吸收式制冷循环的计算机模拟及优化分析

文章编号：1671-6612（2014）02-116-06溴化锂吸收式热泵循环理论分析与计算机模拟田泽辉 解国珍 张 凡 Theoretical Analysis and Simulation of Lithium Bromide Absorption Heat Pump Cycle（北京建筑大学 北京 100044）【摘 要】 以溴化锂水溶液的热物性参数计算公式和美国供暖制冷空调工程协会（ASHRAE ）给出的溴化锂水溶液的平衡方程为基础，通过模拟计算得到了较为精确的确定溴化锂水溶液热物性参数的计算方法。

进而对单效热泵循环的仿真模拟计算，实现了对机组在不同工况下的性能预测。

为实验研究提供了分析方法，为企业生产提供了设计思路。

【关键词】 溴化锂水溶液；第一类吸收式热泵；计算机模拟 中图分类号 TB611 文献标识码 ATian Zehui Xie Guozhen Zhang Fan( Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing, 100044 )【Abstract 】 This paper is based on the calculation formula of thermal physical parameters on lithium bromide aqueous solution and equilibrium equation of ASHRAE, to get a accurate calculation method of the thermal physical parameters. And then, simulation calculation for the single effect heat pump cycle, realized the performance prediction of unit under different conditions. It provides analysis method for experimental study and design method for enterprise.【Keywords 】 Lithium Bromide solution; type Ⅰ absorption heat pump ; simulation calculation基金项目：国家自然科学基金项目（编号：51176007）；北京供热、供燃气、通风与空调工程重点实验室资助 作者简介：田泽辉（1987.4-），男，在读硕士研究生，E-mail ：tianzehuibj@ 通讯作者：解国珍（1954-），男，教授，E-mail ：xieguozhen@ 收稿日期：2013-11-19 0 引言能源与环境的问题已成为全球最为关注的焦点问题之一，随着人类科技文明的进步我们不断地发现更加节能、环保的装置。

一种新型吸收-压缩复合制冷循环模拟
唐鹏武;陈光明;唐黎明;刘利华
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2011(000)004
【摘要】为了对一种新型吸收-压缩复合制冷循环的性能进行模拟,使用Visual Basic语言自行编制了一个程序.该程序模拟了发生温度、蒸发温度、冷凝温度、加热量、制冷量对系统性能的影响,并将其性能与传统蒸气压缩式制冷循环作了对比.模拟结果表明:当发生温度升高时,新循环的制冷系数先增大后减小；当蒸发温度升高或加热量增大时,新循环的制冷系数增大；当冷凝温度升高或制冷量增大时,新循环的制冷系数减小.在大部分假定工况下,新循环的制冷系数比传统蒸气压缩式循环的高10％以上.新循环的提出不仅能够大幅度减少空调电力负荷,还为太阳能等低品位能源的高效利用提供了可能.
【总页数】6页(P21-26)
【作者】唐鹏武;陈光明;唐黎明;刘利华
【作者单位】浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027;浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027;浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027;浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027
【正文语种】中文
【中图分类】TB615
【相关文献】
1.电压缩式制冷循环与吸收式制冷循环的热力学比较分析 [J], 冯丽洁;付林;张世钢;江亿
2.高/低压区氨水吸收/压缩复合制冷循环性能分析 [J], 鲍帅阳;杜凯;储云霄;武云龙;鄂文汲
3.太阳能驱动的压缩吸收式复合制冷循环分析 [J], 曹毅然;张小松;鲍鹤灵
4.吸收-喷射复合制冷循环与双效吸收式制冷循环的比较研究 [J], 蒋立本;顾兆林;牛宏新;毕心德
5.氨水吸收／压缩复合制冷循环性能分析 [J], 鲍帅阳;杜垲;蔡星辰;牛晓峰;武云龙因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第38卷第1期1998年1月 大　连　理　工　大　学　学　报 Journal of Dalian University of Technology Vol .38,No .1Jan .1998基于热力学第二定律的吸收式制冷循环分析a 徐士鸣,袁　一(大连理工大学动力工程系,大连　116024)(大连理工大学化工学院,大连　116012) 摘要　采用热力学第二定律的分析方法,对氨-水吸收式制冷系统内各设备及系统热力循环过程进行深入的分析和研究;发现了系统内能量转换过程中的薄弱环节,为系统的热经济优化设计及优化操作明确了方向.关键词　氨水;吸收制冷;热力学循环/火用分析分类号　TB616 文献〔1〕所述的氨水吸收式制冷循环热力计算,只是从“量”上反映制冷系统热量转换情况及热量利用的总效果,不能反映其热力过程的完善程度.为了准确地揭示吸收式制冷系统及其各设备热力过程的完善程度,找出影响系统性能的薄弱环节,为系统的改进及热经济优化设计和优化操作明确方向,就必须对所研究的系统进行全面的火用分析.火用是作为衡量各种类型能量潜在作功能力大小的一种热力学参数;它是从能的“量”和“质”相结合的角度出发,科学地评价各种类型能量价值的物理量〔2〕.根据火用的定义,对于由n 个组分组成的混合物质的火用可表示为E =∑n i =1x i H i -T 0∑ni =1x i S i -∑n i =1x i L i ,0(1)式中:x i 为第i 种组分占混合物的摩尔分数;L i ,0为第i 种组分在环境(T 0,p 0)状态下的化学势.若用混合物的焓H h 、熵S h 及吉布斯自由焓G h 来表示,则上式可写为E h =H h -T 0S h -G h ,0(2)1　吸收式制冷循环的火用损失 如图1所示的吸收式制冷循环中,火用损失的种类很多;除系统内的冷凝器和吸收器中由冷却水带走的未被利用的能量作为系统的外部火用损失外,系统内各设备在能量交换过程中还存在着温差传热、节流过程和混合过程等不可逆过程所产生的火用损失,这些都属于设备内部火用损失.了解在制冷过程中,系统内各设备火用损失的大小及该设备火用损失占系统总火用损失的比率,就有助于分析寻找制冷系统能量转换过程最薄弱的环节,以便在吸收式制冷系统的优化设计中对该环节引起充分重视.a国家自然科学基金资助项目(29136143)收稿日期:1996-12-10;修订日期:1997-10-10　徐士鸣:男,1957年生,副教授 图1　氨水吸收式制冷系统(改进前、后)火用分析流程对于有m 个流股的开口系,火用的平衡式为∑m i =1Ei =∑mi =1W i +$E +∑m i =10i +∑mi =1E 0,i (3)式中:∑E i 为输入系统的总火用;∑Wi 为系统与外界交换的净功;$E 为系统的火用增量(稳定流动$E =0);∑0i 为系统内部总火用损失;∑E0,i 为扣除系统向外输出功后的系统输出的总火用.制冷循环在单位时间内每制取1kg 冷剂的溶液循环倍率为f ,则由式(3)可写出吸收式制冷系统内各设备的火用损失,即冷凝器 $E l =E 5-E 6(4)蒸发器$E e =E 7-E 8-E z (5)吸收器$E x =(f -1)E 3+E 8-f E 4(6)热交换器$E r j =(f -1)(E 2-E 2a )+(f -g )(E 4a -E 1a )(7)溶液泵$E b =f (E 4-E 4a )+W p (8)溶液节流阀$E jl2=(f -1)(E 2a -E 3)(9)发生器　(改进前g =0)$E f =f E 1a -E 5-(f -1)E 2+E q (10)　(改进后g ≠0)$E f =(f -g )E 1a +gE 4a -E 5-(f -1)E 2+E q (11)系统总火用损失$E t ot =∑7i =1$E i(12)其中:E q 为热火用,E z 为冷火用.为了便于分析,本文采用无量纲火用值来表示.定义1　系统内各设备无量纲火用损失D e i 为各设备的火用损失$E i 与$E tot 之比值,它表示该设备的火用损失占系统总火用损失的比率.定义2　系统的无量纲火用损失D e tot 为$E tot 与系统输出E z 之比值,它表示制冷系统输出单位冷火用所损失的火用的比率.定义3　系统的火用性能系数ECOP (又称火用效率)为系统的收益火用(即E z )与系统所消耗的火用之比值,即制冷系统每消耗一个单位火用所能获得冷火用的比率.其表达式为E COP =E z E q +W p =∫(T 0/T z -1)d q z∫(1-T 0/T f )d q f +W p(13)71　第1期 徐士鸣等:基于热力学第二定律的吸收式制冷循环分析2　制冷系统无量纲火用损失计算结果与分析 本文所采用的算例参数与文献〔1〕中的相同,环境温度取T 0=293K,计算所得的吸收式制冷系统改进前后各设备的D e i 、D e tot 及E COP 随加热热源温度t f 、冷剂蒸发温度t z及冷却水　图2　制冷系统改进前D e x 随t f 、t z 、t w 的变化曲线温度t w 的变化关系由图2～6中的各条曲线(虚线t w =32℃,实线t w =25℃,曲线下的数字为制冷温度t z )表示.2.1　设备无量纲火用损失情况分析(1)吸收器:如图2所示,在吸收式制冷系统运行过程中,吸收器的无量纲火用损失D e x 随t f上升而单调上升.在制冷系统正常工作时,其火用损失可占系统总火用损失的20%～30%.因此,在完善吸收式制冷系统各设备能量传递过程时,吸收器是需要进行重点研究的关键设备之一.在吸收过程中,火用损失的类型有:传热温差、扩散、混合等不可逆损失和由冷却水带走的火用损失.但由冷却水带走的火用损失只占吸收器总火用损失的很少部分,主要的不可逆损失在于传热温差及吸收时的扩散、混合过程之中.随着t z 的提高,蒸发压力相应增加,吸收器内气、液传质界面上的饱和温度上升,与冷却水的传热温差增大,传热不可逆性增加.同时随着t f 提高,出发生器的稀溶液浓度降低,使吸收器内溶液的平均浓度与纯氨气之间的浓度差增大,在传质过程中扩散、混合的不可逆性增大.故在图中曲线上反映出D e x 随t z 和t f 的上升而迅速增加的趋势.这样在吸收式制冷系统的设计过程中不仅要尽可能完善吸收器的设计,而且更重要的是对整个制冷系统进行最优设计或最优操作,以确定最佳的出发生器的稀溶液温度,使吸收过程中的不可逆损失尽可能降低.(2)发生器和溶液热交换器:如图3、4所示,在吸收式制冷系统运行过程中,发生器的无量纲火用损失D e f 在制冷系统所有设备中是最大的,约在40%～65%.因此,如何降低发生器在能量传递过程中的不可逆性是提高整个吸收式制冷系统火用效率的关键所在.从图中可以看到,制冷系统改进前后的发生器和溶液热交换器的无量纲火用损失(D e f 与D e r j )随t f 、t z 和t w 的变化曲线有明显差别.在系统改进前,D e f 随t f 上升先迅速增加,到达最大值后逐渐下降,整条曲线比较平滑.这时D e r j 却是随t f 的上升而作单调下降.然而当系统改进后,分出部分浓溶液去回收精馏热,使通过溶液热交换器的浓溶液部分发生汽化,溶液热交换器内冷热流股的传热温差发生变化,而使D e rj 随t f 出现剧烈的变化.由于出溶液热交换器的浓溶液汽液两相组分比率的变化及分流率的变化,使进入发生器各流股的火用值相应发生变化,精馏过程的不可逆损失程度也发生变化,从而使得系统改进后D e f 随t f 的变化出现明显的波动.D e f 与D e rj 曲线的变化情况正好相反;当D e f 曲线达到低谷时,D e rj 曲线正好达到峰值.然而发生器和溶液热交换器的火用损失之和可达到系统总火用损失的60%～70%.在吸收式制冷系统中,上述三个主要设备的火用损失总和占系统总火用损失的80%～72大连理工大学学报 第38卷　(a)改进前(b)改进后图3　制冷系统改进前后D e f 随t f 、t z 、t w 的变化曲线90%,而其他设备的火用损失之和只占系统总火用损失的10%～20%.因此吸收式制冷系统设备中影响系统热力性能的薄弱环节是在吸收器、发生器和溶液热交换器.如何降低这三个主要设备的火用损失,完善其热力过程,是提高吸收式制冷系统热力性能的关键所在.(a )改进前(b )改进后图4　制冷系统改进前后D e rj 随t f 、t z 、t w 的变化曲线2.2　系统无量纲火用损失情况分析如图5所示,在吸收式制冷系统运行时,系统无量纲火用损失系数D e tot 随t f 的上升而迅速下降,下降到最低值后又随t f 的升高而逐渐增大.t z 、t w 越低,D e tot 谷值也就越小,而随t f 的上升,D e tot 上升的趋势也在减缓.显然,在对吸收式制冷系统设计过程中,设计条件已确定时,需要寻找最佳的发生器出口稀溶液温度,使制冷系统的D e tot 降到最低,因此必须对整个系统进行优化设计和操作.同样,从图中还可见到,制冷系统的改进与否对D e tot 的影响较大.改进后的制冷系统在相同的条件下D e tot 明显低于改进前的D e tot .也就是说,吸收式制冷系统改进后每获取一个单73　第1期 徐士鸣等:基于热力学第二定律的吸收式制冷循环分析(a)改进前(b)改进后图5　制冷系统改进前后D e tot 随t f 、t z 、t w 的变化曲线位的冷火用所要损失的火用值要低于系统改进前所要损失的火用值,因此对系统的改进是有效的.2.3　制冷系统火用性能系统变化情况分析如图6所示,在吸收式制冷系统运行时,E COP 随t f 的变化曲线与系统的性能系数(COP )的变化曲线类似,但ECOP 数值却远远小于系统的COP 值.与COP 曲线不同的是,ECOP 值是随t z 的降低而提高.这里也可以看出,采用热力学第一定律分析法与采用第二定律分析法所得出的结论是不一致的.由于第一定律分析法不考虑能量的“品质”问题,将不同温度下的热量和冷量在数值上均视为相同,这样分析所得出的结论与实际情况和能量的实质有相当大的差别.(a )改进前(b )改进后图6　制冷系统改进前后ECOP 值随t f 、t z 、t w 的变化曲线74大连理工大学学报 第38卷　4　结束语 从热力学第一定律的角度出发计算所得的氨水吸收式制冷系统的COP 值要低于溴化锂吸收式制冷系统的COP 值;尤其是当t f 较高时,溴化锂吸收式制冷系统可以采用双效系统而使制冷系统的COP 值大于1.因此人们总是认为在能量利用过程中,溴化锂吸收式制冷系统要优于氨水吸收式制冷系统.但从热力学第二定律的角度出发来衡量氨水吸收式制冷系统的能量有效利用情况,则与根据热力学第一定律计算所得出的结论相反:氨水吸收式制冷系统的能量有效利用值不仅不低,而且在制冷温度较低的情况下,改进后的系统的火用性能系数既高于溴化锂吸收式制冷系统,而且还高于从热能转换为电能的压缩式制冷系统〔3、4〕.参　考　文　献1　徐士鸣,袁　一.氨水吸收式制冷循环的分析与改进.大连理工大学学报,1996,36(4):4452　朱明善.能量系统的火用分析.北京:清华大学出版社,1988.3　张光焱.溴化锂吸收式制冷装置的火用分析.流体工程,1992,20(1):574　蒋能照.火用及其在制冷工程中的应用.制冷学报,1981(1):8Cycle analysis of absorption refrigeration system basedon the second law of thermodynamicsXu Shiming(Dept .of P ow er Eng .,D alian U niv .of T echnol .,China )Yuan Yi(Scho ol of Chem.Eng.,Dalian U niv.o f T echno l.,China )Abstract Based o n the analy sis m ethod of the second law o f thermodynamics,the thermal cy cle process o f am monia-water absor ption refrig er ation system is analy zed and researched deeply to find the link of the energ y transfo rmation process in the sy stem.The direction o f the thermo economic o ptimization and the desig n of the system can be pointed out acco rding to the results.Key words ammo nia w ater ;absorption refrigeratio n ;thermodynamic cycles /exerg y analy sis 75　第1期 徐士鸣等:基于热力学第二定律的吸收式制冷循环分析。