太陽能雙效溴冷機模擬

孫紅磊 張 柯 孫蘇芮 王德昌

（青島大學 機電工程學院，山東 青島266071）

太陽能單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)雖然應用最為廣泛，同時兼具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的特點，然而單效機組的COP 普遍較低，同時為保證發(fā)生器中溶液溫度在允許范圍之內(nèi)以防止?jié)馊芤航Y(jié)晶，單效機組驅(qū)動熱源溫度也不能過高。因而，為了充分利用高品位熱源且提高系統(tǒng)COP，在單效機組的基礎(chǔ)上又提出了雙效溴化鋰吸收式制冷機組。Kaushik 和Arora[1]對串聯(lián)雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)進行了能量分析和火用分析，并與單效機組進行了比較。他們發(fā)現(xiàn)單效機組的性能系數(shù)范圍為0.6-0.75，而串聯(lián)雙效機組性能系數(shù)的范圍為1-1.28，說明雙效機組的COP 要比單效機組的高出60%-70%。解磊[2]等人以上海交通大學某大樓的BCHP 系統(tǒng)為參考實例，分析了吸收式制冷機的動態(tài)特性，應用模塊化建模和集總參數(shù)法同時以BCHP 系統(tǒng)為例建立了雙效溴化鋰吸收式制冷機的動態(tài)仿真模型，同時根據(jù)不同輸入條件進行了變工況仿真實驗。張藝斌[3]等人提出一種太陽能雙效溴化鋰吸收式與壓縮式聯(lián)合制冷系統(tǒng)的運行模式，太陽能雙效吸收式制冷系統(tǒng)承擔夏季空調(diào)的尖峰負荷，減少空調(diào)的能耗與高峰用電負荷。他們利用TRNSYS 軟件建立了系統(tǒng)模型進行夏季運行工況模擬，獲得系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)，同時他們還計算了該系統(tǒng)相較于獨立壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)能量，并分析聯(lián)合運行制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性。研究結(jié)果表明，太陽能吸收式系統(tǒng)承擔的負荷比例越小、設(shè)計集熱面積的輻照度越大，聯(lián)合運行系統(tǒng)的投資回收期越短，費用年值越低。

圖1 太陽能雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，太陽能雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)可顯著提高系統(tǒng)COP，同時可以更好地利用高品位熱源，減少結(jié)晶風險，故本文應用Simulink 對雙效機組進行模擬，以研究其系統(tǒng)性能。

1 太陽能雙效機組介紹

太陽能雙效機組與太陽能單效機組相比多了一個高壓發(fā)生器、一個高溫溶液熱交換器，高壓發(fā)生器中產(chǎn)生的高溫冷劑蒸汽用于加熱低壓發(fā)生器，使低壓發(fā)生器中的溴化鋰溶液產(chǎn)生溫度更低的冷劑蒸汽，不僅能夠有效利用水蒸氣潛熱，而且可以減少冷凝器的冷卻負荷，提高機組運行經(jīng)濟性。太陽能雙效溴化鋰吸收式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 太陽能雙效機組模型

太陽能瞬時集熱效率：

其中，集熱器瞬時效率截距a 取0.52（真空管集熱器）；Tin為太陽能集熱器入口水溫,K；Ta為環(huán)境溫度,K，集熱器瞬時效率斜率b 取1.56（真空管集熱器）。

對雙效吸收式制冷系統(tǒng)應用集總參數(shù)法處理，以下模型以高壓發(fā)生器為例，其他換熱器可參考文獻[4]，不予贅述。

質(zhì)量守恒：

圖2 太陽能輻照度與集熱效率變化

圖3 雙效機組一周運行情況

熱水側(cè)：

其中，Mhge，sol為高壓發(fā)生器中溶液的質(zhì)量，Xhge為高壓發(fā)生器中溶液濃度，Xw和Xsl為稀溶液以及高壓發(fā)生器濃溶液濃度，qm1，w和qm1，s為高壓發(fā)生器入口稀溶液和出口濃溶液的質(zhì)量流量，h1，w和h1，s為高壓發(fā)生器入口稀溶液和出口濃溶液的焓值，Q1為熱負荷，Qmv，1和hv，1分別為高壓發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽的質(zhì)量流量和比焓，qm1，hot為進入發(fā)生器的熱水的質(zhì)量流量，h1hot，in，h1hot，out分別為進入和流出發(fā)生器的熱水的比焓。

3 太陽能雙效機組模擬

取某典型日太陽能輻照度9：00-17：00 的數(shù)據(jù)模擬，觀察太陽能輻照度與集熱器瞬時效率，結(jié)果如圖2 所示。可以得到以下結(jié)論: 在熱水質(zhì)量流量一定的情況下，太陽能輻照度越強，集熱器內(nèi)水溫越高，瞬時效率就越高。一天中，太陽能輻照度的變化曲線近似為拋物線型，集熱器瞬時效率的變化趨勢與太陽能輻照度的變化趨勢大致相同。

根據(jù)第二節(jié)中的數(shù)學模型，在Simulink 軟件上對太陽能雙機組進行建模與仿真，以相同的太陽能輻照度在雙機組中運行一周情況如圖3 所示。該雙效機組設(shè)置為熱水溫度高于120℃時啟動，低于120℃時關(guān)閉，熱水溫度隨太陽能輻照度變化趨勢有一致性，制冷量的變化略有滯后，雙機機組在該典型周的系統(tǒng)表現(xiàn)符合實際。

4 結(jié)論

應用Simulink 對太陽能雙效溴冷機進行了仿真，集熱器瞬時效率與太陽能輻照度變化趨勢一致，雙機機組在該周的系統(tǒng)表現(xiàn)符合實際。