氨水吸收式制冷系统及关键设备的研究综述

低温与超导第 41 卷第 6 期制冷技术ＲefrigerationCryo． ＆ Supercond．Vol． 41No． 6收稿日期：2013 － 03 － 13作者简介： 陈小砖（ 1979 － ） ，男，博士，讲师，主要研究方向为制冷技术与工程热物理。氨水吸收式制冷系统及关键设备的研究综述陈小砖1，2，柳建华1，张良1，张慧晨1，刘旗1（ 1． 上海理工大学能源与动力工程学院， 上海 200093；2． 河南理工大学机械与动力工程学院， 焦作 454003）摘要：氨水吸收式制冷是一种绿色环保、节能减排的制冷技术。 文中研究了在系统整机方面的最新研发成果，分析这些设备的运行情况。 分别从制冷系统优化设计、吸收器内气液传热传质的强化方法和途径、气液界面 Marangoni 效应和流体形态对传质影响这四个角度，详细论述了高校与科研单位近年来的研究成果。关键词： 氨水；吸收式制冷；吸收器；传热传质Ｒeview on study of aqua ammonia absorption refrigeration system and key equipmentChen Xiaozhuan1，2，Liu Jianhua1， Zhang Liang1， Zhang Huichen1，Liu Qi1（ 1． School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China；2． School of Mechanical and Power Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454003， China）Abstract：Aqua ammonia absorption refrigeration is a kind of refrigeration technology which can bring about green environ-mental protection and energy conservation and emission reduction． Latest research results on system of the machine at home andabroad were reviewed and operation of the equipment was analyzed． The four research angle were refrigeration system optimizationdesign， strengthening ways and means of gas － liquid heat and mass transfer in absorber， marangoni effect and fluid shape onmass transfer and mechanism of surface structure outside of falling film tube on mass transfer． Ｒesearch results were discussed indetail acquired by domestic and foreign colleges and universities and scientific research institutions in recent years．Keywords：Aqua ammonia， Absorption refrigeration， Absorber， Heat and mass transfer1引言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 （ G． Lorentzen） 教授为代表的提倡天然制冷剂的流派投向了“取之于自然， 还之与自 然”的天然制冷剂。 国际制冷学会（ IIＲ） 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剂和制冷剂，对环境和大气臭氧层无害；以热能为驱动能源，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（ 采暖） 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形势下，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、机组优化设计及经济性分析、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。 本文首先介绍在氨水吸收式制冷系统的研发及工程应用进展， 然后分析国外同行高校和企业在氨水吸收式制冷系统及吸收器已经取得的研究成果。2氨水吸收式制冷系统整机研发现状泰山集团泰安华能制冷 2003 年与大连理工大学、上海海事大学等院校和科研单位图 1余热利用氨水吸收式制冰机Fig． 1Aqua ammonia absorption ice maker utilizing waste －heat图 2上海理工大学的氨水吸收式制冷系统Fig． 2Aqua ammonia absorption refrigeration system ofUSST联合成立余热制冷研发中心， 设计制造了一些利用工业余热制冷的示范项目 。

其回收渔船尾气的氨水吸收式制冰机被列入“2008 － 2009 国家重点新产品计划项目 ”和“2009 国家资源节约备选项目”。 如图 1 所示是利用 300kW 火电厂机组排放余热的氨水吸收式制冰机。上海理工大学研究开发出氨水吸收式制冷系统的整体装置，在运行中取得良好的制冰效果，如图 2 所示氨吸收式制冷装置。 该样机在发生压力 1． 1MPa，发生温度89℃ ，制冷系数实际值在 0． 37 ～0． 45 之间。 通过实验发现，吸收器的性能对整个系统的稳定运行有至关重要的影响。 吸收器内温度和压力、 氨水溶液流量的平衡稳定直接关系到整个系统制冷的效果。内华达大学的 Sangsoo Lee 和佐治亚理工学院的 Srinivas Garimella 等搭建了氨水吸收式热泵系统，如图 3 所示。 图 4 是该系统中 的 吸收器图 3内华达大学的氨水吸收式制冷系统Fig． 3Aqua ammonia absorption heat pump system of Uni-versity of Nevada图4 吸收器Fig． 4Absorber·84·制冷技术Ｒefrigeration第 6 期（ Absorber） 。

在蒸汽两效溴化锂吸收式制冷机中，高压发生器的作用是将0.2～0.8mpa（表压）工作蒸汽通入传热管内，加热管外的溴化锂溶液，使之沸腾并产生冷剂蒸汽。发生器内的稀溶液由于发生出冷剂蒸汽而形成温度较高的浓溶液，依靠上下筒的压力差和溶液本身的重量，流经热交换器被低温稀溶液吸热降温后，自流进入吸收器4，与吸收器中的溶液混合成中间浓度的浓溶液，由吸收器泵9输送并喷淋到吸收器管簇外，吸收从蒸发器蒸发出来的冷剂蒸汽后使溶液浓度降低。在某一次使双液系气液平衡,测定沸点后,烧瓶内溶液和冷凝管中的蒸汽冷凝液浓度均未知.测出它们的折光率能就能根据浓度-折光率标准曲线计算样品溶液(液相)和蒸汽冷凝液(也就是蒸汽,气相)中2个组分的浓度.。

该系统包括集气管、洗涤塔、冷却塔和氨吸收塔等,用冷水冷却油气,使页岩油分别冷凝下来,并在氨吸收塔内用1.8％的稀硫酸溶液吸收气体中的氨，生成的硫酸铵溶液在塔底分离出夹带的部分页岩油后，再去结晶装置，生产硫酸铵。该系统包括集气管、洗涤塔、冷却塔和氨吸收塔等,用冷水冷却油气,使页岩油分别冷凝下来,并在氨吸收塔内用1.8%的稀硫酸溶液吸收气体中的氨，生成的硫酸铵溶液在塔底分离出夹带的部分页岩油后，再去结晶装置，生产硫酸铵。在碱性条件下废水中的氨氮以游离氨的形式存在，当大量蒸汽与废水接触时，游离氨被吹脱出来析出的可溶性气体通过吸收器，氨被磷酸溶液吸收，再将此富氨溶液送入汽提器，使磷酸溶液再生并回收。

在分析原因时指出气体对溶液表面的剪切力影响传热传质， 逆流时气体与溶液表面的波动阻碍了传热传质。 值得一提的是他所设计的实验系统比较独特， 降膜壁面是由冷却水盘管形成的凸凹不平的竖直壁面。 这种降膜壁面的好处是， 冷却效果好， 而且由于壁面的波动，促成了溶液混合。佛罗里达大学的 Nitin Goel 等人研究了逆流吸收器的影响因素。 同时考虑了传热和传质过程的阻力，得出了预测传热和传质效率的经验关联式［5］。 溶液一侧的传质阻力制约整个吸收过程。研究还发现，气液界面的温度总是高于主流溶液区的温度。 比较其他传热阻力， 溶液侧的传热阻力可以忽略不计。 吸收效率随冷却介质和溶液温度的降低而提高，随冷却介质流速的增加而提高。特别注意的是， 冷却介质的温度和流速对吸收器的小型化有关键的影响，相对来说，溶液温度的影响就小一些。 他们是采用理论研究， 采用不同的差分格式求解方程， 并分析了吸收器性能的各种参数的影响规律。衣阿华大学的 Jesse D． Killion 等人在综述论文降膜吸收过程传热与传质耦合模型的研究进展中谈到，吸收器内流体动力学对吸收性能有深刻的影响， 例如， 湍流、液滴及波动对吸收器内物质成分和能量的重新分布都有影响3． 3气液界面 Marangoni 效应和流体形态对传［6］。

质影响东南大学杨思文和杜垲研究团队对氨水吸收式制冷系统研究的非常全面细致， 取得了丰富的研究成果。 在上世纪九十年代东南大学的杨思文对吸收器的结构和热力计算作了全面的论述， 指出吸收器是一个传热与传质相互耦合的复杂过程。 他当年指出的研究重点， 即传质与传热相互影响的量的关系， 就是到现在还没有完全研究透彻，至今仍是吸收器吸收机理的研究难点。 杜垲老师和其从不同角度对氨水吸收制冷系统·94·第 6 期制冷技术Ｒefrigeration和吸收器吸收性能开展深入的研究。 杜顺祥浓度场测定结果表明，在距界面 0． 01mm 的地方， 测定的浓度仍远离平衡， 说明界面附近存在一个很陡［7］。 由 此可以认为由 于表面张力的的浓度梯度存在，分子穿过气液界面必须要有足够的能量来突破界面传质阻力， 界面不能视为处于理想的平衡状态，取而代之的是一层极薄的阻力膜层，膜层的厚度与分子大小、界面结构等因数有关，它涉及到分子间力、分子分部函数等知识。 牛晓峰拟合出一个关联式，在已知氨水溶液温度和密度时，可以利用该公式求出氨水溶液的摩尔分数， 这就得到一个简便可行的衡量氨水溶液吸收性能高低的［8］。

牛晓峰在 Harriott 理论的基础上，评价指标提出了一种新的垂直降膜吸收传质模型， 将降膜过程中漩涡的作用点由一个几何点扩展到区域，整个降膜流动过程被划分为非湍流区和全湍流［9］。但不足的是没能给出 该传质模型求解的区详细方法和步骤，其实验工作介绍的过于简单，理论与实验的结合不够紧密氨吸收式制冷装置。大连理工大学的徐士鸣较早开展了对氨水吸收制冷系统的研究。 首先研究了氨水溶液热力参数表达式的推导与程序编制。 通过对影响氨水吸收式制冷循环因素的定性和定量分析， 得到这些因素对制冷循环制冷系数的作用规律， 对制冷系统的优化设计给出了研究方向［10］。 但这些研究倾向理论角度， 没有结合实验作深入研究验证。徐士鸣和刘艳丽对垂直管内 TFE /NMP 溶液的降膜过程， 采用精细计算网格， 重点考虑了气液界面处溶液的参数分布、 液膜厚度变化和横向对流作用，指出横向对流对热量和质量传递贡献比较［11］。大，不能忽略3． 4降膜管表面结构对传质影响及作用机理Chan Woo Park 等人为了考察微尺度粗糙管的表面粗糙度对降膜吸收性能的影响， 建立了粗糙管水平降膜吸收实验台， 降膜管选用两个不同表面粗糙度的铜管， 粗糙度分别为 0． 386 和 6．968 微米［12］。

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