低温核供热堆驱动的制冷系统方案研究

有三种基本的方式：吸收式制冷方式、喷射式制冷方式及固体吸附式制冷方式。吸收式制冷方式因工质的不同又分为两种型式：溴化锂/水型及水/氨型。针对以上各种热水制冷方式，结合低温热源驱动制冷的特点，根据能量守恒和质量守恒定律、工作介质热力学关系式及传热方程式，对五种制冷方案（单效溴化锂吸收式制冷，两级溴化锂吸收式制冷，水吸收式制冷，喷射式制冷，吸附式制冷）进行了热力计算。得到在热源供水温度为9°C、回水温度为70°C、供热量为40MW、冷却水进口温度为32°C、冷媒水进出口温度为15°C和10°C时，每一种制冷方案运行参数及性能系数。

2.1单效溴化锂吸收式制冷方案经理论计算得到在给定工况下，当浓度差设定为孙桥农业开发区欲建一座40MW池式核供热反应堆，其热水供应温度为90°C，回水温度为70°C，年运行160天，在冬季为农业区供热，以满足暖房的供暖要求。为了提篼核供热堆的负荷因子，从而提高核供热堆的经济效益，提出在低温核供热堆供热的同时进行制冷，即核供热堆每年运行260天，冬季供热，夏季制冷，以改善供热堆的经济指标。为此，本文探究了低温核供热堆热水制冷的可行性。

为孙桥低温核供热堆供热、供冷综合利用提供决策所需的技术分析和必要数据。

2低温热源驱动制冷方案设计对于利用热水制冷（即耗热制冷），理论上主要2001-05-15基金项目：上海市重点项目办公室资助项目（No.沪重102）=4.0%时，热源回水温度为7°C时，单效溴化锂吸收式制冷系统不能正常运行，只有当回水温度为86°C时，系统才能运行，其性能系数COP=0.9263，当溶液浓度差设定为dX=2.0%时，热源回水温度为82C时还能运行，其性能系数COP=0.8771. 2.2两级溴化锂吸收式制冷方案两级溴化锂吸收式制冷系统是用溶液浓度不同的两个循环来替代原来的单效循环。它可在蒸发压力尺、冷凝压力朽一定的情况下，降低发生温度，从而降低了对热水温度的要求。经理论计算得到在给定工况下其性能系数COP=0.5202. 2.3氨水吸收式制冷方案在给定工况下，通过理论计算，氨水吸收式制冷系统的热源回水温度最低为77°C，冷却水的温度必需在24°C以下，否则会因为冷却水温度高于吸收器内压力所对应的饱和温度而使系统不能运行，此时系统性能系数为COP=0.4326. 2.4喷射式制冷方案本k采用R-123作为制冷剂，在给定工况下，喷射式制冷系统系统性能系数为COP=0.1905，若采用R11作为制冷剂，机组的热力系数为COP=0.3040.两种工质基本参数差别不大，R11的热力系数较篼，但考虑到R123的环保性能优于Rll，ODP值是R11的1/5.因此从总体上说，R123可暂替代R11作为喷射式制冷系统的制冷剂。

2.5吸附式制冷方案本文选用沸石-水工作对，经理论计算在给定工况下，沸石-水吸附式制冷系统的热力系数为0.281对上述五种制冷方案的设计计算，各方案的热力系数汇总如表1所示。同时本文通过。由表2所示结果可知，在相同给定工况下R123喷射式制冷方案年成本最低，其次分别为溴化锂两级吸收式、单级溴化锂吸收式、沸石-水吸附式，氨吸收式制冷方案年成本最篼。

为了能与采用耗电制冷作一比较，本文在相同给定工况下，对氟里昂蒸汽压缩式制冷循环进行了经济分析，年成本约为506.4元/kW冷量，与表2中的两级溴化锂吸收式热水制冷年成本非常接近，后者略优于耗电制冷。

表1各制冷方案的热力系数溴化锂单效吸收式溴化锂两级吸收式氨水吸收式R123喷射式沸石-水吸附式热力系数COP热水回水82°C热水回水70°C热水回水82°C热水回水70°C备注冷却水32°C冷却水24°C冷却水32°C冷媒水10°C表2各制冷方案年成本比较方案名称初投资（元/kW冷董）使用年限（年）折旧率（％）年运行费用（元/kW冷童）年成本（元/kW冷量）溴化锂单效吸收式溴化锂两级吸收式氨水吸收式R123喷射式沸石-水吸附式方案一和方案三的热水回水温度为82°c，冷量利用率为4%，因此，在本文给定工况下，由庳初投资515.9元/kW冷量和1300元/kW冷量上升为1；289.3元/kW冷量和3255元/kW冷量。

机组性能参数（艮卜相关经济指标0）：3.2层次分析法比较各种制冷方案由于上述技术经济分析，难以兼顾各方面影响因素。如方案一的热力系数较高，但对热源的温度要求也较篼，方案二的热力系数低于方案一，但对热源的温度要求和机组的体积都小于前者；方案三中的制冷工质蒸发潜热大，但机组的工作压力较篼；方案四初投资较少，但热力系数很低；方案五有可以利用较低热源的优点，但初投资很大并且技术正处于完善中。本文根据系统论的思想，把低温热源驱动制冷方案的内核逐层分解，将总目标分解为一组各有侧重，又相互联系的指标，系统综合反映低温热源驱动制冷系统的总目标，以此作为综合评价制冷方案的依据。本文采用了系统论中的层次分析法来确定指标权重。

3.2.1低温热源驱动制冷系统综合评价指标的框架与体系设总目标为隼一级指标为S，二级指标为C.将总目标层层分解，形成以下评价指标的框架与体系。

总目标4）：低温热源驱动制冷一级指标（S）热源温度（历）技术成熟度（S2）初投资（S3）机组性能参数（b4）相关费用（执）一级指标（S）二级指标（C）热力系数（c41）机组体积（c42）操作压力（c43）最低制冷温度（c44）冷却水流量（c45）运行费用（C51）折旧年限（c52）无腐蚀性（c61）工质性能（s6）1无毒，无害（c62），对臭氧层无破坏性（c63）3.2.2构造判断矩阵构造总目标4的判断矩阵本文给出影响总目标A的指标共有六个，因为本文首先要满足的条件是低温制冷的问题，因此把所需热源温度Si这个指标放在最为重要的位置，接下来是技术的成熟度S2，再接下来是初投资s3和机组的性能S4，它们的重要性比执稍差而明显不如历；工质性能执的重要性比S3或B4稍差，相关经济指标s5的重要性介于53和S6两者之间。

将上述判断思想用层次分析法的判断依据表示出来形成表3.采用方根法计算各指标的权重％，对于指标玖权重系数w=m/EW/.为了确定对个指标间的判断是否符合逻辑，需要进行判断矩阵的一致性检验M.以判断矩阵中对各指标的判断表3总目标A的判断矩阵丑3丑4丑6表4各评价指标在总目标中的权值丑2是符合逻辑的。需说明的是在层次分析法中，只要两两指标的相对重要性不变，计算出的权重系数不变。层次分析法的这一特点为保证权重系数的可信度提供了依据。

构造二级指标的判断矩阵-S6指标中含有二级指标，依据同样的方法，经过计算可以得出i4-B6中二级指标的判断矩阵。其计算结果汇总于表4，可以得出各评价指标在总目标中的权值。

确定评价目标在各方案中的相对分数由于各个制冷方案各有特点，对某一评价指标来说，其优劣程度也不同。为给出一个较恰当的评价，这里依据了理论计算的结果、信息与资料以及一些产品的技术参数等数据。将以上评价结果汇总于表5，可以清晰地看出各制冷方案对各评价指标的相对分数，即相当于各个方案对此评价指标满足的程度。篼，综合性能较好；其次是喷射式制冷方案，再次是吸附式制冷方案。方案一和方案三的综合得分较低。两级溴化锂吸收式制冷方案与氟里昂蒸汽压缩式制冷循环相比在技术经济分析上也略占优势；而且氟里昂蒸汽压缩式制冷循环还面临着采用环保工质进行替代的问题，如果替代工质使循环制冷系数相应减少的话，则年成本还将随之增大。因此孙桥农业开发区低温核供热堆采用两级溴化彦吸收式制冷方案实现供热、供冷的综合利用是行之有效的最合理方案。

4结论纵上所述，利用低温核供热堆来制冷的设想是合理的，而且低温位热源制冷将使核供热的优势更为突出，并形成核电、核供热、供冷新的经济增长点，带动相关篼科技产业的发展，经济效益将十分可观；同时核供热堆低温热水制冷的实现及最佳制表5各方案评价指标汇总表丑3尸4 3.2.3选定方案通过以上的判断和比较，既得出了各个评价指标在总目标中的权重系数，又评出了相对于某一评价指标各方案的相对分数。下面应用线性加权和法计算各制冷方案的分值，其表达式为：由此得到各制冷方案的分值如表6所示。

表6各制冷方案的分值制冷方案氨水溴化锂单效溴化锂两级沸石-水名称吸收式吸收式吸收式喷射式吸附式得分由上述计算结果可以看出，在低温热源驱动的制冷方案中，两级溴化锂吸收式制冷方案，得分最冷方案的比较选择，为利用低位热能及余热的回收利用提供了又一条可行的途径，对于节能及提篼我国能源利用率，具有非常重要的意义。