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以mmimDMP甲醇为工质对的吸收式制冷循环研究
第13卷第3
期2013年4月
REFRIGERATION ANDAIRCONDITIONING -
570-6
以[mmim]DMP-甲醇为工质对的吸收式
制冷循环研究
郭媛媛 朱磊 赵竞全
(北京航空航天大学)
摘 要 采用离子液体[运用文献提出的[mmim]DMPmmim]DMP-甲醇作为吸收式制冷系统工质对,-甲醇二元溶液经验方程进行制冷循环计算研究,并将此系统的工作压力、COP等与相同工况下的溴化锂-水、[氨-水制冷循环进行比较。
研究结果表明:
mmim]DMPCOP稍-甲醇工质对制冷系统工作压力要求适中,/[高于NH3/低于H2O其适用范围要大于H2O系统,LiBr系统;mmim]DMP-甲醇溶液对金属无腐蚀,/系统,具有一定的应用价值。
H2OLiBr关键词 离子液体;吸收式制冷循环;COP
Researchonabsortionrefrierationcclewith[mmim]DMPethanol -mpgy
GuoYuanuan ZhuLeihaoJinuan Z ygq()BeiinUniversitofAeronauticsandAstronautics jgy
ABSTRACT Ionicliuidof[mmim]DMP-methanolisadotedasworkinairsforab -qpgp sortionrefrierationsstem.Thecomutationofrefrierationccleutilizintheworkin pgypgygg
iscarriedonwiththeemiricaleuationsof[mmim]DMP-methanolrovidedintheairs pqpp
,relevantliteraturesandtheoerationressureandCOParecomaredwiththeBrLi -H2OppporNH3-H2Oabsortionrefrierationsstems.Theresultsshowthattheworkinressure pgygp
/ofnewrefrierantsstemismedium,COPisslihtlhiherthanNH3H2Osstemand gygygy /thanH2OLiBrsstem.Butthe[mmim]DMP-methanolsolutionisnotcorrosivetolower y
/,metalsandtheraneofalicationiswiderthanH2OLiBrandhascertainalication gppppvalue.
;;WORDSionicliuidabsortionrefrierationccleCOPKEY qpgy
氨-水和溴化锂-水吸收式制冷系统是最 目前,
为常用的吸收式制冷系统,但都存在很多缺点:
氨-水系统中,制冷剂氨有毒、易爆炸,与吸收剂水的沸点相差较小,工作压力较高;溴化锂-水系统中,溴化锂-水溶液对金属材料有较强的腐蚀性,系统运行时易出现结晶,蒸发温度不能太低。
因此,各国专家学者都在尝试开发新型工质对,已有学者对离子液体与常用制冷剂混合溶液的气液平衡、溶解性、表面
]13-
。
张力、黏度、密度等性质做了分析[
离子液体是一种具有独特物化性质的新型绿色溶剂,与甲醇等有机溶剂可以完全互溶;溶解时其黏度急剧下降;化学稳定性和热稳定性较高;制
收稿日期:
20120910--
作者简介:
郭媛媛,硕士,研究方向为制冷与低温工程。
系统压力要求适中,放气范围较广,无结造简单;
晶现象,甲醇沸点与离子液体相差较大,无需精馏设备,离子液体对金属无腐蚀。
因此,笔者对离子[液体1,3mmim]-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐(作为吸收剂、甲醇作为制冷剂的吸收式制冷DMP)
循环系统进行计算研究。
1 [mmim]DMP-甲醇溶液的性质
[]
1.1 二元溶液的密度3
在2离子液体摩尔分95~325K温度范围内,数分别为0.203,0.399,0.603,0.805和1.000时二元溶液的密度为
α+ρ=β×T
()1
8· ·5第13卷
其中:
i-1axα=i∑i2=1
44
温度与浓度关系31.4 混合溶液的压力、
实验测定离子液体的质量分数(分别在ε)0.500,0.413,0.303,0.203和0.104时的混合溶液的蒸汽压,得到一系列数据点,如图1所示。
[]
bx∑β=i
=1
3
/);;式中:
cmT为绝对温度(K)agi和biρ为密度(;为最小二乘法确定的回归系数(见表1)x2为离子液体质量分数。
表
回归系数
i-1
i2
1.2 二元溶液的黏度3
在2离子液体98.15~323.15K温度范围内,摩尔分数分别为0.203,0.399,0.603,0.805和1.000时二元溶液的黏度为:
图1 不同离子液体质量分数下二元溶液蒸汽压与温度关系
[]
Eaxpη=η!
eRT
5
)
i-1
()2
利用O将图1中数据拟合成公式,riin软件,g、)得到温度与压力(质量分数(之间的关系式,εp)T=+33.424
0.00457-0.0015-0.000261115ln ε p
()4
与文献[中的实测数据相比,式(中计算3]4)温度值的平均相对误差为0.056%。
1.5 二元混合溶液的焓值计算4
[mmim]DMP-甲醇溶液的比焓值表达式为
[]
Bx2∑iη!
=i
=1
5
i-1
Ea=∑Axi2
i=1
。
其中,系数Ai和Bi列于表2
[]
h=491.653-21.3545×ε+0.
22
()(0.025104960273T-T0)+ ε-0. ε+0.
2E()(-0.88958667003T-T0)+h ε+0.ε+1.
()5
1.3 二元溶液的比热容3
在2离子液体98.15~323.15K温度范围内,摩尔分数分别为0.203,0.399,0.591,0.810和可采用下式计算:
1.000时二元溶液的密度,
其中,过量焓如下:
E
h=xx12
cca×T0+p=p
其中:
i-1
c
x0=∑Ai2p
i=15
()3
(221(2111)12112112)+2
(xxG21+21)(112(1222)21221212) 2
(xxG12+12)
]
()6
/(RT)τiiggj=(j-jj)
(Gex-ατpiiij=jj)
i-1
a=∑Bxi2
i=1
5
。
系数Ai和Bi列于表3
B1T12-22=A1+gg
B2T21-11=A2+gg
式中:
T0为对比温度,T0=273.15K;T为二元溶液的温度;x1和x2分别为离子液体和甲醇的摩尔分数;A1,A2,B1,B2和αij均为模型参数。
根据相关文献、实验数据和NRTL模型进行)分析,当离子液体的质量分数在(0.1773,0.7492 )时用三参数模型,当在(时用五参0.7492,0.8745
第3期郭媛媛等:
以[mmim]DMP-甲醇为工质对的吸收式制冷循环研究
表4 三参数NRTL模型参数
·59·
gg12-22
-36.94gg21-11
-25176.9
α12
0.0313
表5 五参数NRTL模型参数
A1
1322.3
A2
-1263
B1
-16.7
B2
15.4
α12
0.7
数模型,各参数值见表4和表5。
1.6 甲醇制冷剂蒸气焓值计算
甲醇蒸气的焓值为甲醇汽化潜热与液相焓之和。
]5
)甲醇汽化潜热[计算1
以一个温度下的汽化潜热利用Watson公式,
有如下公式:
计算另一个温度下的汽化潜热,
图2 采用传热传质分离结构的吸收式制冷循环流程图
表6 选取参数值表
名称
吸收器出口冷却水温度冷凝器出口冷却水温度
冷凝温度冷凝压力蒸发温度蒸发压力吸收压力
吸收器出口稀溶液温度发生器出口浓溶液温度
稀溶液质量分数浓溶液质量分数
溶液热交换器出口浓溶液温度溶液热交换器出口稀溶液温度
吸收器中喷淋溶液温度
符号/单位
/℃tw1/℃tw2
/℃tk/kPa pk/to℃/kPa po
来源
结果37374035.4107.4
t5 w+t5 w+
t3 w2+
H2=ΔH1×Δ
1-Tr2
1-Tr1
)
n
()7
n=bbTr+bT2b,T30+12r+r
式中:
Tr1为基准温度0℃下的对比温度,值为0.5323;TrTr为 2为计算温度下的对比温度;对比温度;值为H1为基准温度下汽化潜热,Δ
/;9.129kcalmolb.153889471,b 0=-11=169015,b.388039059,b5.199 2=-63=
2.727924008。
)甲醇液相焓计算2
,利用混合溶液焓值计算公式(当离子液体5)
质量分数ε=0时,甲醇液相焓为
2h甲醇=491.653+0.01365t+1.7003t
故得到甲醇蒸气的焓值为
t3 x′-
/kPa7.4 pa
/℃tt340 2w1+/,()t89.6εp4℃rpkg=
εaεr/t8℃/℃t7
/℃t9
0.720.82
t15 2+
,h7εahε9,o
557942
表7 各状态点参数表
名称
蒸发器中甲醇制冷剂液体
标号1
温度/压力/质量
℃kPa分数104 7.104 7. 40
0.72
405.4 3
1698.7 486488.1焓值/
/)(kJkg
h′=ΔH2+h甲醇
2 制冷循环的计算研究
()8
蒸发器中甲醇制冷剂蒸气1′
吸收器出口稀溶液2 冷凝器中甲醇制冷剂液体
3
采用单效循环理论,并采用传热传质分离的[吸收器,具体流程(见图2)为:
mmim]DMP-甲醇稀溶液在发生器中被热源加热,产生制冷剂甲醇制冷剂甲醇蒸气在冷凝器中被冷却,并凝结蒸气,
成液态,经过节流阀,进入蒸发器,在蒸发器中吸热蒸发,吸收冷媒热量,冷媒温度降低,制冷剂甲醇由液态转变为气态。
由发生器出来的浓溶液,经溶液热交换器后,与来自吸收器的部分稀溶液混合,进入吸收预冷器与冷却水进行热量交换,然后进入吸收器进行喷淋,吸收来自蒸发器的制冷剂甲醇蒸气。
其中稀溶液先经溶液热交换器吸热升温,再进入发生器,进行下一个循环。
2.1 设计参数
设定制冷量Qo=5kW,冷冻水出口温度tx′
=冷却水进口温度t热源温度:
13℃,32℃,tw=h=
冷凝器中甲醇制冷剂蒸气3′405.41726.1 3
发生器出口浓溶液49.60.8228.4 8 6溶液热交换器出口稀溶液790.72546 7 溶液热交换器出口浓溶液850.82560 5 吸收器中喷淋溶液
9
42
500
[]100℃。
各状态点参数值6见表6和表7。
2.2 各换热器热负荷计算
)制冷剂流量(/)1ksg
QoQo
=0.00413 qmd==
h′ho1-3q
)发生器热负荷(2kW)
Qg=(hh′h7.34f-4+3-f7=qmqmd)qmdqm
/)。
式中qksgmf为送往发生器的稀溶液的流量()冷凝器热负荷(3kW)Qk=hh=5.113′-3)qmd(
)吸收预冷器热负荷(4kW)
Qa=(hh′h7.22f-9+1-f2=qmqmd)qmdqm
0· ·6第13卷
)溶液热交换器热负荷(5kW)Qehh=2.04x=f(7-2)qm2.3 热力系数和热力完善度
)热力系数1
发生温度超过了溴化锂水溶液的耐腐蚀温度之/而[后,H2OLiBr工质对将不再适用,mmim]故其适用范围要DMP-甲醇溶液对金属无腐蚀性,
/。
大于H2OLiBr3 结论
对采用离子液体[mmim]DMP-甲醇作为工质对的吸收式制冷循环进行了研究,对该吸收式制
o
COP==0.68
Qg
)最大热力系数2
max=ξ
3-21
=2.58
T3T2-T1
式中:
热源温度T3=3环境温度T2=373K;08K;
))
并与采用传统工质对的冷循环进行了热力计算,
制冷循环的工作压力和COP等进行了比较。
分析表明,新型工质对的工作压力要求适中,COP与//但低于H2O尽NH3H2O系统相当,LiBr系统,
管如此,由于离子液体[mmim]DMP-甲醇溶液对/。
因其适用范围要大于H2O金属无腐蚀,LiBr此,离子液体[mmim]DMP-甲醇工质对在吸收式制冷系统中具有一定的应用价值。
参考文献
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frierantbsorbentPairsinaVaorbsortionRe-A -A -gpp[]frierationCclebtheUseofEuationsofStateJ. gyyq ,():
AliedEner2005,804383399. -ppgy
冷源温度T1=288.5K。
)热力完善度3
=0.264β=ma
ξx
2.4 新型工质对与传统工质对制冷循环的比较基于[通mmim]DMP-甲醇溶液热物性模型,过对单效循环进行计算,得出新型工质对的热力系数COP=0.68。
]//为了与文献[中H2O7LiBr和NH3H2O循环的制冷效率作比较,笔者选取了与文献[相同7]的循环工况,即发生温度1冷凝温度400℃,0℃,蒸发温度1则新型工质对与传统工质对单效0℃,、循环系统工作压力、循环倍率(放气范围(及ε)f)
COP的对比如表8所示。
表8 三种工质对单效循环性能比较
工质对新型工质对
/NH3H2O /LiBrH2O
//kPakPa p pkof
35.47.48.24 1548 7.38
615 1.23
2.54 4.08
ε
0.10
0.24 0.16
COP
0.680.650.83
通过上表可以看出:
)新型工质对的工作压力远低于NH/,1H32O
/稍微大于H2O真空度要求低于LiBr的。
此外,/。
H2OLiBr
)新型工质对的循环倍率虽然要高于NH3/2/,但是在可接受范围之内。
H2O及H2OLiBr
)新型工质对的C/3OP要低于H2OLiBr系//统,而稍高于NH3即与NH3H2O系统,H2O系统的C但溴化锂水溶液具有腐蚀性,当OP相当。
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