洪大良  邵世东  张根烜  张先锋

中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230088

摘要：能直接利用热能驱动且对环境友好的吸收式制冷系统受到越来越多的关注,但是性能系数仍然偏低。为了提高吸收式制冷系统的竞争力，需要进一步提高其性能。采用先进吸收式制冷循环是提高吸收式制冷系统性能的一种主要方式。本文对先进吸收式制冷循环的研究进展进行了综述和展望。

1．引言

随着经济的发展，制冷系统被越来越多地应用在各种各样的场合。由于传统的蒸汽压缩式制冷系统需要消耗大量的电能且会直接间接的对环境造成污染，因此能直接利用热能驱动且对环境友好的吸收式制冷系统受到越来越多的关注。为了提高吸收式制冷系统的竞争力，需要提高其效率。开发先进吸收式制冷循环是提高吸收式制冷循环效率的主要手段之一，目前先进吸收式制冷循环主要包括：多级吸收式制冷循环、多效吸收式制冷循环、GAX吸收式制冷循环等。本文将对这些先进吸收式制冷循环的研究进展进行综述。

2．多级吸收式制冷循环研究

当制冷温度较低的时候，传统单效循环驱动热源需要的温度较高，因此其应用还是受到一定的限制。为了利用低温热量，有研究人员提出了两级吸收式制冷循环 [179]。传统两级吸收式制冷系统的流程如图1所示，由于蒸发器出口的制冷剂蒸汽被两级溶液循环加压两次，因此该循环相比传统的单效循环所需驱动热源的温度更低。但是该系统制冷剂蒸汽在被加压到冷凝压力之前需要被发生两次，因此其性能系数大约为传统单效循环的一半。根据该循环的特点和运行原理，也可以构建多级吸收式制冷循环[182] [183] [184-186]。传统多级吸收式制冷循环虽然相比单效吸收式制冷循环所需的驱动温度较低,且能制取温度更低的冷量,但是系统复杂。陈光明等人提出的自复叠吸收式制冷循环不仅可以制取较传统单效循环更低温度的冷量[189]，而且结构形式相对多级吸收式制冷系统来说更为简单。

 

图1 两级吸收式制冷循环流程图

3 多效吸收式制冷循环研究进展

传统的单效吸收式制冷循环不能充分利用高品位热量，多效吸收式制冷循环被认为能高效利用温度较高的热量，大幅度提高高温热源的利用效率。Tozer等人[195]的研究表明，对于理想吸收式制冷循环来说，处于正常工况的单效吸收式制冷循环COP近似等于φ（φ=TC/TG，0<φ<1），而n效的吸收式系统的COP等于φ+φ2+φ3。。。+φn，远比单效吸收式制冷循环的效率高，因而各种多效吸收式制冷系统相继被研究人员提出来。多效吸收式制冷循环根据其性能可以分为1.5效、双效及多效吸收式制冷循环。

双效吸收式制冷循环是指将一个单效子循环的冷凝热或者吸收热用来驱动另外一个单效子循环。图1.7所示为传统的串联型溶液循环双效吸收式制冷循环流程。从图中可以看出所有从低温发生器和高温发生器分离出来的制冷剂最终都参与制冷过程，因此双效吸收式制冷循环的效率要比传统单效吸收式制冷循环的效率要高得多[196-197]。考虑到三效及以上吸收式制冷系统具有更高的效率，因此也有学者对这些吸收式制冷系统展开了研究。Grossman[205]较早地对H2O-LiBr作为工质对的三效吸收式制冷循环做了详细的理论分析，研究结果显示，空调工况下，并联溶液环路的三效吸收式制冷系统的COP能达到1.73左右.迄今为止，除了前述的双效和三效系统，四效[211]甚至七效[212]吸收式制冷系统都相继被提出和研究。

 

图1.7 传统的串联型溶液循环双效吸收式制冷循环流程图

4 GAX吸收式制冷系统研究进展

虽然多效吸收式制冷循环可以大大提高循环效率，但是需要的驱动热源温度也较高。此外，采用某些工质对的吸收式制冷系统并不适合在较高的温度下运行，比如NH3-H2O工质对，如果发生终了温度太高会使得系统精馏损失大大增加，而且作为制冷剂的氨气在200℃以上就开始分解成氮气和氢气，这将会极大地影响系统的性能。基于以上两个原因，NH3-H2O等工质对并不适用于多效吸收式循环。考虑到发生过程和吸收过程溶液温度都有较大的滑移，发生过程和吸收过程溶液的饱和温度都是不断变化的，随着发生

 

图1.8 传统GAX循环流程图  

过程的进行溶液的发生温度不断升高，吸收过程则相反，如果发生器和吸收器中溶液的制冷剂质量分数差足够大时，发生过程溶液温度和吸收过程溶液温度可能存在温度重叠区域，这个时候就可以把吸收器释放的部分热量传递到发生器中，从而减少发生器的外界热量输入，使得系统的性能系数较传统的单效循环性能系数有所提高，通过这种方法构建的循环被称为GAX循环[216]。传统GAX循环[217]流程如图1.8所示，图中虚线表示气相，实线则表示液相/气液两相。

郑丹星等人[218-219]对NH3-H2O传统GAX循环和单效循环进行了对比研究，研究结果表明，发生温度为120℃，吸收温度和冷凝温度为25℃，蒸发温度为5℃的时候，GAX循环的COP比传统单效循环高31.8%，通过α-h图分析表明，这是由于GAX循环改善了热机子循环的过程耦合导致。由于GAX循环能够大幅度提高吸收式制冷系统的热利用效率，因此受到了很多研究者的关注[220]，一些改进的GAX吸收式制冷循环相继被提出。

    在传统的GAX循环中，发生器和吸收器的任何一个温度重叠区间，吸收器的负荷都比发生器的负荷要小，这就造成在发生器吸收器热交换器中的换热温差自冷端到热端越来越大，从而造成较大的不可逆损失。为了解决这个问题，Herold等人提出了分支GAX循环（BGAX）[221]，GAXA出口的部分溶液被直接送到GAXG的出口，使得GAXA所释放的热量能够将GAXG入口的溶液加热到GAXA出口溶液的制冷剂质量分数。和传统的GAX循环相比，BGAX循环的发生器吸收器热交换器的换热过程不可逆损失大幅度降低，使得BGAX循环的效率得以大幅度提高。研究结果显示，BGAX循环的效率要比传统GAX循环的效率高30%左右[222]。Staicovici[223]在前述研究的基础上提出了多分支GAX（PBGAX）吸收式制冷循环，研究表明两级分支GAX吸收式制冷循环能比基本吸收式制冷循环高将近40%，采用三级及以上分支流程形式能进一步提高GAX吸收式制冷循环效率，但是系统也会更加复杂。

由于发生过程是变温过程，因此并不需要都用高温热源加热发生器，Kang等人提出在传统的GAX吸收式制冷系统加入一个余热驱动发生器[226]，利用温度较低的余热完成部分发生过程，减少高温驱动热的输入量，从而提高GAX循环的能源利用效率，该循环被命名为WGAX循环。

虽然采用GAX吸收式制冷循环能够大幅提高热源的利用效率，但是目前市场上GAX吸收式制冷系统并不占据主流，这是因为GAX循环供冷与供热运行模式的参数差异大，运行操作弹性较差使得利用GAX循环吸收器和发生器的温度滑移重叠的可能性大大减少，导致循环的实际效率下降，另外发生吸收热交换器的换热效果对系统的性能起决定作用，其加工困难，成本较高，也对GAX吸收式制冷系统的应用造成了较大的限制[230]。

5. 结论

   研究先进吸收式制冷循环是提高吸收式制冷系统效率的重要手段,本文对几种主要的先进吸收式制冷循环及其研究进展进行了介绍,总结了各类先进吸收时制冷循环的主要特点。随着相关研究的不断推荐，必然会有越来越多的先进吸收式制冷循环被研究出来并被应用到相关的产品开发中，从而不断的提高其相对于传统蒸汽压缩式制冷系统的竞争力。