深入探讨Goswami循环

在Kalina循环的基础上，Goswami等提出了一种发电和制冷联合循环，被称为Goswami循环［78］。Goswami循环系统如图6-56所示，其采用氨水为工质，经过蒸发器后仅有部分工质冷却，经过重整提高膨胀机入口的氨浓度，近乎纯氨的工质经膨胀机后温度降到低于环境温度，随后经空冷器吸热，实现制冷功能。Goswami循环系统输出了机械功和冷，能效得到明显提升。该系统可应用于温度低至100℃的热源。

图6-56　Goswam i循环系统［78］

通过调整系统工作参数，可在一定范围内调整输出功和冷的比例，应用时可根据不同的目的调整优化系统工作参数。以低制冷温度下的制冷量为目标，采用广义梯度下降优化算法来分析系统的工作性能［79］。设定热源温度为360 K，环境温度为290 K，系统的工作性能随制冷温度的变化曲线如图6-57所示。系统最低制冷温度可达205 K，当制冷温度从265 K逐渐降低到245 K，系统能效有轻微的升高，随着制冷温度的进一步下降，系统能效逐渐降低。当制冷温度为245 K时，系统能效最大，热效率达17.4%，效率为63.7%。与Kalina循环系统相比，Goswami循环系统的基础溶液氨质量分数明显减小，优化的基础溶液氨质量分数变化趋势与能效一致，最大氨质量分数接近0.3。图6-57（c）所示为输出功率与制冷量随制冷温度的变化曲线，当制冷温度为206～245 K时，随着制冷温度的升高，制冷量和输出功率均增大，当制冷温度大于245 K后，输出功率基本维持不变，而由于COP值变大制冷量逐渐降低。

图6-57　Goswam i循环系统的工作性能随制冷温度的变化曲线［79］

（a）系统热效率；（b）基础溶液氨质量分数；（c）输出功率和制冷量

在进行系统的优化性能计算时，由于制冷量的权重较低，系统倾向于输出更多有用功，可将制冷量的权重调整为与输出功率一样，按式（6-94）定义新的效率。重新优化计算后得到Goswami系统工作性能随制冷温度的变化曲线如图6-58所示。效率随着制冷温度的下降单调降低，基础溶液氨质量分数随着制冷温度的降低也逐渐减小，但其变化范围明显大于图6-57（b）所示的结果。由于吸收器的温度为固定值，此时基础溶液氨质量分数由其压力决定，而吸收器的工作压力随着制冷温度的降低而减小，导致基础溶液氨质量分数也减小。新的优化结果显示制冷量的变化趋势与输出功率一样，随着制冷温度的升高而逐渐增大，避免了图6-57中制冷量不足的情况。针对环境温度变化的评估表明，随着环境温度的降低，Goswami循环系统的能效近似线性增大［80］。

图6-58　重新优化后的Goswam i循环系统工作性能随制冷温度的变化曲线［80］(www.xing528.com)

（a）系统热效率；（b）基础溶液氨质量分数；（c）输出功和制冷量

Vijayaraghavan和Goswami还研究了采用不同工质时Goswami循环系统的性能［81］。考虑的工质包括饱和烷烃混合物，低沸点成分为丙烷和异丁烷，高沸点成分为碳原子数大于等于8的烷烃，如正辛烷等，具体见表6-7。

表6-7　Goswam i循环系统考虑的工质［81］

由于受到吸收器工作温度的限制，采用有机工质时的制冷温度受到限制，设膨胀机出口的工质温度高于285 K，定义系统的效率和能源利用效率REU（Resource Energy Utilization）为

图6-59所示为系统效率和REU的变化曲线，图中氨水工质的制冷温度设为280K，有机混合工质中，异丁烷/正十一烷的效率在不同的热源温度下稍高于其他有机混合工质，但仍然明显低于氨水工质。异丁烷/正十二烷的效率在较低的热源温度下稍低于异丁烷/正十一烷，当热源温度较高时，二者的效率几乎相等。采用有机混合工质的膨胀机膨胀比明显低于氨水工质，这是导致其性能不如氨水的主要原因。

图6-59　热源温度对采用不同工质的Goswam i循环系统性能的影响［81］

（a）效率；（b）REU