基于膜分离器的NH3-H2O-LiBr吸收式制冷系统的研究分析

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2017-2608

摘要/Abstract

摘要：

氨-水-溴化锂（NH₃-H₂O-LiBr）三元吸收式制冷系统中溴化锂的存在有利于发生过程的进行，降低循环精馏热，但阻碍了吸收氨的传质过程，对吸收性能不利。对此本文提出基于膜分离器的氨-水-溴化锂吸收式制冷循环，可将溴化锂从进入吸收器的溶液中分离出来，进而改善吸收性能。并进行了在膜分离器中分离溴化锂的实验，实验结果表明NH₃-H₂O-LiBr三元溶液在膜分离器中两次循环后分离效率达98%。基于实验中的分离效率，利用Aspen Plus模拟器，进一步模拟分析了基于膜分离器的氨-水-溴化锂吸收式制冷系统，并计算其性能系数（COP）。结果表明，与普通三元循环相比，基于膜分离器的新型循环的能耗较低，性能系数可提高近10%。当发生温度从60℃升高到120℃时，循环的发生器热负荷逐渐降低，COP逐渐增大，最大达0.5869，较普通循环高6%，此时溴化锂质量分数变化范围为0~30%。

关键词: 吸收式制冷, 模拟, 性能系数, Aspen Plus, 膜分离器

Abstract:

The existence of lithium bromide can significantly improve the process of generation and reduce energy consumption of rectification. But it has negative effect on the absorption process of ammonia. Therefore, the new cycle of NH₃-H₂O-LiBr absorption refrigeration system based on membrane separator was proposed to separate lithium bromide from the solution stream entering absorber and improve absorption performance. And the experiment for separating lithium bromide in the membrane separator was carried out. The results showed that the separation efficiency of lithium bromide can reach 98% after twice solution cycle in membrane separator. Based on the separation efficiency of experiments, the Aspen Plus monitor process was used for further simulating and analyzing the NH₃-H₂O-LiBr absorption refrigeration system with membrane separator. Simulation results indicated that due to the application of membrane separator, the energy consumption of new cycle based on membrane separator was lower than the normal absorption system and the COP can be improved nearly 10%. When generator temperature increased from 60℃ to 120℃, the generator heat load decreased and the COP of absorption cycle increased with the highest value of 0.5869 at the mass fraction of lithium bromide ranging from 0—30%.

Key words: absorption refrigeration, simulation, COP, Aspen Plus, membrane separator

中图分类号:

TB61⁺6

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图/表 10

表1 性能参数表——3363/3364异相离子交换膜

膜类型

膜厚度

/μm

交换容量

/mol·kg^-1(干)

面电阻

/ $Ω ? c m 2$

表1 性能参数表——3363/3364异相离子交换膜

膜类型

膜厚度

/μm

交换容量

/mol·kg^-1(干)

面电阻

/ $Ω ? c m 2$

含水率/%

迁移数/%

3363（阳）

420

35 ~ 50

3364（阴）

420

1.8

30 ~ 45

图1 膜分离装置系统图

表2 膜分离前后三元溶液中溴化锂含量的变化

W （LiBr）/%	分离前溴化锂浓度/%	分离后溴化锂浓度/%	分离效率 /%	理论值 /%	相对误差 /%
10	10.04	0.27	97.31	98.47	1.18
15	15.01	0.11	99.27	98.47	-0.81
20	20.36	0.27	98.66	98.47	-0.19
25	25.06	0.51	97.95	98.47	0.53

表3 吸收式制冷系统中模拟器的选择

模块名称	模拟器类型	特点
发生器	Rad Frac-FRACT1	对平衡反应精馏过程进行严格模拟计算
冷凝器	Heat Exchangers-Heater	改变一股物流的热力学状态，使其变成特定状态下的物流
蒸发器	Heat Exchangers-Heater	改变一股物流的热力学状态，使其变成特定状态下的物流
吸收器	Rad Frac-ABSBR1	对吸收过程进行严格模拟计算，适用两相流体
溶液热交换器	Heat Exchangers-HeatX	模拟两股物流的换热过程
分离器	Separators-SEP2	两出口组分分离器，可设定分率将入口物流分离

图2 循环1和2的COP随溴化锂质量分数的变化

图3 循环1和2的系统能耗对比

图4 不同溴化锂质量分数下循环1的COP随发生温度的变化

图5 不同溴化锂质量分数下循环2 的COP随发生温度的变化

表4 膜分离器工作能耗

W(LiBr)/%	膜分离器电流 /A	膜分离器电压 /V	膜分离器能耗 /kW
10	1	17.4	0.017
15	1.55	18.7	0.029
20	2.16	19.7	0.043
25	2.82	20.6	0.058

符号说明

I	——	操作电流， A（经验式I=0.92I _lim）
I _lim	——	极限电流， A
N	——	膜堆的组装膜对数, 对
Q	——	通过膜堆的流量， m³/h
t	——	隔板厚度， cm
ν	——	膜分离器中溶液流速， cm/s
w	——	隔板宽度， cm
φ	——	水型系数，量纲为1

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基于膜分离器的NH₃-H₂O-LiBr吸收式制冷系统的研究分析

Analysis of NH₃-H₂O-LiBr absorption refrigeration system based on membrane separator

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