溶液流量對復(fù)合熱源驅(qū)動的吸收式制冷系統(tǒng)性能的影響

1、溶液流量對復(fù)合熱源驅(qū)動的吸收式制冷系統(tǒng)性能的影響    摘要：通過仿真分析了循環(huán)溶液總流量以及進入高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器的溶液流量的比值對復(fù)合熱源驅(qū)動的吸收式制冷系統(tǒng)性能COP的影響，在理論上給出了解釋，并提出了較優(yōu)的循環(huán)溶液總流量和發(fā)生器的溶液流量比。 關(guān)鍵詞：復(fù)合熱源驅(qū)動吸收式制冷機 COP 循環(huán)溶液總流量 發(fā)生器溶液流量比 仿真 1 引言溴化鋰吸收式制冷機是熱力制冷機的一種, 以熱能為動力。溴化鋰吸收式制冷裝置由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器及溶液泵等設(shè)備組成。目前的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)一般只利用了燃氣發(fā)動機排放的煙氣的熱量，而對于更

2、低品位的燃氣發(fā)動機的缸套冷卻水（約為90 ºC）的熱量卻未加以利用，但隨著能源問題日益成為世人關(guān)注的熱點問題，利用缸套冷卻水所帶走的熱量也漸漸引起了科技工作者的興趣。國外已經(jīng)對此進行了探索性研究，但在國內(nèi)還鮮有報道。本文在對復(fù)合熱源驅(qū)動的吸收式制冷系統(tǒng)建模和仿真的基礎(chǔ)上，研究該系統(tǒng)中溶液流量變化對其系統(tǒng)性能的影響，并試圖尋找其最佳溶液循環(huán)總流量和發(fā)生器的溶液流量比。2 對象系統(tǒng)介紹本文的研究對象復(fù)合熱源驅(qū)動的溴化鋰吸收式制冷機有兩個熱源：一個是燃氣發(fā)動機排出的煙氣，一個是燃氣發(fā)動機的缸套冷卻水。煙氣先進入高壓發(fā)生器作為第一效的驅(qū)動熱源，高壓發(fā)生器中產(chǎn)生的蒸汽進入低壓發(fā)生器作為第二效的

3、驅(qū)動熱源；而缸套冷卻水則因為溫度較低用來加熱低壓發(fā)生器。故其實質(zhì)是一個煙氣驅(qū)動的雙效吸收式制冷系統(tǒng)和一個缸套冷卻水驅(qū)動的單效吸收式制冷系統(tǒng)的組合，如圖1所示。作者已使用Modelica編程語言和Dymola仿真平臺，對該系統(tǒng)進行了建模和仿真，并使用實驗數(shù)據(jù)對該系統(tǒng)模型分別進行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)驗證，證明了該模型的準(zhǔn)確性和健壯性。圖1 復(fù)合熱源驅(qū)動的溴化鋰制冷系統(tǒng)示意圖該系統(tǒng)的基本參數(shù)如表1所示：表1 復(fù)合熱源驅(qū)動的溴化鋰吸收式制冷機的主要性能參數(shù) 機煙氣進口溫度555 oC煙氣進口流量0.42 kg/s缸套冷卻水進口溫度90 oC缸套冷卻水進口流量11.23 kg/s制冷量143.9 USRT冷卻水

4、進口溫度29.44 oC冷卻水出口溫度35 oC冷水進口溫度12.14 oC冷水出口溫度6.67 oC圖2所示為該系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)示意圖。本文中研究溶液流量對該系統(tǒng)性能的影響就是以該仿真模型為基礎(chǔ)的。圖2 復(fù)合熱源驅(qū)動的溴化鋰制冷系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)示意圖3 溶液循環(huán)量變化對系統(tǒng)的影響如圖2所示，如果要改變?nèi)芤旱牧髁?，可以通過調(diào)節(jié)變頻溶液泵的頻率，從而調(diào)節(jié)循環(huán)溶液總流量；還可以調(diào)節(jié)低溫溶液熱交換器與高溫溶液熱交換器之間的三通閥的開度，改變進入高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器的溶液流量比。下面作者將通過仿真實驗實現(xiàn)以上兩種方式來觀察溶液流量變化對系統(tǒng)性能的影響。3.1 調(diào)節(jié)三通閥（圖2中Spli）首先，固定溶液泵頻

5、率為額定頻率，從而使得溶液泵輸送的循環(huán)溶液總流量基本恒定；然后通過調(diào)節(jié)三通閥的開度改變進入高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器的溶液流量比，觀察系統(tǒng)性能系數(shù)的變化。所得仿真結(jié)果如表2所示：表2 溶液流量分配與COP的關(guān)系 mambmpma/mb2.1580.53592.6944.0261.8730.81612.6892.2951.5951.0982.6931.4531.4381.2502.6881.1501.3451.3462.6910.99891.1901.4922.6820.79720.94141.7472.6880.53900.64922.0332.68270.31930.33862.3432.682

6、0.1445（續(xù)表2）COPX_HXX_LXCr0.81080.55450.5894-10.84210.56610.6008-10.86590.57800.6109-10.87900.58570.6168-10.88490.58920.6183-10.89340.59360.6189-10.90700.60340.6192-10.92300.62500.6196-10.92780.68900.61891其中，ma-流入高壓發(fā)生器的溶液流量，mb-流入低壓發(fā)生器的溶液流量，mp-循環(huán)溶液總流量，X_HX-流出高壓發(fā)生器的溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，X_LX流出低壓發(fā)生器的溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Cr溶液結(jié)晶指數(shù),（-1

7、表示未結(jié)晶，1表示已結(jié)晶）；根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可以繪出溶液流量比與系統(tǒng)COP之間的關(guān)系圖，如圖3所示：圖3 ma/mb與COP的關(guān)系圖由圖3可以看出，進入高、低壓發(fā)生器的溶液流量比ma/mb越小，系統(tǒng)的COP越大。但是，根據(jù)表2可以看出，當(dāng)ma/mb £ 0.32時，從高壓發(fā)生器出來的濃溶液接近或已經(jīng)結(jié)晶，從而使得系統(tǒng)運行不安全。3.2 調(diào)節(jié)溶液泵下面來觀察在保持進入高、低壓發(fā)生器的溶液流量比基本不變的情況下，調(diào)節(jié)溶液泵的頻率，從而調(diào)節(jié)循環(huán)溶液總流量對系統(tǒng)COP的影響。表3為仿真結(jié)果：表3 ma/mb不變的情況下，mp與COP的關(guān)系 mambmpma/mb1.0421.0432.08

8、60.99891.0841.0872.1700.99731.1731.1652.3381.0071.2341.2452.4790.99171.2681.2812.5490.98971.3041.3152.6190.99151.3451.3462.6910.9989(續(xù)表3)COPX_HXX_LXCr0.94730.59860.6301-10.93600.59710.6284-10.91610.59420.6252-10.90340.59230.6224-10.89700.59130.6210-10.89090.59030.6197-10.88490.58920.6183-1根據(jù)表3，可以繪制出

9、mp與COP的關(guān)系圖，如圖4所示：圖4 mp 與COP的變化關(guān)系從圖4中，可以看出，在進入高、低壓發(fā)生器的溶液流量比基本不變的情況下，循環(huán)溶液總流量越小，系統(tǒng)的COP越大；當(dāng)然，當(dāng)循環(huán)溶液總流量過小時，系統(tǒng)濃溶液同樣面臨結(jié)晶的危險。4 試驗結(jié)果及分析忽略漏熱損失，加入系統(tǒng)的熱量等于發(fā)生器的熱負荷，而高壓發(fā)生器的熱負荷和低壓發(fā)生器的熱負荷可表示為：(1)（2）式中，,-高、低壓發(fā)生器的熱負荷； ,-流入高、低壓發(fā)生器的溶液流量；,-溫度在之間以及在和之間溶液的平均質(zhì)量定壓熱容；、-稀溶液在高、低壓發(fā)生器中的溫升；,-高、低壓發(fā)生器發(fā)生的蒸汽量；,-高、低壓發(fā)生器中單位質(zhì)量冷劑蒸汽的平均蒸發(fā)潛熱；

10、-高壓發(fā)生器發(fā)生的蒸汽向低壓發(fā)生器供給的熱量；由式（1）和（2）可以看出，稀溶液在發(fā)生器中先由thin和tlin加熱到th和tl，然后發(fā)生和冷劑蒸汽，發(fā)生濃縮作用。在發(fā)生過程中，發(fā)生冷劑蒸汽和是目的，而和是預(yù)熱溶液到發(fā)生蒸汽的溫度所需的熱量。顯然，當(dāng)發(fā)生器熱負荷一定時，溶液流量越大，預(yù)熱部分的比例也越大，從而導(dǎo)致冷劑蒸汽發(fā)生量,減少。而系統(tǒng)制冷量（3）式中，Q0-系統(tǒng)制冷量；q0-單位制冷量；D-冷劑水循環(huán)量，D = +。由式（3）可知，溶液流量增大時，制冷量將會下降，同時單位耗氣量增加，熱力系數(shù)下降。另外，由溶液預(yù)熱量和也可以看出，因為ma-Dh在高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器里分別被加熱，所以ma

11、/mb越大，所需的預(yù)熱量自然也越大，而系統(tǒng)的COP則越??；又因為一般>，在相同質(zhì)流量的溶液進入高、低壓發(fā)生器的情況下，進入高壓發(fā)生器的溶液在發(fā)生過程中所需的預(yù)熱量更大，所以，ma/mb越小，系統(tǒng)所需的預(yù)熱量也就越小，從而系統(tǒng)的COP也就越大。然而，循環(huán)溶液總流量mp并不是越小越好。如果mp過小，溶液的濃度差增大，濃溶液出口濃度勢必增加，易引起結(jié)晶的危險。一旦發(fā)生結(jié)晶，會使吸收器吸收效果惡化，蒸發(fā)器不能發(fā)揮制冷效果，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)在局部負荷下運行，這是很不利的，而且往往會影響系統(tǒng)的安全運行。另外，如果mp減小，就必須減小溶液泵的頻率，從而泵的揚程將會以比mp快得多的速率減小，而過小的揚程也會

12、影響系統(tǒng)的安全運行。綜上可知，對于優(yōu)化系統(tǒng)的COP而言，循環(huán)溶液總流量mp及發(fā)生器的溶液流量比ma/mb存在最佳值。但在實際操作中，不可能獲得其最佳值，只可能盡量逼近它。而要優(yōu)化系統(tǒng)的COP，必需在濃溶液不結(jié)晶，而且溶液泵的揚程不能太小的前提下，盡量減小mp和ma/mb。本試驗通過減小mp和ma/mb的值，最后獲得系統(tǒng)COP的較優(yōu)值為：COP=0.979；同時，mp=2.050kg/s，ma/mb=0.288，X_HX=0.654，X_LX=0.632，Cr=-1而在額定工況下，COP=0.885；可見通過改變?nèi)芤毫髁浚蓪OP提高10 % 。5 結(jié)論(1) 本文研究了循環(huán)溶液總流量mp保持基本不變的情況下，進入高、低壓發(fā)生器的溶液流量比ma/mb對系統(tǒng)CO