魏浩展,李 慧,王萬鈺
(山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)
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(diǎn)[1-2]。目前,H2O-LiBr、NH3-H2O工質(zhì)對(duì)是空調(diào)領(lǐng)域與工業(yè)領(lǐng)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(shè)備小型化,而氨水具有腐蝕性,沸點(diǎn)與水差不多,必須使用精餾設(shè)備。R134a-DMF作為氟利昂工質(zhì)對(duì),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(duì)可以很好地應(yīng)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(fù)合式制冷系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱復(fù)合式制冷系統(tǒng)),利用壓縮機(jī)回收制冷劑氣體?;贏spen Plus軟件,選取PENG-ROB物性方法,搭建復(fù)合式制冷仿真系統(tǒng)。將蒸發(fā)器負(fù)荷、熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)(用于評(píng)價(jià)復(fù)合式制冷系統(tǒng)對(duì)低品位熱源利用效率)、節(jié)電率(用于評(píng)價(jià)復(fù)合式制冷系統(tǒng)相對(duì)于壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)電程度)作為復(fù)合式制冷系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。保持其他設(shè)定參數(shù)不變:在不同冷凝溫度下,分析發(fā)生溫度對(duì)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。在不同R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)(吸收器出口氣液混合物中)下,分析吸收溫度對(duì)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。本文的壓力均指絕對(duì)壓力。
復(fù)合式制冷系統(tǒng)流程見圖1。復(fù)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(jī)、熱回收換熱器、氣液分離器1、氣液分離器2。
設(shè)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)出口高壓R134a氣體混合后進(jìn)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(jìn)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(fù)合式制冷系統(tǒng)流程1~15.流股
針對(duì)R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)物性方法的選擇,前人進(jìn)行了大量研究。陳鑫[5]根據(jù)熱力學(xué)決策樹,選擇了3種物性方法,基于Aspen Plus軟件的Regression功能,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,并進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示,PENG-ROB物性方法相對(duì)誤差最小,適用于R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)。Coquelet等人[6]對(duì)R134a-DMF二元溶液相平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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?jǐn)?shù)、溫度、壓力的條件下,基于Aspen Plus軟件,選取PENG-ROB物性方法。
在使用Aspen Plus軟件搭建復(fù)合式制冷仿真系統(tǒng)過程中,進(jìn)行下列設(shè)定[5-8]:仿真系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)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(jì),管子、各部件的能量損失忽略不計(jì)。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(gè)出入口R134a-DMF二元溶液均為飽和溶液。
復(fù)合式制冷系統(tǒng)的制冷量等于蒸發(fā)器負(fù)荷,因此本文采用蒸發(fā)器負(fù)荷作為系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。蒸發(fā)器負(fù)荷計(jì)算方法同發(fā)生器。發(fā)生器負(fù)荷Φg的計(jì)算式為:
Φg=qm,outhout-qm,inhin
式中Φg——發(fā)生器負(fù)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(jìn)口溶液質(zhì)量流量,kg/s
hin——發(fā)生器進(jìn)口溶液比焓,kJ/kg
除蒸發(fā)器負(fù)荷外,本文還采用熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)、節(jié)電率作為復(fù)合式制冷系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)用于評(píng)價(jià)復(fù)合式制冷系統(tǒng)對(duì)低品位熱源利用效率,節(jié)電率用于評(píng)價(jià)復(fù)合式制冷系統(tǒng)相對(duì)于壓縮式制冷系統(tǒng)的節(jié)電程度[9]。
熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)ε的計(jì)算式為:
式中ε——熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)
Φe——蒸發(fā)器負(fù)荷,kW
P——復(fù)合式制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)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(fù)合式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機(jī)耗電功率在仿真系統(tǒng)中的壓縮機(jī)模塊獲得。同樣,壓縮式制冷系統(tǒng)的單位制冷量壓縮機(jī)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(jī)模塊獲得。
節(jié)電率η的計(jì)算式為:
式中η——節(jié)電率
Pper——復(fù)合式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機(jī)耗電功率
Pper,c——壓縮式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機(jī)耗電功率
采用Aspen Plus軟件建立復(fù)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(shè)定參數(shù)見表1。復(fù)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(fù)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(shè)定參數(shù)
續(xù)表1
表2 復(fù)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)
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(yùn)行后,復(fù)合式制冷仿真系統(tǒng)各流股運(yùn)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(yùn)行參數(shù)仿真結(jié)果見表5。根據(jù)仿真結(jié)果,可計(jì)算得到復(fù)合式制冷仿真系統(tǒng)蒸發(fā)器負(fù)荷為7.758 kW,熱驅(qū)動(dòng)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(yùn)行參數(shù)仿真結(jié)果
保持其他設(shè)定參數(shù)不變,在不同冷凝溫度下,分析發(fā)生溫度對(duì)復(fù)合式制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器負(fù)荷、熱驅(qū)動(dòng)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(jī)可正常工作。
不同冷凝溫度下,發(fā)生溫度對(duì)蒸發(fā)器負(fù)荷的影響見圖4。由圖4可知,當(dāng)冷凝溫度不變時(shí),蒸發(fā)器負(fù)荷隨發(fā)生溫度升高而增大。主要原因?yàn)榘l(fā)生溫度升高導(dǎo)致發(fā)生器出口R134a氣體增多,使蒸發(fā)器負(fù)荷增大。當(dāng)發(fā)生溫度不變時(shí),蒸發(fā)器負(fù)荷隨冷凝溫度降低而增大。主要原因?yàn)槔淠郎囟冉档蛯?dǎo)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(jìn)口制冷劑溫度隨之降低,最終導(dǎo)致蒸發(fā)器負(fù)荷增大。
圖4 不同冷凝溫度下發(fā)生溫度對(duì)蒸發(fā)器負(fù)荷的影響
不同冷凝溫度下,發(fā)生溫度對(duì)熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)的影響見圖5。由圖5可知,當(dāng)冷凝溫度不變時(shí),熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)隨發(fā)生溫度升高而減小。主要原因?yàn)榘l(fā)生溫度升高導(dǎo)致蒸發(fā)器負(fù)荷與發(fā)生器負(fù)荷均增大,而蒸發(fā)器負(fù)荷增大速率小于發(fā)生器負(fù)荷增大速率,綜合作用使熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)減小。當(dāng)發(fā)生溫度不變時(shí),熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)隨冷凝溫度降低而增大。主要原因?yàn)槔淠郎囟冉档蛯?dǎo)致蒸發(fā)器負(fù)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(fù)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(dòng)性能系數(shù)增大。
圖5 不同冷凝溫度下發(fā)生溫度對(duì)熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)的影響
不同冷凝溫度下,發(fā)生溫度對(duì)節(jié)電率的影響見圖6。由圖6可知,當(dāng)冷凝溫度不變時(shí),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?yàn)榘l(fā)生溫度升高導(dǎo)致復(fù)合式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機(jī)耗電功率減小,節(jié)電率增大。當(dāng)發(fā)生溫度不變時(shí),節(jié)電率隨冷凝溫度降低而增大,增大幅度很小。主要原因?yàn)槔淠郎囟冉档停瑢?dǎo)致復(fù)合式制冷系統(tǒng)與壓縮式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機(jī)耗電功率均減小,而復(fù)合式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機(jī)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(duì)節(jié)電率的影響
保持其他設(shè)定參數(shù)不變,在不同R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)(吸收器出口氣液混合物中)下,分析吸收溫度對(duì)蒸發(fā)器負(fù)荷、熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)、節(jié)電率的影響。R134a質(zhì)量分?jǐn)?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(jī)正常工作。
不同R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,吸收溫度對(duì)蒸發(fā)器負(fù)荷的影響見圖7。由圖7可知,當(dāng)R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變時(shí),蒸發(fā)器負(fù)荷隨吸收溫度升高而增大。當(dāng)吸收溫度不變時(shí),蒸發(fā)器負(fù)荷隨R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大。主要原因?yàn)槲諟囟壬吲cR134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,均導(dǎo)致吸收器出口氣相分率增大,進(jìn)入壓縮機(jī)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(jìn)入溶液循環(huán)泵的R134a-DMF溶液質(zhì)量減少,進(jìn)而導(dǎo)致由發(fā)生器進(jìn)入制冷循環(huán)的R134a氣體減少。而進(jìn)入壓縮機(jī)的R134a氣體增加速率大于由發(fā)生器進(jìn)入制冷循環(huán)的R134a氣體減少速率,綜合作用使蒸發(fā)器負(fù)荷增大。
圖7 不同R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)下吸收溫度對(duì)蒸發(fā)器負(fù)荷的影響
不同R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,吸收溫度對(duì)熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)的影響見圖8。由圖8可知,當(dāng)R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變時(shí),熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)隨吸收溫度升高而減小。當(dāng)吸收溫度不變時(shí),熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)隨R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小。主要原因?yàn)槲諟囟壬吲cR134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,均導(dǎo)致進(jìn)入壓縮機(jī)的R134a氣體增多,壓縮機(jī)耗電功率增大,使熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)減小。
圖8 不同R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)下吸收溫度對(duì)熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)的影響
不同R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,吸收溫度對(duì)節(jié)電率的影響見圖9。由圖9可知,當(dāng)R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變時(shí),節(jié)電率隨吸收溫度升高而減小。當(dāng)吸收溫度不變時(shí),節(jié)電率隨R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小。主要原因?yàn)槲諟囟壬吲cR134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,均導(dǎo)致進(jìn)入壓縮機(jī)的R134a氣體增多,復(fù)合式制冷系統(tǒng)單位制冷量壓縮機(jī)耗電功率增大,使節(jié)電率減小。
圖9 不同R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)下吸收溫度對(duì)節(jié)電率的影響
① 當(dāng)冷凝溫度不變時(shí),隨著發(fā)生溫度升高,蒸發(fā)器負(fù)荷、節(jié)電率增大,熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)減小。當(dāng)發(fā)生溫度不變時(shí),隨著冷凝溫度降低,蒸發(fā)器負(fù)荷、熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)、節(jié)電率均增大。
② 當(dāng)R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變時(shí),隨著吸收溫度升高,蒸發(fā)器負(fù)荷增大,熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)、節(jié)電率減小。當(dāng)吸收溫度不變時(shí),隨著R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,蒸發(fā)器負(fù)荷增大,熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)、節(jié)電率減小。