基于吸附式制冷的金屬模具生產線余熱回收裝置的研究

杜芳莉 申慧淵

基于吸附式制冷的金屬模具生產線余熱回收裝置的研究

杜芳莉 申慧淵

（西安航空學院能源與建筑學院 西安 710077）

隨著國家對系統節能減排政策的實施，工業企業積極響應，鑄造企業作為高能耗行業節能潛力巨大。基于吸附式制冷對西安某鑄造企業模具生產線中產生的大量余熱進行回收，該裝置巧妙利用吸附式制冷系統的冷凝器冷卻回水與金屬模具生產線的廢熱水源進行定量混合使得熱源溫度為65℃，從而使吸附式制冷系統效率達到最高。通過該余熱回收裝置不僅可減少企業對環境的熱污染，而且還將吸附式制冷所產生的冷量用于空調系統的冷源，大幅度減少了空調系統能耗。

模具生產線；熱水源；余熱；吸附式制冷；節能

0 引言

隨著國民經濟快速發展，能源緊缺問題日益突出，能源消耗所引起的環境污染問題日益嚴重，能源與環境的可持續發展成為國家的重大發展戰略，目前國家大力發展和開發清潔能源，節能減排措施成為研究熱點。鑄造企業作為高耗能、高污染行業，積極響應國家節能減排政策。在鑄造行業中，由于模具生產線中會產生大量低于100℃的余熱廢水[1-3]。目前大部分企業對于這部分熱量都是直接排放到環境中，這樣不僅帶來“熱污染”問題，而且還導致能源的巨大浪費[4]。針對模具生產線大量余熱浪費的現狀，本文提出一種金屬模具生產線余熱高效回收裝置，該裝置能有效回收模具生產線的大量余熱，并用于空調系統的冷源或熱源，從而大幅度減少空調系統能耗，它不僅能滿足企業對生產環境的要求，同時還能提高產品的生產質量，從而達到共贏目的。

1 設計思路

在鑄造行業中，由于熱處理加工后的模具通常需要用水進行冷卻定型，在冷卻過程中，大量余熱會白白流失，造成資源浪費。本文針對西安某鑄造廠金屬模具生產線冷卻產生的大量廢熱水進行余熱回收，該余熱回收裝置由金屬模具生產線的廢熱水源、吸附式制冷裝置、熱水源溫度控制系統及吸附式制冷控制系統等組成，如圖1所示。其工作過程為：金屬模具生產線產生的廢熱水源與吸附式制冷系統中冷凝器的冷卻水出口的水進行混合，通過熱水源溫度控制系統控制相應的流量使熱水的溫度保持在65℃左右，從而為吸附式制冷系統提供最佳的熱水源溫度。吸附式制冷裝置在持續不斷的熱水源供給及控制系統作用下進行吸附制冷，并持續輸出空調機組所需的冷凍水，同時對于釋放熱量后的低溫熱水再次進入生產線冷卻成型的高溫模具，使模具迅速定型，從而提高模具生產線效率。

圖1 金屬模具生產線的余熱回收裝置工作原圖

2 吸附式制冷裝置

隨著能源的日益緊缺，低溫余熱、廢熱的開發利用成為綠色能源發展的趨勢[5]。吸附式制冷利用低品位熱能作為驅動熱源，采用自然環保工質作為制冷劑，因其具有無CFCs，ODP和GWP為零、抗震性能好等優點而備受關注[6]。吸附式制冷的原理與普通的機械壓縮式制冷不同，它不需消耗高品位電能，節能效果顯著，其原理主要是通過吸附劑吸附及脫附作用而產生壓力差來完成制冷循環[7]。目前在低于100℃的熱源驅動下，普遍采用硅膠－水吸附式制冷機，但由于硅膠-水吸附工質對的循環有效吸附量小，造成系統龐大、循環時間長、性能受環境溫度變化影響大的特點，從而對其應用造成一定的瓶頸。為此，本文選用沸石-水作為工質對，并采用兩個吸附床的連續制冷方式，大大提高制冷效率[8]。本文中吸附式制冷系統主要是由吸附床1、吸附床2、冷凝器、蒸發器、四通換向閥1、四通換向閥2、真空閥V1、真空閥V2、真空閥V3、真空閥V4、流量調節閥1、流量調節閥2組成。其結構如圖2所示。

圖2 吸附式制冷系統結構圖

工作過程為：來自模具生產線的廢熱水源經流量調節閥2與來自吸附式制冷裝置冷凝器出口冷卻水經流量調節閥1進行定量混合，使得混合后熱水源水溫為65℃，然后通過四通換向閥2進入吸附床1，與此同時，連接吸附床1與冷疑器的真空閥V3打開，吸附床1進行脫附再生，同時吸附床2與蒸發器相連的真空閥V2打開進行吸附制冷，在此過程中，冷卻水通過四通換向閥2進入吸附床2帶走吸附熱后進入冷凝器帶走冷凝熱；當吸附床1脫附完成后，熱源與冷卻水流路的四通換向閥1、2進行切換，同時與冷凝器、吸附床、蒸發器相連的真空閥也進行切換，此時狀態變為吸附床1與蒸發器相連的真空閥V1打開，進行吸附制冷，冷卻水進入吸附床1帶走吸附熱后再進入冷凝器帶走冷凝熱，而65℃的熱水源則通過四通換向閥進入吸附床2進行脫附再生，與此同時，吸附床2與冷凝器相連的真空閥V4打開，如此切換循環，連續向空調機組輸出冷凍水[9]。

3 控制系統

為使金屬模具生產線熱回收裝置效率達到最高，該裝置還設置高精度的控制系統，該控制系統包括熱水源溫度控制系統、吸附式制冷控制系統和計算機，如圖3所示。其中熱水源溫度控制系統主要監測和控制冷凝器出口的冷卻水流量調節閥1與廢熱水源進口處的水流量調節閥2的開度，保證進入吸附式制冷裝置中的熱水溫度始終為65℃；吸附式制冷裝置控制系統主要調節吸附式制冷過程中各閥門的開啟時間，確保吸附式制冷中的吸附床1進行脫附再生而吸附床2進行吸附制冷的第一循環，和吸附床1吸附制冷、吸附床2脫附再生的第二循環的順利切換，從而保證冷凍水的不間斷產生；計算機作為控制系統的核心，主要是保證兩個控制系統高效運行。

圖3 金屬模具生產線熱回收裝置控制系統結構圖

3.1 熱水源溫度控制系統

熱水源溫度控制系統是為了確保吸附式制冷系統效率達到最高，該系統是由冷卻水溫度傳感器、熱水源溫度傳感器、流量調節閥1和流量調節閥2組成。其中冷卻水溫度傳感器、熱水源溫度傳感器均位于熱水源溫度控制系統的輸入端，流量調節閥1和流量調節閥2則位于系統的輸出端。該控制系統采用基于改進的細菌覓食優化算法優化的三層BP神經網絡模型，通過實時監測冷卻水溫度及熱水源溫度并配合流量調節閥1和流量調節閥2的開度，巧妙將吸附式制冷系統的冷凝器的冷卻回水與金屬模具生產線的廢熱水進行定量混合使得熱源溫度為65℃，從而使吸附式制冷系統的效率最高。熱水源控制系統工作原理如圖4所示，其工作過程如下。

圖4 熱水源溫度控制系統結構圖

（1）數據采集及傳輸：冷卻水溫度傳感器對冷凝器的冷卻水出口水溫進行實時檢測，并將檢測到的冷卻水溫度信號輸出給熱水源溫度控制器。熱水源溫度傳感器對金屬模具生產線產生的廢熱水源溫度進行實時檢測并將檢測到的熱水源溫度信號輸出給熱水源溫度控制器。

（2）數據處理：熱水源溫度控制器將冷卻水溫度信號和熱水源溫度信號輸入預先構建的三層BP神經網絡中，輸出對流量調節閥1開度的控制信號和對流量調節閥2開度的控制信號，并調節流量調節閥1和流量調節閥2的開度，使從冷凝器出口輸出的冷卻水與從金屬模具生產線產生的廢熱水源混合后，水溫穩定在65℃。

（3）預先構建好三層BP神經網絡后，每次只需將冷卻水溫度信號和熱水源溫度信號輸入預先構建的三層BP神經網絡中，就可以自動輸出對流量調節閥1開度的控制信號和對流量調節閥2開度的控制信號，從而簡單、快捷、準確地將吸附式制冷系統中冷凝器的冷卻出水與金屬模具生產線的廢熱水混合溫度調節為65℃，進而有效保證吸附式制冷系統的效率達到最高，并連續產生空調機組所需的冷凍水。

3.2 吸附式制冷控制系統

吸附式制冷控制系統是確保吸附床1和吸附床2交替吸附、脫附，連續輸出冷量的系統。它是由吸附式制冷控制器、設置在吸附床1出口端的第一氣體流量傳感器和第一水流量傳感器、設置在吸附床2出口端的第二氣體流量傳感器和第二水流量傳感器、四通換向閥1、四通換向閥2、真空閥V1、真空閥V2、真空閥V3和真空閥V4組成，其控制系統結構如圖5所示。其工作過程為：吸附式制冷控制器控制四通換向閥1和四通換向閥2，使混合后溫度為65℃的熱水源從四通換向閥2接入吸附床1進行脫附再生，而吸附床1脫附再生產生的廢水從四通換向閥1排出，同時，吸附式制冷控制器控制真空閥V2和真空閥V3打開，使從冷卻水輸入管輸入的冷卻水從四通換向閥2進入吸附床2中，帶走吸附床2吸附制冷后所放出的熱量，并從四通換向閥1進入冷凝器帶走冷凝熱；當第一氣體流量傳感器檢測到吸附床1脫附產生的制冷劑蒸汽量為零時，吸附床1脫附再生過程完成，此時吸附式制冷控制器控制真空閥V2和真空閥V3關閉，并控制四通換向閥2進行切換，真空閥V1、真空閥V2、真空閥V3和真空閥V4均處于關閉狀態，冷卻水則從四通換向閥2進入吸附床1中，同時，溫度為65℃的廢熱水源從四通換向閥2接入吸附床2中，當第一水流量傳感器檢測到第一吸附床的出口端水流量為零，且第二水流量傳感器檢測到第二吸附床的出口端水流量為零時，吸附式制冷控制器控制四通換向閥1進行切換，并控制真空閥V1和真空閥V4打開，此時，吸附床1與蒸發器相連進行吸附制冷，吸附制冷后產生的熱量被冷卻水吸收并從四通換向閥1進入冷凝器帶走冷凝熱；吸附床2與冷凝器相連，進行脫附再生，脫附再生后產生的冷卻廢水通過四通換向閥1排出，當第二氣體流量傳感器檢測到第二吸附床脫附產生的制冷劑蒸氣量為零時，脫附再生完成，第二吸附床的脫附再生過程完成，返回第一吸附床脫附再生、第二吸附床吸附制冷的第一循環，如此往復循環，不斷進行余熱回收，輸出冷凍水。

圖5 吸附式制冷控制系統結構圖

4 結論

綜上所述，本文提出的金屬模具生產線余熱高效回收裝置，能將金屬模具生產線產生的大量余熱廢水進行有效回收，并巧妙用于吸附式制冷裝置的熱源，為模具生產線的空調系統持續不斷提供冷量，從而大幅度減少生產車間空調系統能耗。該裝置不僅節能、綠色環保，符合國家節能減排的大政方策，而且還吻合當前全球能源、環境協調發展的總趨勢。該裝置創新點如下：

（1）本裝置利用金屬模具生產線產生的大量廢水余熱為吸附式制冷系統提供熱源，解決了空調系統冷源制取耗能大的問題。

（2）本裝置中吸附式制冷系統設計新穎合理，采用吸附床1、吸附床2、冷凝器和蒸發器相互配合工作，有效回收金屬模具生產線產生的廢熱水源的熱量，持續生產空調用冷凍水，并用作金屬模具生產線車間內空調系統的冷源，達到節能減排的目的。

（3）本裝置通過設置熱水源溫度控制器，及冷卻水溫度傳感器和熱水源溫度傳感器，配合流量調節閥1和流量調節閥2，采用基于改進的細菌覓食優化算法優化的三層BP神經網絡模型，巧妙利用吸附式制冷系統的冷凝器的冷卻回水與金屬模具生產線的廢熱水進行定量混合使得熱源溫度恒定為65℃，從而使吸附式制冷系統的效率達到最高。

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Research on Waste Heat Recovery Device of Metal Mould Production Line Based on Adsorption Refrigeration

Du Fangli Shen Huiyuan

( Xi’an Aeronautical University, Department of Energy and Architecture, Xi’an, 710077 )

With the implementation of the national policy on energy conservation and emission reduction in the system, industrial enterprises have responded positively.Casting industry as a high energy consumption industry has great potential for energy saving. In this paper, a large amount of waste heat produced in die production line of a casting enterprise in Xi'an is recovered based on adsorption refrigeration.The device skillfully uses the cooling backwater of the condenser of the adsorption refrigeration system to mix quantitatively with the waste heat source of the metal mold production line, so that the heat source temperature is 65℃, so that the efficiency of the adsorption refrigeration system is the highest..The waste heat recovery device can not only reduce the thermal pollution to the environment, but also apply the cooling capacity produced by adsorption refrigeration to the cold source of air conditioning system, which greatly reduces the energy consumption of air conditioning system.

mould production line;hot water source; waste heat; adsorption refrigeration; energy conservation

G710

A

1671-6612（2020）05-554-04

西安航空學院自然科學研究基金項目（編號：2019KY1223）

杜芳莉（1975.5-），女，碩士研究生，副教授，E-mail：972339919@qq.com

2019-12-18