基于Aspen Plus的低溫余熱溴化鋰吸收式制冷系統性能的影響因素分析

徐孟進, 曾科滿, 梁家偉, 徐愛祥

(湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007)

0 引言

工業生產的過程往往伴隨著大量難以利用的余熱，已有數據表明，約50%的工業能耗無法被回收利用[1]。目前，600 ℃以上的高溫余熱已經得到了普遍應用，但是300 ℃以下的低溫余熱因其復雜的形式使得利用途徑較為有限[2]。Benilla等討論了多種技術利用不同溫度工業余熱的可能，提出現有技術對低溫余熱的利用不足[3]。

溴化鋰吸收式制冷能夠有效回收低溫余熱[4]。Yang等[5]提出了一種由LiBr/H2O循環和NH3/H2O循環兩個子系統組成的新型的級聯吸收式熱轉換器來回收利用低溫工業余熱，計算結果表明COP最大值可以達到0.227。Chen等[6-7]提出了一種利用低品位熱能的吸收壓縮級聯制冷系統，結果表明，其壓縮子系統的制冷能力及COP都有提升。吸收式制冷機系統設計參數及影響因素較多，在系統設計、開發和運行之前，利用數值模擬方法對系統進行研究，能夠有效地分析系統性能，確定設計參數[8]。目前，利用Aspen Plus軟件對系統工藝流程進行模擬與分析受到越來越多的學者關注[9]。黃超[10]對溴化鋰吸收制冷系統進行了較詳細的建模與分析，模擬結果表明Aspen Plus軟件能夠有效并準確地模擬與分析該系統。王晨升等[11]基于Aspen Plus軟件研究了單效LiBr/H2O吸收式制冷系統的相關性能系數，結果表明制冷溫度上升時系統COP增加，而系統火用效率降低。劉騰[12]基于Aspen Plus軟件搭建了氨水吸收式制冷系統，研究提高了系統中已有設備的COP。

因此，本文基于Aspen Plus模擬軟件建立低溫工業余熱驅動LiBr/H2O吸收式制冷系統模型，著重分析發生器溫度和溴化鋰稀溶液質量分數對該系統的COP和制冷量的影響及規律，以期為低溫工業余熱驅動溴化鋰吸收式制冷系統的設計與效率提升提供理論參考。

1 系統介紹

圖1為溴化鋰吸收式制冷系統工作原理圖[13]。系統主要包含以下幾個組成部分：發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、泵、兩個節流閥和熱交換器。如圖1所示，低溫煙氣將為發生器提供所需的熱量以提升發生器溫度。當溴化鋰溶液流經發生器時，會發生等壓分離的現象，氣態制冷劑(水蒸汽)將會從溴化鋰稀溶液中分離出來。分離出來的水蒸汽將會進入冷凝器，經過一個等壓換熱過程并最終冷凝至飽和狀態。圖中的流程6-7(節流閥1)為絕熱節流過程，經過冷凝器冷凝的制冷劑已經從氣態制冷劑(水蒸汽)變為液態制冷劑(液態水)，經過絕熱節流作用后，液態制冷劑進入蒸發器。閃蒸作用使得蒸發器內的液態制冷劑(液態水)蒸發并產生制冷量。閃蒸后的制冷劑從蒸發器進入吸收器，與從發生器中回流的溴化鋰濃溶液進行混合，并最終被吸收，變為溴化鋰稀溶液。吸收器中混合發生時，冷卻水將通過換熱來吸收二者混合時所釋放的熱量。泵會對混合后形成的溴化鋰稀溶液進行加壓，加壓后的稀溶液進入節流閥2，再次進行循環。在發生器中的溴化鋰濃溶液進入吸收器的過程中，會通過換熱器與從吸收器中產生的溴化鋰稀溶液進行等壓換熱，從而對溴化鋰稀溶液進行預熱，以達到提升系統性能的目的。

圖1 溴化鋰吸收式制冷系統圖

2 模型構建與設置

2.1 模型構建

為了便于分析與計算，對系統做出了如下假設：1)該系統是穩態的；2)溶液在該過程中沒有壓力損失及熱損失；3)泵的效率為97%；4)發生器出口和吸收器出口均為平衡態；5)換熱器冷溶液入口溫度與熱溶液出口溫度溫差恒為5 ℃。

基于質量與能量守恒，建立了系統中主要設備的數學模型和熱力學模型。模型計算公式分別如式(1)～(26)所示。公式符號含義見表1。在上述模型的基礎上對溴化鋰吸收式制冷系統性能進行模擬與分析。

表1 控制方程符號含義

發生器的模型如下：

m11=m12+m5

(1)

m12ω12=m11ω11

(2)

Q1=m12h12+m5h5-m11h11

(3)

冷凝器的模型如下：

m5=m6

(4)

m5ω5=m6ω6

(5)

Q2=m5ω5-m6ω6

(6)

節流閥的模型如下：

m6=m7

(7)

m6ω6=m7ω7

(8)

m6h6=m7h7

(9)

m13=m14

(10)

m13ω13=m14ω14

(11)

m13h13=m14h14

(12)

蒸發器的模型如下：

m7=m8

(13)

m7ω7=m8ω8

(14)

Q15=m8h8-m7h7

(15)

吸收器的模型如下：

m9=m14+m8

(16)

m9ω9=m14ω14

(17)

Q16=m8h8+m14h14-m16h16

(18)

泵的模型如下：

m9=m10

(19)

m9ω9=m10ω10

(20)

W1=m10h10-m9h9

(21)

熱交換器的模型如下：

m10=m11

(22)

m10ω10=m11ω11

(23)

m12=m13

(24)

m12ω12=m13ω13

(25)

m12h12-m13h13=m11h11-m10h10

(26)

評價本制冷系統的性能有諸多評價參數，其中，本文最主要的評價參數之一為性能效率(Coefficient of Performance, COP)。系統COP定義如下：

(27)

式中：QE是指蒸發器產生的冷量，kW，即制冷量；QG指發生器熱負荷，kW。

2.2 模型設置

在模擬過程中，ELECNRTL基本物性法被用于模擬系統中的各個電離子之間的反應。電解質參數由氣液平衡參數所決定，各個設備所對應的模型及具體的設置見表2。

表2 模型具體設置

3 結果與分析

3.1 發生器溫度對系統COP及制冷量的影響

圖2為COP及制冷量隨發生器溫度的變化規律。從圖2中可以看出，當發生器溫度上升時，COP的變化可以分為兩段進行解讀。當發生器處于80～90 ℃時，系統的COP處于上升狀態；當發生器溫度處于90～115 ℃時，隨著溫度的不斷上升，COP呈現出了下降的趨勢。所以，系統COP會在90 ℃時達到峰值。當發生器溫度上升時，QE與QG都會增加。但是兩者之間的增幅有所變化，在發生器溫度處于80～90 ℃時，QG的增幅小于QE，這使得COP隨溫度的增長出現了上升的趨勢。而當發生器溫度處于90～115 ℃時，QG的增幅大于QE的增幅，因此，COP隨溫度增長而出現了降低的現象。此外，發生器溫度的上升會分離出更多的水蒸氣進入蒸發器，這也是圖2中制冷量曲線隨溫度上升而上升的原因。

圖2 發生器溫度對系統的影響

3.2 溴化鋰溶液質量分數對系統COP及制冷量的影響

圖3為溴化鋰溶液質量分數對制冷量及發生器熱負荷的影響。圖中數據表明，隨著溶液質量分數從46%不斷增加至60%，發生器熱負荷和制冷量均呈現線性下降趨勢。這是因為，溴化鋰稀溶液質量分數越高表明溶液中的水的含量越低，發生器熱負荷下降。同時，高質量分數溴化鋰溶液中較低的水含量使得水蒸發量減少，最終制冷劑暨流經蒸發器的液態水減少，制冷量降低。

圖3 溴化鋰溶液質量分數對制冷量及發生器熱負荷的影響

圖4為溴化鋰溶液質量分數與系統COP之間的關系。圖中數據表明，當溴化鋰溶液質量分數上升時，制冷系統的COP呈現在0.851上下波動的趨勢，幅度低于0.4%，但總體呈現出了上升的趨勢。由COP定義可知，當QE和QG與均為線性下降趨勢時，COP的曲線圖像應為反比例函數，圖像中大部分點符合反比例函數中COP隨溴化鋰溶液質量分數升高而增大、且質量分數越高增幅越小的部分。而圖像中的小幅度波動，應為模擬誤差導致。所以COP的變化曲線應為COP隨溴化鋰稀溶液質量分數上升而緩慢增大。

圖4 溴化鋰溶液質量分數對系統COP的影響

4 結論

本文基于Aspen plus軟件對低溫余熱驅動的溴化鋰制冷系統的性能影響因素進行模擬與分析，著重研究了發生器溫度、溶液質量分數對低溫余熱驅動的溴化鋰制冷系統性能(COP)的影響，主要結論如下：

(1)隨發生器溫度的上升，COP的呈現先增后減的規律，且發生器溫度為90 ℃時，COP達到了峰值，為0.860。制冷量隨著發生器溫度的上升而增加，但增長速率不斷降低。

(2)溴化鋰溶液質量分數增加，系統的制冷量和發生器的熱負荷則線性降低，當溴化鋰溶液質量分數在46%～60%變化時，系統的COP隨溴化鋰稀溶液的質量分數上升而緩慢增大，且增幅隨溴化鋰稀溶液質量分數的上升而減小。