R134a-DMF吸收-壓縮復合式制冷系統(tǒng)仿真分析

魏浩展，李 慧，王萬鈺

(山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南 250101)

1 概述

與傳統(tǒng)壓縮式制冷相比，吸收式制冷具有能耗低、節(jié)約能源、環(huán)境污染小等優(yōu)點[1-2]。目前，H2O-LiBr、NH3-H2O工質(zhì)對是空調(diào)領域與工業(yè)領域的主流，但溴化鋰溶液具有吸濕性且傳熱系數(shù)小，不利于設備小型化，而氨水具有腐蝕性，沸點與水差不多，必須使用精餾設備。R134a-DMF作為氟利昂工質(zhì)對，制冷劑為R134a，吸收劑為DMF(二甲基甲酰胺)。R134a熱穩(wěn)定性高、無腐蝕性、無毒性，是一種環(huán)境友好的制冷劑，DMF被稱為萬能溶劑，因此R134a-DMF工質(zhì)對可以很好地應用于吸收式制冷系統(tǒng)中[3-4]。

本文為解決R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)吸收器出口出現(xiàn)制冷劑(R134a)氣體問題，提出R134a-DMF吸收-壓縮復合式制冷系統(tǒng)(簡稱復合式制冷系統(tǒng))，利用壓縮機回收制冷劑氣體?；贏spen Plus軟件，選取PENG-ROB物性方法，搭建復合式制冷仿真系統(tǒng)。將蒸發(fā)器負荷、熱驅(qū)動性能系數(shù)(用于評價復合式制冷系統(tǒng)對低品位熱源利用效率)、節(jié)電率(用于評價復合式制冷系統(tǒng)相對于壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)電程度)作為復合式制冷系統(tǒng)性能評價指標。保持其他設定參數(shù)不變：在不同冷凝溫度下，分析發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能評價指標的影響。在不同R134a質(zhì)量分數(shù)(吸收器出口氣液混合物中)下，分析吸收溫度對系統(tǒng)性能評價指標的影響。本文的壓力均指絕對壓力。

2 復合式制冷系統(tǒng)

復合式制冷系統(tǒng)流程見圖1。復合式制冷系統(tǒng)主要包括發(fā)生器、冷凝器、電子膨脹閥1、電子膨脹閥2、蒸發(fā)器、吸收器、溶液循環(huán)泵、壓縮機、熱回收換熱器、氣液分離器1、氣液分離器2。

設定從吸收器流出的為氣液混合物，由氣液分離器1分離出的R134a-DMF溶液經(jīng)過溶液循環(huán)泵進入熱回收換熱器，由氣液分離器2分離出的R134a-DMF稀溶液加熱。由氣液分離器1分離出的R134a氣體經(jīng)壓縮機增壓得到高壓R134a氣體。經(jīng)熱回收換熱器加熱后的R134a-DMF溶液進入發(fā)生器，被低品位熱源加熱，發(fā)生器出口的氣液混合物進入氣液分離器2。由氣液分離器2分離出的R134a氣體與壓縮機出口高壓R134a氣體混合后進入冷凝器，被冷凝為R134a液體，經(jīng)過電子膨脹閥2節(jié)流后進入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，產(chǎn)生低壓低溫氣液混合物。熱回收換熱器出口低溫R134a-DMF稀溶液經(jīng)電子膨脹閥1節(jié)流降壓后，在吸收器內(nèi)與來自蒸發(fā)器的氣液混合物混合并吸收R134a氣體。完成1次循環(huán)。

圖1 復合式制冷系統(tǒng)流程1～15.流股

3 復合式制冷仿真系統(tǒng)

3.1 物性方法的選擇

針對R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)物性方法的選擇，前人進行了大量研究。陳鑫[5]根據(jù)熱力學決策樹，選擇了3種物性方法，基于Aspen Plus軟件的Regression功能，對實驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合，并進行對比。結(jié)果顯示，PENG-ROB物性方法相對誤差最小，適用于R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)。Coquelet等人[6]對R134a-DMF二元溶液相平衡實驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果表明，PENG-ROB物性方法與合適的混合規(guī)則及NRTL模型聯(lián)立能夠更好地描述相平衡實驗數(shù)據(jù)?；貢匝骩7]基于Aspen Plus軟件，分別采用PENG-ROB物性方法、PRWA物性方法(帶有Boston-Mathias函數(shù)的PENG-ROB物性方法)、PR-BM物性方法(帶有Wong-Sandler混合規(guī)則的PENG-ROB物性方法)進行計算，將計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)PENG-ROB物性方法精度最高。因此，本文選取PENG-ROB物性方法。

通過Aspen Plus軟件內(nèi)物性數(shù)據(jù)庫可以得到PENG-ROB物性方法的物性參數(shù)。在已知組分質(zhì)量分數(shù)、溫度、壓力的條件下，基于Aspen Plus軟件，選取PENG-ROB物性方法。

3.2 條件設定

在使用Aspen Plus軟件搭建復合式制冷仿真系統(tǒng)過程中，進行下列設定[5-8]：仿真系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。發(fā)生壓力等于冷凝壓力，蒸發(fā)壓力等于吸收壓力。溶液循環(huán)泵的電能消耗忽略不計，管子、各部件的能量損失忽略不計。同一流股中，工質(zhì)質(zhì)量流量、溫度、壓力保持不變。熱回收換熱器冷熱端4個出入口R134a-DMF二元溶液均為飽和溶液。

3.3 系統(tǒng)性能評價指標

復合式制冷系統(tǒng)的制冷量等于蒸發(fā)器負荷，因此本文采用蒸發(fā)器負荷作為系統(tǒng)性能評價指標之一。蒸發(fā)器負荷計算方法同發(fā)生器。發(fā)生器負荷Φg的計算式為：

Φg=qm,outhout-qm,inhin

式中Φg——發(fā)生器負荷，kW

qm,out——發(fā)生器出口氣液混合物質(zhì)量流量，kg/s

hout——發(fā)生器出口氣液混合物比焓，kJ/kg

qm,in——發(fā)生器進口溶液質(zhì)量流量，kg/s

hin——發(fā)生器進口溶液比焓，kJ/kg

除蒸發(fā)器負荷外，本文還采用熱驅(qū)動性能系數(shù)、節(jié)電率作為復合式制冷系統(tǒng)性能評價指標。熱驅(qū)動性能系數(shù)用于評價復合式制冷系統(tǒng)對低品位熱源利用效率，節(jié)電率用于評價復合式制冷系統(tǒng)相對于壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)電程度[9]。

熱驅(qū)動性能系數(shù)ε的計算式為：

式中ε——熱驅(qū)動性能系數(shù)

Φe——蒸發(fā)器負荷，kW

P——復合式制冷系統(tǒng)壓縮機與溶液循環(huán)泵耗電功率之和(本文忽略溶液循環(huán)泵耗電功率)，kW

ICOP——相同冷凝溫度、蒸發(fā)溫度下，壓縮式制冷系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)

復合式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機耗電功率在仿真系統(tǒng)中的壓縮機模塊獲得。同樣，壓縮式制冷系統(tǒng)的單位制冷量壓縮機耗電功率也可在由Aspen Plus軟件搭建的壓縮式制冷仿真系統(tǒng)中的壓縮機模塊獲得。

節(jié)電率η的計算式為：

式中η——節(jié)電率

Pper——復合式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機耗電功率

Pper,c——壓縮式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機耗電功率

3.4 仿真系統(tǒng)

采用Aspen Plus軟件建立復合式制冷仿真系統(tǒng)、壓縮式制冷仿真系統(tǒng)，分別見圖2、3。壓縮式制冷仿真系統(tǒng)以R134a為制冷劑。模塊設定參數(shù)見表1。復合式制冷仿真系統(tǒng)流股1初始參數(shù)見表2，壓縮式制冷仿真系統(tǒng)流股1初始參數(shù)見表3。

圖2 復合式制冷仿真系統(tǒng)(軟件截圖)

圖3 壓縮式制冷仿真系統(tǒng)(軟件截圖)

表1 模塊設定參數(shù)

續(xù)表1

表2 復合式制冷仿真系統(tǒng)流股1初始參數(shù)

表3 壓縮式制冷仿真系統(tǒng)流股1初始參數(shù)

3.5 仿真結(jié)果

選取物性方法，搭建仿真系統(tǒng)，輸入初始參數(shù)。仿真系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，復合式制冷仿真系統(tǒng)各流股運行參數(shù)仿真結(jié)果見表4，壓縮式制冷仿真系統(tǒng)各流股運行參數(shù)仿真結(jié)果見表5。根據(jù)仿真結(jié)果，可計算得到復合式制冷仿真系統(tǒng)蒸發(fā)器負荷為7.758 kW，熱驅(qū)動性能系數(shù)為0.451，節(jié)電率為0.963。

續(xù)表4

表5 壓縮式制冷仿真系統(tǒng)各流股運行參數(shù)仿真結(jié)果

4 系統(tǒng)性能評價指標影響因素分析

4.1 工況1

保持其他設定參數(shù)不變，在不同冷凝溫度下，分析發(fā)生溫度對復合式制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器負荷、熱驅(qū)動性能系數(shù)、節(jié)電率的影響。發(fā)生溫度變化范圍為80～96 ℃，冷凝溫度變化范圍為26～36 ℃，吸收器出口氣相分率大于0，壓縮機可正常工作。

不同冷凝溫度下，發(fā)生溫度對蒸發(fā)器負荷的影響見圖4。由圖4可知，當冷凝溫度不變時，蒸發(fā)器負荷隨發(fā)生溫度升高而增大。主要原因為發(fā)生溫度升高導致發(fā)生器出口R134a氣體增多，使蒸發(fā)器負荷增大。當發(fā)生溫度不變時，蒸發(fā)器負荷隨冷凝溫度降低而增大。主要原因為冷凝溫度降低導致冷凝器出口制冷劑溫度降低，由于電子膨脹閥開度不變，蒸發(fā)器進口制冷劑溫度隨之降低，最終導致蒸發(fā)器負荷增大。

圖4 不同冷凝溫度下發(fā)生溫度對蒸發(fā)器負荷的影響

不同冷凝溫度下，發(fā)生溫度對熱驅(qū)動性能系數(shù)的影響見圖5。由圖5可知，當冷凝溫度不變時，熱驅(qū)動性能系數(shù)隨發(fā)生溫度升高而減小。主要原因為發(fā)生溫度升高導致蒸發(fā)器負荷與發(fā)生器負荷均增大，而蒸發(fā)器負荷增大速率小于發(fā)生器負荷增大速率，綜合作用使熱驅(qū)動性能系數(shù)減小。當發(fā)生溫度不變時，熱驅(qū)動性能系數(shù)隨冷凝溫度降低而增大。主要原因為冷凝溫度降低導致蒸發(fā)器負荷與壓縮式制冷系統(tǒng)制冷性能系數(shù)均增大，而蒸發(fā)器負荷增大速率大于壓縮式制冷系統(tǒng)制冷性能系數(shù)增大速率，綜合作用使熱驅(qū)動性能系數(shù)增大。

圖5 不同冷凝溫度下發(fā)生溫度對熱驅(qū)動性能系數(shù)的影響

不同冷凝溫度下，發(fā)生溫度對節(jié)電率的影響見圖6。由圖6可知，當冷凝溫度不變時，節(jié)電率隨發(fā)生溫度升高而增大，增大幅度很小。主要原因為發(fā)生溫度升高導致復合式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機耗電功率減小，節(jié)電率增大。當發(fā)生溫度不變時，節(jié)電率隨冷凝溫度降低而增大，增大幅度很小。主要原因為冷凝溫度降低，導致復合式制冷系統(tǒng)與壓縮式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機耗電功率均減小，而復合式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機耗電功率減小速率大于壓縮式制冷系統(tǒng)，綜合作用使節(jié)電率增大。

圖6 不同冷凝溫度下發(fā)生溫度對節(jié)電率的影響

4.2 工況2

保持其他設定參數(shù)不變，在不同R134a質(zhì)量分數(shù)(吸收器出口氣液混合物中)下，分析吸收溫度對蒸發(fā)器負荷、熱驅(qū)動性能系數(shù)、節(jié)電率的影響。R134a質(zhì)量分數(shù)變化范圍為0.58～0.64，吸收溫度變化范圍27～36 ℃，吸收器出口氣相分率大于0，壓縮機正常工作。

不同R134a質(zhì)量分數(shù)下，吸收溫度對蒸發(fā)器負荷的影響見圖7。由圖7可知，當R134a質(zhì)量分數(shù)不變時，蒸發(fā)器負荷隨吸收溫度升高而增大。當吸收溫度不變時，蒸發(fā)器負荷隨R134a質(zhì)量分數(shù)增大而增大。主要原因為吸收溫度升高與R134a質(zhì)量分數(shù)增大，均導致吸收器出口氣相分率增大，進入壓縮機的R134a氣體增多，而系統(tǒng)中R134a-DMF總質(zhì)量不變，經(jīng)氣液分離器1進入溶液循環(huán)泵的R134a-DMF溶液質(zhì)量減少，進而導致由發(fā)生器進入制冷循環(huán)的R134a氣體減少。而進入壓縮機的R134a氣體增加速率大于由發(fā)生器進入制冷循環(huán)的R134a氣體減少速率，綜合作用使蒸發(fā)器負荷增大。

圖7 不同R134a質(zhì)量分數(shù)下吸收溫度對蒸發(fā)器負荷的影響

不同R134a質(zhì)量分數(shù)下，吸收溫度對熱驅(qū)動性能系數(shù)的影響見圖8。由圖8可知，當R134a質(zhì)量分數(shù)不變時，熱驅(qū)動性能系數(shù)隨吸收溫度升高而減小。當吸收溫度不變時，熱驅(qū)動性能系數(shù)隨R134a質(zhì)量分數(shù)增大而減小。主要原因為吸收溫度升高與R134a質(zhì)量分數(shù)增大，均導致進入壓縮機的R134a氣體增多，壓縮機耗電功率增大，使熱驅(qū)動性能系數(shù)減小。

圖8 不同R134a質(zhì)量分數(shù)下吸收溫度對熱驅(qū)動性能系數(shù)的影響

不同R134a質(zhì)量分數(shù)下，吸收溫度對節(jié)電率的影響見圖9。由圖9可知，當R134a質(zhì)量分數(shù)不變時，節(jié)電率隨吸收溫度升高而減小。當吸收溫度不變時，節(jié)電率隨R134a質(zhì)量分數(shù)增大而減小。主要原因為吸收溫度升高與R134a質(zhì)量分數(shù)增大，均導致進入壓縮機的R134a氣體增多，復合式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機耗電功率增大，使節(jié)電率減小。

圖9 不同R134a質(zhì)量分數(shù)下吸收溫度對節(jié)電率的影響

5 結(jié)論

① 當冷凝溫度不變時，隨著發(fā)生溫度升高，蒸發(fā)器負荷、節(jié)電率增大，熱驅(qū)動性能系數(shù)減小。當發(fā)生溫度不變時，隨著冷凝溫度降低，蒸發(fā)器負荷、熱驅(qū)動性能系數(shù)、節(jié)電率均增大。

② 當R134a質(zhì)量分數(shù)不變時，隨著吸收溫度升高，蒸發(fā)器負荷增大，熱驅(qū)動性能系數(shù)、節(jié)電率減小。當吸收溫度不變時，隨著R134a質(zhì)量分數(shù)增大，蒸發(fā)器負荷增大，熱驅(qū)動性能系數(shù)、節(jié)電率減小。