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吸收式风冷冷风机组流程模拟和影响因素分析

2020-01-10 14:05:44

  1   概述
 
  吸收式制冷机因其可利用低品位热能、可调节负荷范围大、制冷剂对环境无破坏性等特点在制冷领域有广泛应用。目前吸收式制冷机组的冷却都采用水冷式,水冷式具有良好的冷却效果,但水冷系统[1]需要循环水泵和冷却塔,使整个机组结构复杂,设备投资、占地面积、运行费用等均增大,不适用于民用住宅和干旱缺水地区。而风冷吸收式制冷机具有结构简单、无须设置冷却塔、干净卫生等优点,在小型办公楼、普通住宅、别墅等建筑中更具应用前景。
 
  由于夏季室外温度较高,采用风冷式冷却,吸收器内喷淋溶液温度较高,为了保证吸收器在相同的吸收压力下维持同样的吸收效果,必然要增大吸收器内溶液质量分数,从而大大增加了结晶的风险。而且空气冷却的表面传热系数低于水冷却的表面传热系数,风冷冷凝器的换热面积远大于水冷冷凝器的换热面积,所以风冷吸收式制冷机存在体积庞大、材料用料多且制造成本高等缺点。
  本文基于Aspen Plus8.0软件搭建吸收式风冷冷风机组模型,研究发生温度、稀溶液质量流量对机组性能的影响,为机组性能优化设计提供理论依据。Aspen Plus[2]是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的大型化工流程模拟软件,为用户提供完整的单元操作模块,可用于各种操作过程的模拟及从单个操作单元到整个工艺流程的模拟。
  2   吸收式风冷冷风机组的制冷原理
  吸收式风冷冷风机组由蒸发器、风冷冷凝器、吸收器、发生器、溶液热交换器等组成,通常采用LiBr-H2O或NH3-H2O为工质对。溴化锂吸收式风冷冷风机组的循环流程见图1,驱动热源一般利用高温烟气或者余热热水。吸收式风冷冷风机组的循环分为制冷剂流路和吸收剂流路。

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  ①制冷剂流路循环
 
  制冷循环的驱动热源为热水,热水加热发生器使溴化锂溶液蒸发,蒸发产生水蒸气进入风冷冷凝器,被空气冷却成水,水通过节流阀减压后进入蒸发器,并在蒸发器内蒸发,吸收空调房间空气的热量,产生制冷效果。水蒸发后变为水蒸气,进入吸收器,被吸收器内溴化锂浓溶液吸收,进入下一个循环。
 
  ②吸收剂流路循环
 
  从发生器流出的溴化锂浓溶液先经过溶液热交换器,和吸收器流出的溴化锂稀溶液进行热量交换,温度降低后经减压阀进入吸收器,在吸收器中吸收由蒸发器产生的水蒸气,形成溴化锂稀溶液。吸收器中的溴化锂溶液经过泵1一部分通过风冷器完成喷淋循环,降低溴化锂溶液温度,使溶液一直具有吸收能力,另一部分通过溶液热交换器进入发生器,重新加热蒸发形成溴化锂浓溶液,进行下一次循环。
 
  通过制冷剂和吸收剂的循环往复流动,制冷机组才能持续不断地产生制冷效果[3]。
 
  3   吸收式风冷冷风机组的流程模拟
 
  本文对一台制冷量为4.5kW的住宅用吸收式风冷冷风机组进行模拟研究,机组的总体积约为1.08 m3,对其夏季制冷工况的运行性能作出模拟与分析。
 
  ①模拟条件假设
 
  吸收式制冷循环的实际计算过程较为复杂,为了简化计算,做出如下假设[4]:
 
  a.吸收器的工作压力等于蒸发器的工作压力,发生器的工作压力等于冷凝器的工作压力;
 
  b.忽略管路及各组件的压力降和热量损失;
 
  c.从吸收器流出的稀溶液和从发生器中流出的浓溶液均为饱和溶液(不同温度时饱和溶液浓度不同);
 
  d.溶液吸收过程采用传热和传质分离的模型;
 
  e.忽略溶液泵和阀门消耗的功率。
 
  ②模型的搭建及初始参数设定
 
  利用Aspen Plus软件,吸收式风冷冷风机组模型的单元模块设定见表1。基于Aspen Plus的吸收式风冷冷风机组模型流程截图见图2(图中实线表示物质流,虚线表示热量流)。根据表1选定的各物理模块和各设备部件之间的流程、流路特点,搭建起吸收式风冷冷风机组的仿真系统模型。

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  Aspen Plus软件内部有多种不同的物性方法,根据溴化锂的特点选择合适的物性方法,能够保证溴化锂吸收式制冷循环模拟结果的准确性。在前人研究的基础上,本文模拟采用ELECNRTL物性方法,选择Wegstein方法进行收敛计算[5-7]。物流的初始参数设置见表2(表2中参数值在模拟前后保持不变)。  


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  ③模拟结果  
  各物流节点的模拟结果见表3。
表3   各物流节点的模拟结果

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  模拟得出该机组的放气范围为0.051,满足吸收式制冷机组放气范围为0.03~0.06的要求,所以该模型建立正确,可以进行下一步的模拟分析。
 
  4   参数变化对机组运行性能的影响
 
  吸收式风冷冷风机组的运行性能受多种因素的影响,如蒸发温度、冷凝温度、发生温度、制冷剂质量流量等。本文在蒸发温度为7 ℃工况下,研究稀溶液质量流量和发生温度变化对机组的影响。
 
  在模拟稀溶液质量流量变化时,保证冷凝温度为38 ℃,稀溶液质量流量由50kg/h均匀增加至300 kg/h,每次增加50 kg/h,驱动热源温度保持不变进行模拟;在模拟发生温度变化时,保证冷凝温度为38℃,稀溶液质量流量为150kg/h,发生温度由85 ℃均匀增加至110 ℃,每次增加5 ℃,驱动热源温度也相应变化。
 
  ①稀溶液质量流量变化对机组的影响
 
  蒸发温度为7 ℃,冷凝温度为38 ℃时,稀溶液质量流量由50 kg/h升高至300 kg/h,发生温度、蒸发器负荷、机组性能系数的变化分别见图3~5。性能系数反映消耗单位蒸汽加热量所获得的制冷量,用于评价制冷装置的经济性。

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  由图3~5可以看出,随着稀溶液质量流量由50 kg/h升高至300 kg/h,发生温度由103.23 ℃降至80.70 ℃,且下降趋势逐渐减小,同时蒸发器负荷由4.341 kW均匀升高至6.890 kW,机组性能系数由0.81均匀下降至0.59。当稀溶液质量流量大于100 kg/h时,满足房间4.5 kW的冷负荷。虽然增大稀溶液质量流量可以降低发生温度,更大程度地利用低温余热资源,但稀溶液质量流量不能无限增大,因为随稀溶液质量流量的增加,机组性能系数逐渐降低,而且随着稀溶液质量流量的增大,发生温度降低的速率逐渐减小。为了降低发生温度而一味提高稀溶液质量流量是不合理的。在冷凝温度为38 ℃,蒸发温度为7 ℃工况下,稀溶液质量流量在100~150 kg/h范围内,考虑发生温度、蒸发器负荷和机组性能系数3个因素,机组综合性能较高。
 
  ②发生温度变化对机组设备负荷的影响
 
  在蒸发温度为7 ℃工况下,保持冷凝温度为38 ℃且稀溶液质量流量为150 kg/h,机组各设备负荷随发生温度的变化见图6。

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  根据图6可知,保持蒸发温度7 ℃不变,当冷凝温度为38 ℃时,发生温度由85 ℃升高至110 ℃时,发生器负荷由7.630 kW升高至22.825 kW,冷凝器负荷由6.485 kW升高至20.354 kW,蒸发器负荷由5.897 kW升高至18.674 kW,吸收器负荷由7.042 kW升高至21.145 kW。  
 
  可见当保持蒸发温度和冷凝温度不变时,制冷机组的各设备负荷随发生温度的增大而升高,这是由于发生温度升高时,发生器出口产生水蒸气增多,即机组放气范围增大,制冷剂质量流量提高,故机组制冷量增大,相应的其他设备负荷都增大。
 
  ③发生温度变化对机组性能系数的影响
 
  机组性能系数随发生温度的变化见图7。

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  由图7可以看出,机组性能系数随发生温度的升高逐渐增大,当冷凝温度为38 ℃,发生温度由85 ℃升高至110 ℃时,机组性能系数由0.773升高至0.818,仅提高了0.045。可见当冷凝温度为38 ℃时,提高发生温度对机组性能系数的提升效果不明显。故将发生温度设为90℃左右,在保证机组性能较优的情况下,还可以降低发生温度,增加对低温余热的利用。 5   结论 ①稀溶液质量流量由50kg/h升高至300 kg/h时,发生温度由103.23 ℃降至80.70 ℃,蒸发器负荷由4.341 kW均匀升高至6.890 kW,机组性能系数由0.81均匀下降至0.59。 ②增大稀溶液质量流量可以降低发生温度,更大程度地利用低温余热。蒸发温度为7  ℃,冷凝温度为38 ℃时,稀溶液质量流量在100~150 kg/h范围内,考虑发生温度、蒸发器负荷和性能系数3个因素,机组综合性能较高。 ③保持蒸发温度和冷凝温度不变,机组各设备的热负荷随发生温度的升高相应提高。当蒸发温度为7 ℃,冷凝温度为38 ℃,发生温度由85 ℃升高至110 ℃时,机组性能系数由0.773升高至0.818。 ④为提高机组性能系数而一味提高发生温度是不合理的。蒸发温度为7 ℃,冷凝温度为38 ℃时,将发生温度设为90 ℃左右,机组的性能较优。
  
  参考文献:
  [1]刘金亮, 赵宗昌, 杨发柱,等. 风冷式太阳能吸收式制冷机性能模拟研究[J]. 节能技术, 2007, 25 (2): 109-114. [2]NIKOO M B, MAHINPEY N. Simulation of biomass gasification in fluidized bed reactor using ASPEN
 PLUS [J]. Biomass and Bioenergy, 2008, 32 (12):1245-1254. 
  [3]吴业正, 朱瑞琪, 曹小林,等. 制冷原理及设备[M]. 西安:西安交通大学出版社,
 2010:130-133. 
  [4]刘燕龙. 低品位热源驱动的LiBr吸收式制冷机组仿真优化(硕士学位论文)[D]. 
济南:山东建筑大学, 2016:8-10. 
  [5]陈恩赐, 张慧娟. 化工过程模拟原理与应用[M]. 北京:化学工业出版社, 2011:5-7. 
  [6]CHEN J F, DAI Y J, WANG H B, et al. Experimental investigationon a novel air-cooled single effect LiBr-H2O absorption chiller with adiabatic flash evaporator and adiabatic absorber for residential application 
 [J]. SolarEnergy, 2018,159:579-587. 
  [7]黄超. 小型太阳能吸收式空调系统及吸收器的研究与模拟(硕士学位论文)[D]. 武汉:华中科技大学, 2009:19-48. 
 

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