的年小时数为600h.计算时取n=10a,i=0.3,Cele=0.37元/(kW·h),ξ=0.85;天然气的热值ˉh=35ΜJ/Ν⋅m3h¯=35MJ/N⋅m3.因冷却水流量小(<2kg/s),而溶液泵和循环水泵的扬程及功耗几乎相同,所以两流程选用相同的冷却塔、溶液泵、循环水泵及轴流风机.计算表明,泵所消耗的费用相对于总成本很小,所以对于余热型冷水机组,年度总成本受设备折旧率的影响最大;对于直燃型冷水机组,年度总成本中57%以上是运行费用,特别是要受到燃料费用(Cgas=1.1元/N·m3时)的影响.因此,在作敏感性分析时,前者采用银行年利率作为自由变量,后者则采用燃料(天然气)的价格作为自由变量.为了表示燃料(天然气)价格的变动对年度总成本的影响,引进相对价格比β=CgasCgas0(7)式中:Cgas0=1.1元/N·m3.3.1尾气温度对三压吸收制冷系统的影响图4为余热型冷水机组的年度总成本随年利率i的变化曲线.热源(烟气的尾气)温度进口为250℃,出口为200℃.从图4中可以看出,两带状区域无公共部分,这说明不论利率如何变化,对于余热型冷水机组,三压吸收?喷射复合制冷循环系统的年度总成本明显低于双效吸收式制冷系统.3.2双效系统与三压系统的匹配图5为直燃型冷水机组的年度总成本随燃料价格的变化曲线.热源(高温烟气)温度进口为800℃,出口为250℃,β1、β2、β3分别表示三压系统与双效系统的最大与最小值、最大与最大值、最小与最小值的交点.由图可知:①随着天然气价格的上涨,低负荷工作对三压吸收?喷射复合制冷系统有利;②当工作负荷在最大值与最小值之间变动时,两带状区间所夹的阴影部分为两方案的优劣难以确定区.因此,当β>β1时,三压吸收?喷射复合制冷循环系统与双效吸收式制冷循环系统具有一定的可替代性.4喷射复合制冷循环(1)吸收?喷射复合式制冷机可以利用多种形式的余热,且性能系数Cop较高,可达1.0左右