摘要：通过仿真分析了循环溶液总流量以及进入高压发生器和低压发生器的溶液流量的比值对复合热源驱动的吸收式制冷系统性能COP的影响，在理论上给出了解释，并提出了较优的循环溶液总流量和发生器的溶液流量比。
关键词：复合热源驱动吸收式制冷机 COP 循环溶液总流量 发生器溶液流量比 仿真
1 引言
溴化锂吸收式制冷机是热力制冷机的一种， 以热能为动力。溴化锂吸收式制冷装置由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液热交换器及溶液泵等设备组成。目前的溴化锂吸收式制冷系统一般只利用了燃气发动机排放的烟气的热量，而对于更低品位的燃气发动机的缸套冷却水（约为90 &ºC）的热量却未加以利用，但随着能源问题日益成为世人关注的热点问题，利用缸套冷却水所带走的热量也渐渐引起了科技工作者的兴趣。国外已经对此进行了探索性研究，但在国内还鲜有报道。本文在对复合热源驱动的吸收式制冷系统建模和仿真的基础上，研究该系统中溶液流量变化对其系统性能的影响，并试图寻找其最佳溶液循环总流量和发生器的溶液流量比。
2 对象系统介绍
本文的研究对象复合热源驱动的溴化锂吸收式制冷机有两个热源：一个是燃气发动机排出的烟气，一个是燃气发动机的缸套冷却水。烟气先进入高压发生器作为第一效的驱动热源，高压发生器中产生的蒸汽进入低压发生器作为第二效的驱动热源；而缸套冷却水则因为温度较低用来加热低压发生器。故其实质是一个烟气驱动的双效吸收式制冷系统和一个缸套冷却水驱动的单效吸收式制冷系统的组合，如图1所示。作者已使用Modelica编程语言和Dymola仿真平台，对该系统进行了建模和仿真，并使用实验数据对该系统模型分别进行了稳态和动态验证，证明了该模型的准确性和健壮性。
该系统的基本参数如表1所示：
表1 复合热源驱动的溴化锂吸收式制冷机的主要性能参数
|
机烟气进口温度 |
555 oC |
|
烟气进口流量 |
0.42 kg/s |
|
缸套冷却水进口温度 |
90 oC |
|
缸套冷却水进口流量 |
11.23 kg/s |
|
制冷量 |
143.9 USRT |
|
冷却水进口温度 |
29.44 oC |
|
冷却水出口温度 |
35 oC |
|
冷水进口温度 |
12.14 oC |
|
冷水出口温度 |
6.67 oC |
图2所示为该系统的仿真结构示意图。本文中研究溶液流量对该系统性能的影响就是以该仿真模型为基础的。
3 溶液循环量变化对系统的影响
如图2所示，如果要改变溶液的流量，可以通过调节变频溶液泵的频率，从而调节循环溶液总流量；还可以调节低温溶液热交换器与高温溶液热交换器之间的三通阀的开度，改变进入高压发生器和低压发生器的溶液流量比。下面作者将通过仿真实验实现以上两种方式来观察溶液流量变化对系统性能的影响。
3.1 调节三通阀（图2中Spli）
首先，固定溶液泵频率为额定频率，从而使得溶液泵输送的循环溶液总流量基本恒定；然后通过调节三通阀的开度改变进入高压发生器和低压发生器的溶液流量比，观察系统性能系数的变化。所得仿真结果如表2所示：
表2 溶液流量分配与COP的关系
|
ma |
mb |
mp |
ma/mb |
|
2.158 |
0.5359 |
2.694 |
4.026 |
|
1.873 |
0.8161 |
2.689 |
2.295 |
|
1.595 |
1.098 |
2.693 |
1.453 |
|
1.438 |
1.250 |
2.688 |
1.150 |
|
1.345 |
1.346 |
2.691 |
0.9989 |
|
1.190 |
1.492 |
2.682 |
0.7972 |
|
0.9414 |
1.747 |
2.688 |
0.5390 |
|
0.6492 |
2.033 |
2.6827 |
0.3193 |
|
0.3386 |
2.343 |
2.682 |
0.1445 |
（续表2）
|
COP |
X_HX |
X_LX |
Cr |
|
0.8108 |
0.5545 |
0.5894 |
-1 |
|
0.8421 |
0.5661 |
0.6008 |
-1 |
|
0.8659 |
0.5780 |
0.6109 |
-1 |
|
0.8790 |
0.5857 |
0.6168 |
-1 |
|
0.8849 |
0.5892 |
0.6183 |
-1 |
|
0.8934 |
0.5936 |
0.6189 |
-1 |
|
0.9070 |
0.6034 |
0.6192 |
-1 |
|
0.9230 |
0.6250 |
0.6196 |
-1 |
|
0.9278 |
0.6890 |
0.6189 |
1 |
其中，ma-流入高压发生器的溶液流量，mb-流入低压发生器的溶液流量，mp-循环溶液总流量，X_HX-流出高压发生器的溶液质量分数，X_LX－流出低压发生器的溶液质量分数，Cr－溶液结晶指数，（-1表示未结晶，1表示已结晶）；
根据表2中的数据，可以绘出溶液流量比与系统COP之间的关系图，如图3所示：
由图3可以看出，进入高、低压发生器的溶液流量比ma/mb越小，系统的COP越大。但是，根据表2可以看出，当ma/mb &£ 0.32时，从高压发生器出来的浓溶液接近或已经结晶，从而使得系统运行不安全。
3.2 调节溶液泵
下面来观察在保持进入高、低压发生器的溶液流量比基本不变的情况下，调节溶液泵的频率，从而调节循环溶液总流量对系统COP的影响。表3为仿真结果：
表3 ma/mb不变的情况下，mp与COP的关系
|
ma |
mb |
mp |
ma/mb |
|
1.042 |
1.043 |
2.086 |
0.9989 |
|
1.084 |
1.087 |
2.170 |
0.9973 |
|
1.173 |
1.165 |
2.338 |
1.007 |
|
1.234 |
1.245 |
2.479 |
0.9917 |
|
1.268 |
1.281 |
2.549 |
0.9897 |
|
1.304 |
1.315 |
2.619 |
0.9915 |
|
1.345 |
1.346 |
2.691 |
0.9989 |
(续表3)
|
COP |
X_HX |
X_LX |
Cr |
|
0.9473 |
0.5986 |
0.6301 |
-1 |
|
0.9360 |
0.5971 |
0.6284 |
-1 |
|
0.9161 |
0.5942 |
0.6252 |
-1 |
|
0.9034 |
0.5923 |
0.6224 |
-1 |
|
0.8970 |
0.5913 |
0.6210 |
-1 |
|
0.8909 |
0.5903 |
0.6197 |
-1 |
|
0.8849 |
0.5892 |
0.6183 |
-1 |
根据表3，可以绘制出mp与COP的关系图，如图4所示：
从图4中，可以看出，在进入高、低压发生器的溶液流量比基本不变的情况下，循环溶液总流量越小，系统的COP越大；当然，当循环溶液总流量过小时，系统浓溶液同样面临结晶的危险。
4 试验结果及分析
忽略漏热损失，加入系统的热量等于发生器的热负荷，而高压发生器的热负荷和低压发生器的热负荷可表示为：
(1)
（2）
式中，，-高、低压发生器的热负荷； ，-流入高、低压发生器的溶液流量；
，-温度在之间以及在和之间溶液的平均质量定压热容；
、-稀溶液在高、低压发生器中的温升；
，-高、低压发生器发生的蒸汽量；
，-高、低压发生器中单位质量冷剂蒸汽的平均蒸发潜热；
-高压发生器发生的蒸汽向低压发生器供给的热量；
由式（1）和（2）可以看出，稀溶液在发生器中先由thin和tlin加热到th和tl，然后发生和冷剂蒸汽，发生浓缩作用。在发生过程中，发生冷剂蒸汽和是目的，而和是预热溶液到发生蒸汽的温度所需的热量。显然，当发生器热负荷一定时，溶液流量越大，预热部分的比例也越大，从而导致冷剂蒸汽发生量，减少。而系统制冷量
式中，Q0-系统制冷量；q0-单位制冷量；D-冷剂水循环量，D = +。
由式（3）可知，溶液流量增大时，制冷量将会下降，同时单位耗气量增加，热力系数下降。
另外，由溶液预热量和也可以看出，因为ma-Dh在高压发生器和低压发生器里分别被加热，所以ma/mb越大，所需的预热量自然也越大，而系统的COP则越小；又因为一般>，在相同质流量的溶液进入高、低压发生器的情况下，进入高压发生器的溶液在发生过程中所需的预热量更大，所以，ma/mb越小，系统所需的预热量也就越小，从而系统的COP也就越大。
然而，循环溶液总流量mp并不是越小越好。如果mp过小，溶液的浓度差增大，浓溶液出口浓度势必增加，易引起结晶的危险。一旦发生结晶，会使吸收器吸收效果恶化，蒸发器不能发挥制冷效果，导致制冷系统在局部负荷下运行，这是很不利的，而且往往会影响系统的安全运行。另外，如果mp减小，就必须减小溶液泵的频率，从而泵的扬程将会以比mp快得多的速率减小，而过小的扬程也会影响系统的安全运行。
综上可知，对于优化系统的COP而言，循环溶液总流量mp及发生器的溶液流量比ma/mb存在最佳值。但在实际操作中，不可能获得其最佳值，只可能尽量逼近它。而要优化系统的COP，必需在浓溶液不结晶，而且溶液泵的扬程不能太小的前提下，尽量减小mp和ma/mb。
本试验通过减小mp和ma/mb的值，最后获得系统COP的较优值为：
COP=0.979；
同时，
mp=2.050kg/s，
ma/mb=0.288，
X_HX=0.654，
X_LX=0.632，
Cr=-1
5 结论
(1) 本文研究了循环溶液总流量mp保持基本不变的情况下，进入高、低压发生器的溶液流量比ma/mb对系统COP的影响，然后又研究了使发生器的溶液流量比ma/mb保持基本不变的情况下，mp对系统COP的影响；
(2) 本文对ma/mb与系统COP的变化关系以及mp与系统COP的变化关系作了理论上的分析，并提出了系统的优化方向；
(3) 本文最后给出了系统的循环溶液总流量mp及发生器的溶液流量比ma/mb的较优值。
参考文献
戴永庆. 溴化锂吸收式制冷技术及应用. 北京: 机械工业出版社，1996