基于Simulink 的太陽(yáng)能單效溴冷機(jī)模擬

孫紅磊 張 柯 孫蘇芮 王德昌

（青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266071）

單效溴化鋰吸收式制冷是最簡(jiǎn)單常見的太陽(yáng)能制冷方式，單效機(jī)組可充分利用廢熱、余熱、太陽(yáng)能等低品位熱能，因而從經(jīng)濟(jì)性和能源利用效率的角度來(lái)講，單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)是具有最低總成本，操作應(yīng)用最簡(jiǎn)單的制冷技術(shù)。Al-Alili[1]等人對(duì)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的單效吸收制冷循環(huán)進(jìn)行了熱量和經(jīng)濟(jì)分析，以評(píng)估該機(jī)組在阿布扎比氣候下的表現(xiàn)。Assilzadeh[2]等人對(duì)一種太陽(yáng)能單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究，他們通過TRNSYS 模擬了系統(tǒng)性能，該系統(tǒng)使用真空管太陽(yáng)能集熱器，每天工作約5 小時(shí)，集熱面積為35 平方米，制冷量為3.5kW。Syed[3]等人研究了一種平板集熱器驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)能單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)，該系統(tǒng)集熱面積為49.9 平方米，制冷量為35kW，通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的最大瞬時(shí)COP 和日平均COP 分別為0.60 和0.42。

綜上所述，太陽(yáng)能單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，故本文應(yīng)用Simulink 對(duì)單效機(jī)組進(jìn)行模擬，以探究其系統(tǒng)特性。

1 太陽(yáng)能單效機(jī)組介紹

太陽(yáng)能吸收式溴冷機(jī)，主要由太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)以及吸收式制冷系統(tǒng)兩大部分組成。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的溴化鋰吸收制冷系統(tǒng)工作流程如下：太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)能給熱媒水加熱，使水溫升高。升溫后的熱媒水進(jìn)入發(fā)生器并對(duì)其中溶液加熱，制冷劑水由于溫度的不斷上升并達(dá)到飽和點(diǎn)后，蒸發(fā)為氣態(tài)，而氣態(tài)制冷劑經(jīng)過冷凝器冷卻成常溫液態(tài)制冷劑。液態(tài)制冷劑再經(jīng)過膨脹閥節(jié)流，減壓降溫后進(jìn)入蒸發(fā)器中，吸收了外界的熱量，從而實(shí)現(xiàn)了制冷過程。實(shí)現(xiàn)該過程以后，制冷劑水進(jìn)入吸收器，并與發(fā)生器里回流的吸收劑濃溶液混合，再由溶液泵輸送至發(fā)生器，從而完成了一次循環(huán)過程[4]。

圖1 單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 太陽(yáng)能單效機(jī)組模型

太陽(yáng)能瞬時(shí)集熱效率為：

其中，對(duì)于真空管式太陽(yáng)能集熱器，集熱器瞬時(shí)效率截距a取0.52，；Tin為太陽(yáng)能集熱器入口水溫，K；Ta為環(huán)境溫度，K，集熱器瞬時(shí)效率斜率b 取1.56。

在單效吸收式制冷系統(tǒng)中，換熱器的數(shù)學(xué)模型按照集總參數(shù)法處理。下面以發(fā)生器模型為例，其它換熱器模型可參照參考文獻(xiàn)[5]，這里不做贅述。

連續(xù)性方程：

組分守恒方程：

能量守恒方程：

蒸汽連續(xù)性方程：

體積守恒方程：

其中，Mge，sol為溶液質(zhì)量，kg；Xw和Xs為濃、稀溶液濃度，Cp，sol為溶液的比熱，J/kg·K；Tge，sol為溶液的溫度，K；Q1為熱水向溶液的放熱量，W，qm1，w和qml，s分別為進(jìn)入發(fā)生器的稀溶液和流出發(fā)生器的濃溶液的質(zhì)量流量kg/s；h1，w和h1，s分別為流入發(fā)生器的稀溶液和流出發(fā)生器的濃溶液的比，J/kg；qm，v為發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s；hv為發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽的比焓，J/kg。

3 太陽(yáng)能單效機(jī)組仿真與分析

根據(jù)第二節(jié)中的數(shù)學(xué)模型，在Simulink 軟件上對(duì)太陽(yáng)能單效機(jī)組進(jìn)行建模與仿真，以相同的太陽(yáng)能輻照度在單效機(jī)組中運(yùn)行一周情況如圖2 所示。

圖2 單效機(jī)組一周運(yùn)行情況

制冷量與COP 隨熱媒水溫度變化曲線如圖3 所示，隨著熱媒水溫度從90℃上升到100℃，制冷量由4.62kW 提高到5.19kW，制冷量整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)且增速漸緩，COP 同制冷量變化趨勢(shì)相似，并當(dāng)熱媒水溫為100℃時(shí)，COP 取得最大值0.715。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因在于，隨著熱水溫度的持續(xù)升高，發(fā)生器中溶液溫度增大，這一方面使得溴化鋰溶液濃度增大，另一方面使得進(jìn)入冷凝器的冷劑蒸汽量增大，進(jìn)而導(dǎo)致冷凝壓力增大，使蒸發(fā)器中冷劑水換熱量增大，從而使制冷量增大。然而，熱水溫度也不能一味地升高，當(dāng)發(fā)生器中濃度過高時(shí)，溶液熱交換器濃溶液出口側(cè)易發(fā)生結(jié)晶，在熱水溫度90℃-100℃范圍內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)無(wú)結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，故當(dāng)熱水溫度為100℃時(shí)，制冷量取得最大值5.19kW。

圖3 制冷量與COP 隨熱水溫度變化曲線

4 結(jié)論

基于Simulink 對(duì)太陽(yáng)能單效溴冷機(jī)進(jìn)行了建模仿真，單效機(jī)組在某典型周內(nèi)的系統(tǒng)性能符合實(shí)際，熱媒水在90℃-100℃區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)制冷量與COP 都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)且增速漸緩。