50kW燃气驱动小型氨水吸收式热泵系统设计与性能优化分析文献综述

文献综述（或调研报告）：

（一）氨水吸收式热泵的起源和背景

随着人们对环境和能源问题的关切，面对日益严峻的全球变暖和极端天气的频频出现，加上对臭氧层破坏的关注，天然制冷剂又重新得到了重视和开发。以挪威的劳伦曾教授为代表的提倡天然制冷剂的流派投向了“取之于自然，还之于自然”的天然制冷剂。国际制冷学会从1994年起举办两年一度的专题讨论天然工质的国际会议，交流探讨在此领域中的新发现和成果。目前在天然制冷剂中，以氨丙烷与其他烃的混合物及CO₂制冷技术最有可能成为R22的长期替代物。氨来源于自然界和人工制造，其臭氧层损耗潜能值ODP和全球变暖潜能值GWP均为零，符合当今节能减排和可持续发展的要求，是具有120多年使用经验的一种廉价天然制冷剂，其热力性能优良，其容积制冷量和能效比均可优于R22。氨作为制冷剂的优点是: 易于获得、价格低廉、压力适中、单位制冷量大、放热系数高、几乎不溶解于油、流动阻力小，泄漏时易发现。氨水吸收式制冷作为一种节能环保的制冷方式，其蒸发温度一般可达－30℃左右的低温冷量，这样就可以应用在工业制冰，食品速冻和特殊场合冷冻冷藏。

氨水吸收式制冷以自然存在的水和氨等为吸收和制冷剂，对环境和大气臭氧层无害；以热能为驱动热源，除了利用锅炉蒸汽、燃料产生的热能外，还可以利用余热、废热、太阳能等低品位热能，在同一机组中还可以实现制冷和制热的双重目的。整套装置除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运转安静、振动小；同时，制冷机结构简单、安全可靠、安装方便。在当前能源紧缺、电力供应紧张、环境问题日益严峻的情况下，吸收式制冷技术以其特有的优势已经受到广泛的关注。目前，吸收式制冷正在向着小型化、高效化的方向发展，各国对吸收式技术的开发研究主要集中在强化传热传质、研制新型降膜管、联合循环、余热利用、吸收式热泵、吸收和发生过程的机理研究、界面活性剂及缓蚀剂、机组优化及经济性分析、系统的特性仿真等方面。吸收式制冷已经成为制冷技术的主要发展方向之一，有着非常广阔的前景。

随着近年来国家对节能减排、低碳环保的重视，国内外高校和科研单位对氨水吸收式制冷和热泵系统及其关键设备开展了积极的研究。这些设备是氨水吸收式制冷系统的核心设备，如精馏塔、吸收器、发生器，其中对吸收器和发生器的研究尤其活跃。

（二）对于氨水吸收式热泵性能的研究

孟欣，栗鹏飞等人使用软件对氨水吸收式热泵进行了实验研究。优化主要包括：在材料和能源一定的情况下对系统进行优化，以便于获得其最大的技术效果。其团队采用了坐标轮换法对以上参数进行优化，其优化原理是: 把系统抽象成多元函数，函数中含有多个变量 对系统进行优化时，让其中一个变量先发生变化，其他变量设为定值，求出该变量的最优值，然后让其他变量依次发生变化，找出它们各自的最优值。

1）以最大热力系数为优化目标：具体参数优化见表1。优化前后的换热面积对比见表2。经测试计算后，COP有了显著的升高，但该系统的换热总面积却增加了170.21㎡，由此可见，若只片面追求COP的提高，则会增加初始投资。因此当以最大热力系数为优化目标时，优化的结果是不能够完全反映出系统的综合性能。

表1 参数优化

表2 优化结果

2）已最小换热面积为优化目标：具体参数优化见表3。优化前后的换热面积对比见表4。可以看出当系统以最小换热面积为优化目标时，优化后系统的换热总面积虽然减少了100.92㎡。但COP值却降至0.4459.由于COP值的降低，从而使运行成本增加。由此看出，若只是追求初始投资的最小，则会降低系统的热力系数，从而使系统的运行成本增加。因此采用该优化目标时，优化的结果不能完全反映出系统的综合性能。

表3 参数优化

表4 优化结果

3）以最小面积性能比为优化目标：具体参数优化见表5。优化前后的换热面积对比见表6。由上述结果可以看出，当系统以最小面积性能比为优化目标时，系统的COP由0.4471增加到了0.527，同时该系统的换热总面积也减少了25.02㎡。由此可以看出，以最小面积性能比为优化目标时，不仅可以降低系统的制造成本，同时又可以降低系统的运行成本。因此当以最小面积性能比为优化目标时，优化结果能够充分反映出系统的综合性能。

表5 参数优化

表6 优化结果

其团队分别以最大热力系数、最小换热面积以及最小面积性能比三大优化原则为优化目标，对制冷温度、发生器热端温差等7个参数进行优化，经软件计算、数据对比，得出以最小面积性能比为优化目标时，优化结果能够有效的提高系统的综合性能。

孔丁峰，柳建华等人建立了一台单级式氨水吸收式实验样机，应用热量、质量守恒方程对试验样机的不同部件分别建立了热力学模型，进行了单级氨水吸收式制冷剂性能特性的研究。

以冷却水的变化为例，当其他参数不变时，仅改变冷却水参数，经过试验计算后得出COP与冷却水的关系图，如图1。

图1 冷却水量与性能系数之间的关系

冷却水对系统的稳定和平衡影响较大。这是因为，正常工作时，塔内压力的大小取决于冷却水的调节，包括冷却水量与冷却水温度，与电加热功率的大小无关，与发生器温度也无直接关系。冷却水量突然开大，会使塔内上升气量变大 , 发生器压力下降，气量变大，则使塔发生液泛。冷却水量突然变小，则漏液变多，发生器压力上升，塔对冷却水变化的敏感度较大，所以导致COP波动较大。

（三）GAX循环

GAX循环(Generator-Absorber Heat Exchange Cycle)是在溶液回路中设置发生-吸收热交换器(Generator-Absorber Heat Exchanger)，回收吸收过程排放的热量用作发生过程的热源，可以获得较大的放气范围，从而可以大幅度提高制冷循环的热力系数。GAX循环的概念最早由Altenkirch于1913年提出的，直到二十世纪80 年代才逐步受到重视。随着人们对吸收式制冷的深入研究， GAX循环也出现了不同的结构形式或种类，如基本GAX、分支GAX、VX2GAX、半GAX、多分支GAX等，并有多台机组投入运行。其中Philips于1990年提出了较为成熟的循环形式，即“基本GAX循环”。目前国际上在GAX循环研究方面主要集中在提高循环性能系数的循环结构方式研究。Y．T．Kang等(2000)对GAX循环的研究进展进行了详细的论述。上海交通大学的周锦生等(1997)和同济大学的张敏华等(1997)分别就GAX机组研究和计算机仿真研究的进展进行了阐述。近几年，与自然工质的应用研究相适应，乙醇系自然工质对(如TFE／NMP和TFE／E181)GAX的研究也受到了人们的广泛重视。大连理工大学张利嵩等(2000)、任国红等(2002)开展了以TFE／NMP为工质的循环分析和TFE／NMP降膜吸收过程的热质传递研究。

（四）总结

在对氨水吸收式热泵性能进行优化时，要考虑不同的参数变量，如冷却水温度和各个部件的传热温差等，在环境温度的波动情况下，不能过度的增大换热面积来提高COP，以避免成本过高，要根据面积性能比这一参数作为优先优化目标，在保证一般工况下的COP时，可以适当舍弃在低温的极端工况下的COP以保证经济性。同时，冷却水对COP的影响也较大，在设计优化时也要考虑冷却水的水温以及流量，选择合适的参数保证性能最佳。

参考文献：

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文献综述（或调研报告）：

（一）氨水吸收式热泵的起源和背景

随着人们对环境和能源问题的关切，面对日益严峻的全球变暖和极端天气的频频出现，加上对臭氧层破坏的关注，天然制冷剂又重新得到了重视和开发。以挪威的劳伦曾教授为代表的提倡天然制冷剂的流派投向了“取之于自然，还之于自然”的天然制冷剂。国际制冷学会从1994年起举办两年一度的专题讨论天然工质的国际会议，交流探讨在此领域中的新发现和成果。目前在天然制冷剂中，以氨丙烷与其他烃的混合物及CO₂制冷技术最有可能成为R22的长期替代物。氨来源于自然界和人工制造，其臭氧层损耗潜能值ODP和全球变暖潜能值GWP均为零，符合当今节能减排和可持续发展的要求，是具有120多年使用经验的一种廉价天然制冷剂，其热力性能优良，其容积制冷量和能效比均可优于R22。氨作为制冷剂的优点是: 易于获得、价格低廉、压力适中、单位制冷量大、放热系数高、几乎不溶解于油、流动阻力小，泄漏时易发现。氨水吸收式制冷作为一种节能环保的制冷方式，其蒸发温度一般可达－30℃左右的低温冷量，这样就可以应用在工业制冰，食品速冻和特殊场合冷冻冷藏。

氨水吸收式制冷以自然存在的水和氨等为吸收和制冷剂，对环境和大气臭氧层无害；以热能为驱动热源，除了利用锅炉蒸汽、燃料产生的热能外，还可以利用余热、废热、太阳能等低品位热能，在同一机组中还可以实现制冷和制热的双重目的。整套装置除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运转安静、振动小；同时，制冷机结构简单、安全可靠、安装方便。在当前能源紧缺、电力供应紧张、环境问题日益严峻的情况下，吸收式制冷技术以其特有的优势已经受到广泛的关注。目前，吸收式制冷正在向着小型化、高效化的方向发展，各国对吸收式技术的开发研究主要集中在强化传热传质、研制新型降膜管、联合循环、余热利用、吸收式热泵、吸收和发生过程的机理研究、界面活性剂及缓蚀剂、机组优化及经济性分析、系统的特性仿真等方面。吸收式制冷已经成为制冷技术的主要发展方向之一，有着非常广阔的前景。

随着近年来国家对节能减排、低碳环保的重视，国内外高校和科研单位对氨水吸收式制冷和热泵系统及其关键设备开展了积极的研究。这些设备是氨水吸收式制冷系统的核心设备，如精馏塔、吸收器、发生器，其中对吸收器和发生器的研究尤其活跃。

（二）对于氨水吸收式热泵性能的研究

孟欣，栗鹏飞等人使用软件对氨水吸收式热泵进行了实验研究。优化主要包括：在材料和能源一定的情况下对系统进行优化，以便于获得其最大的技术效果。其团队采用了坐标轮换法对以上参数进行优化，其优化原理是: 把系统抽象成多元函数，函数中含有多个变量 对系统进行优化时，让其中一个变量先发生变化，其他变量设为定值，求出该变量的最优值，然后让其他变量依次发生变化，找出它们各自的最优值。

1）以最大热力系数为优化目标：具体参数优化见表1。优化前后的换热面积对比见表2。经测试计算后，COP有了显著的升高，但该系统的换热总面积却增加了170.21㎡，由此可见，若只片面追求COP的提高，则会增加初始投资。因此当以最大热力系数为优化目标时，优化的结果是不能够完全反映出系统的综合性能。

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