基于Aspen Plus的低溫余熱溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)性能的影響因素分析

徐孟進(jìn), 曾科滿, 梁家偉, 徐愛祥

(湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)的過程往往伴隨著大量難以利用的余熱，已有數(shù)據(jù)表明，約50%的工業(yè)能耗無法被回收利用[1]。目前，600 ℃以上的高溫余熱已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，但是300 ℃以下的低溫余熱因其復(fù)雜的形式使得利用途徑較為有限[2]。Benilla等討論了多種技術(shù)利用不同溫度工業(yè)余熱的可能，提出現(xiàn)有技術(shù)對低溫余熱的利用不足[3]。

溴化鋰吸收式制冷能夠有效回收低溫余熱[4]。Yang等[5]提出了一種由LiBr/H2O循環(huán)和NH3/H2O循環(huán)兩個子系統(tǒng)組成的新型的級聯(lián)吸收式熱轉(zhuǎn)換器來回收利用低溫工業(yè)余熱，計算結(jié)果表明COP最大值可以達(dá)到0.227。Chen等[6-7]提出了一種利用低品位熱能的吸收壓縮級聯(lián)制冷系統(tǒng)，結(jié)果表明，其壓縮子系統(tǒng)的制冷能力及COP都有提升。吸收式制冷機(jī)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)及影響因素較多，在系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)和運行之前，利用數(shù)值模擬方法對系統(tǒng)進(jìn)行研究，能夠有效地分析系統(tǒng)性能，確定設(shè)計參數(shù)[8]。目前，利用Aspen Plus軟件對系統(tǒng)工藝流程進(jìn)行模擬與分析受到越來越多的學(xué)者關(guān)注[9]。黃超[10]對溴化鋰吸收制冷系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的建模與分析，模擬結(jié)果表明Aspen Plus軟件能夠有效并準(zhǔn)確地模擬與分析該系統(tǒng)。王晨升等[11]基于Aspen Plus軟件研究了單效LiBr/H2O吸收式制冷系統(tǒng)的相關(guān)性能系數(shù)，結(jié)果表明制冷溫度上升時系統(tǒng)COP增加，而系統(tǒng)火用效率降低。劉騰[12]基于Aspen Plus軟件搭建了氨水吸收式制冷系統(tǒng)，研究提高了系統(tǒng)中已有設(shè)備的COP。

因此，本文基于Aspen Plus模擬軟件建立低溫工業(yè)余熱驅(qū)動LiBr/H2O吸收式制冷系統(tǒng)模型，著重分析發(fā)生器溫度和溴化鋰稀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對該系統(tǒng)的COP和制冷量的影響及規(guī)律，以期為低溫工業(yè)余熱驅(qū)動溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的設(shè)計與效率提升提供理論參考。

1 系統(tǒng)介紹

圖1為溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)工作原理圖[13]。系統(tǒng)主要包含以下幾個組成部分：發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、泵、兩個節(jié)流閥和熱交換器。如圖1所示，低溫?zé)煔鈱榘l(fā)生器提供所需的熱量以提升發(fā)生器溫度。當(dāng)溴化鋰溶液流經(jīng)發(fā)生器時，會發(fā)生等壓分離的現(xiàn)象，氣態(tài)制冷劑(水蒸汽)將會從溴化鋰稀溶液中分離出來。分離出來的水蒸汽將會進(jìn)入冷凝器，經(jīng)過一個等壓換熱過程并最終冷凝至飽和狀態(tài)。圖中的流程6-7(節(jié)流閥1)為絕熱節(jié)流過程，經(jīng)過冷凝器冷凝的制冷劑已經(jīng)從氣態(tài)制冷劑(水蒸汽)變?yōu)橐簯B(tài)制冷劑(液態(tài)水)，經(jīng)過絕熱節(jié)流作用后，液態(tài)制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器。閃蒸作用使得蒸發(fā)器內(nèi)的液態(tài)制冷劑(液態(tài)水)蒸發(fā)并產(chǎn)生制冷量。閃蒸后的制冷劑從蒸發(fā)器進(jìn)入吸收器，與從發(fā)生器中回流的溴化鋰濃溶液進(jìn)行混合，并最終被吸收，變?yōu)殇寤囅∪芤?。吸收器中混合發(fā)生時，冷卻水將通過換熱來吸收二者混合時所釋放的熱量。泵會對混合后形成的溴化鋰稀溶液進(jìn)行加壓，加壓后的稀溶液進(jìn)入節(jié)流閥2，再次進(jìn)行循環(huán)。在發(fā)生器中的溴化鋰濃溶液進(jìn)入吸收器的過程中，會通過換熱器與從吸收器中產(chǎn)生的溴化鋰稀溶液進(jìn)行等壓換熱，從而對溴化鋰稀溶液進(jìn)行預(yù)熱，以達(dá)到提升系統(tǒng)性能的目的。

圖1 溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)圖

2 模型構(gòu)建與設(shè)置

2.1 模型構(gòu)建

為了便于分析與計算，對系統(tǒng)做出了如下假設(shè)：1)該系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)的；2)溶液在該過程中沒有壓力損失及熱損失；3)泵的效率為97%；4)發(fā)生器出口和吸收器出口均為平衡態(tài)；5)換熱器冷溶液入口溫度與熱溶液出口溫度溫差恒為5 ℃。

基于質(zhì)量與能量守恒，建立了系統(tǒng)中主要設(shè)備的數(shù)學(xué)模型和熱力學(xué)模型。模型計算公式分別如式(1)～(26)所示。公式符號含義見表1。在上述模型的基礎(chǔ)上對溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)性能進(jìn)行模擬與分析。

表1 控制方程符號含義

發(fā)生器的模型如下：

m11=m12+m5

(1)

m12ω12=m11ω11

(2)

Q1=m12h12+m5h5-m11h11

(3)

冷凝器的模型如下：

m5=m6

(4)

m5ω5=m6ω6

(5)

Q2=m5ω5-m6ω6

(6)

節(jié)流閥的模型如下：

m6=m7

(7)

m6ω6=m7ω7

(8)

m6h6=m7h7

(9)

m13=m14

(10)

m13ω13=m14ω14

(11)

m13h13=m14h14

(12)

蒸發(fā)器的模型如下：

m7=m8

(13)

m7ω7=m8ω8

(14)

Q15=m8h8-m7h7

(15)

吸收器的模型如下：

m9=m14+m8

(16)

m9ω9=m14ω14

(17)

Q16=m8h8+m14h14-m16h16

(18)

泵的模型如下：

m9=m10

(19)

m9ω9=m10ω10

(20)

W1=m10h10-m9h9

(21)

熱交換器的模型如下：

m10=m11

(22)

m10ω10=m11ω11

(23)

m12=m13

(24)

m12ω12=m13ω13

(25)

m12h12-m13h13=m11h11-m10h10

(26)

評價本制冷系統(tǒng)的性能有諸多評價參數(shù)，其中，本文最主要的評價參數(shù)之一為性能效率(Coefficient of Performance, COP)。系統(tǒng)COP定義如下：

(27)

式中：QE是指蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量，kW，即制冷量；QG指發(fā)生器熱負(fù)荷，kW。

2.2 模型設(shè)置

在模擬過程中，ELECNRTL基本物性法被用于模擬系統(tǒng)中的各個電離子之間的反應(yīng)。電解質(zhì)參數(shù)由氣液平衡參數(shù)所決定，各個設(shè)備所對應(yīng)的模型及具體的設(shè)置見表2。

表2 模型具體設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)生器溫度對系統(tǒng)COP及制冷量的影響

圖2為COP及制冷量隨發(fā)生器溫度的變化規(guī)律。從圖2中可以看出，當(dāng)發(fā)生器溫度上升時，COP的變化可以分為兩段進(jìn)行解讀。當(dāng)發(fā)生器處于80～90 ℃時，系統(tǒng)的COP處于上升狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生器溫度處于90～115 ℃時，隨著溫度的不斷上升，COP呈現(xiàn)出了下降的趨勢。所以，系統(tǒng)COP會在90 ℃時達(dá)到峰值。當(dāng)發(fā)生器溫度上升時，QE與QG都會增加。但是兩者之間的增幅有所變化，在發(fā)生器溫度處于80～90 ℃時，QG的增幅小于QE，這使得COP隨溫度的增長出現(xiàn)了上升的趨勢。而當(dāng)發(fā)生器溫度處于90～115 ℃時，QG的增幅大于QE的增幅，因此，COP隨溫度增長而出現(xiàn)了降低的現(xiàn)象。此外，發(fā)生器溫度的上升會分離出更多的水蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器，這也是圖2中制冷量曲線隨溫度上升而上升的原因。

圖2 發(fā)生器溫度對系統(tǒng)的影響

3.2 溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對系統(tǒng)COP及制冷量的影響

圖3為溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對制冷量及發(fā)生器熱負(fù)荷的影響。圖中數(shù)據(jù)表明，隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)從46%不斷增加至60%，發(fā)生器熱負(fù)荷和制冷量均呈現(xiàn)線性下降趨勢。這是因為，溴化鋰稀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高表明溶液中的水的含量越低，發(fā)生器熱負(fù)荷下降。同時，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)溴化鋰溶液中較低的水含量使得水蒸發(fā)量減少，最終制冷劑暨流經(jīng)蒸發(fā)器的液態(tài)水減少，制冷量降低。

圖3 溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對制冷量及發(fā)生器熱負(fù)荷的影響

圖4為溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與系統(tǒng)COP之間的關(guān)系。圖中數(shù)據(jù)表明，當(dāng)溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升時，制冷系統(tǒng)的COP呈現(xiàn)在0.851上下波動的趨勢，幅度低于0.4%，但總體呈現(xiàn)出了上升的趨勢。由COP定義可知，當(dāng)QE和QG與均為線性下降趨勢時，COP的曲線圖像應(yīng)為反比例函數(shù)，圖像中大部分點符合反比例函數(shù)中COP隨溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高而增大、且質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高增幅越小的部分。而圖像中的小幅度波動，應(yīng)為模擬誤差導(dǎo)致。所以COP的變化曲線應(yīng)為COP隨溴化鋰稀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升而緩慢增大。

圖4 溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對系統(tǒng)COP的影響

4 結(jié)論

本文基于Aspen plus軟件對低溫余熱驅(qū)動的溴化鋰制冷系統(tǒng)的性能影響因素進(jìn)行模擬與分析，著重研究了發(fā)生器溫度、溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對低溫余熱驅(qū)動的溴化鋰制冷系統(tǒng)性能(COP)的影響，主要結(jié)論如下：

(1)隨發(fā)生器溫度的上升，COP的呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，且發(fā)生器溫度為90 ℃時，COP達(dá)到了峰值，為0.860。制冷量隨著發(fā)生器溫度的上升而增加，但增長速率不斷降低。

(2)溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，系統(tǒng)的制冷量和發(fā)生器的熱負(fù)荷則線性降低，當(dāng)溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在46%～60%變化時，系統(tǒng)的COP隨溴化鋰稀溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升而緩慢增大，且增幅隨溴化鋰稀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升而減小。