基于MATALAB的溴化鋰吸收式制冷機仿真模型的建立及研究

韓靜

(長沙民政職業技術學院電子信息工程學院，湖南長沙 410004)

0 引言

溴化鋰機組采用溴化鋰作為吸收劑，水作為制制冷劑，具有不污染環境、消耗電能少等優點，同時它具有一機多用、自動化程度高的優點。但是溴化鋰吸收式機組具有許多不同循環流程，因此希望建立實驗模型對系統運行進行熱工模擬計算，從模擬計算結果判斷系統運行的可行性與經濟性，為溴化鋰吸收式制冷的優化設計以及機組運行的節能經濟性提供科學定量分析的依據[1]。

本文以圖1中雙效并聯溴化鋰吸收式制冷機組為例，研究從參數控制、不同熱交換設備模型建立、系統組合、計算程序的設計到仿真模擬等具體過程。

建立起得系統模型通過模擬仿真不僅可以迅速計算出溴化鋰冷水機組各狀態點(圖1中1-24)的參數，研究出參數間相互匹配的關系，還可以進行參數優化。針對溴化鋰機組型式的多樣化，該系統模型中包含了循環中各部件的模型，這些模型既可以獨立又可以組合成不同溴化鋰循環系統。

1 幾個基本假設

制冷劑和溶液在系統中各處的狀態參數及流量不隨時間的變化而變化。

忽略系統中管壁、容器壁的熱容量，忽略系統各處管內的流動損失及各熱交換器中管壁散熱和傳熱的損失，認為各處溶液處于均勻狀態。

換熱過程中除有相變的換熱器外其余均采用板式換熱器，換熱過程視為逆流換熱(有相變采用管殼式換熱器)。

系統中各設備內均滿足熱力平衡的條件。

蒸發器出口制制冷劑蒸汽一般循環過程中為飽和狀態。

冷凝壓力與低發壓力相同。

冷凝器出口制制冷劑水處于飽和狀態。

冷凝器出來的制冷劑水經節流后進入蒸發器，此過程視為等焓。

2 理論模型

各部件經濟換熱溫差及溴化鋰溶液的物性計算公式參考文獻[1]的經驗公式。依據質量及能量的平衡原理，建立各部分的數學模型如下：

2.1 蒸發器模型

輸入參數：冷卻水進口溫度t14，冷卻水出口溫度t15，制制冷劑的總量D，冷凝器的出口制冷劑水的溫度t10；

輸出參數：蒸發器的出口制冷劑蒸汽的參數及制冷量Qe。

2.2 高壓發生器模型

輸入參數：熱源溫度t5，高壓發生器的壓力Ph，稀溶液的入口濃度3ξ及焓值h3；

輸出參數：高壓發生器中濃溶液的質量m2及濃度2ξ、焓值h2，高壓發生器產生制冷劑蒸汽的壓力1P、溫度t1、焓值h1、質量D1，以及高壓發生器放出的熱量Qh。

2.3 高溫熱交換器模型

2.4 低壓發生器模型

低壓發生器不同于其它熱交換器，它存在熱源相變的問題，通過計算得出，低壓發生器所放出的制冷劑蒸汽量達到最大時，系統對應的制冷量才有可能達到最大值。采用拉格郎日乘數法求極值，建立如下方程：

已知：

(1)建立低壓發生器能量平衡方程如下：

整理得出極值控制條件1：

(2)假設高壓發生器內產生的制冷劑蒸汽經過低壓發生器后為濕蒸汽狀態(汽、液混合狀態，水占高壓發生器放出的總制冷劑的質量比值為x)，其中放出的潛熱用來加熱稀溶液8到比低壓發生器壓力下稀溶液飽和溫度低2℃的狀態8’，顯熱用來加熱8’到濃溶液狀態9。

由此建立能量平衡方程如下：

整理得出極值控制條件2：

建立極值求解方程如下：

則通過：

計算得出低壓發生器出口濃溶液濃度9ξ、質量m9及高壓發生器內產生的制冷劑蒸汽經過低壓發生器后飽和水比值x。通過前面給出的公式進一步可以得出低壓發生器出口濃溶液溫度t9、焓值h9。

輸入參數：低壓發生器壓力Pl，低壓發生器入口稀溶液濃度焓值h8及其飽和溫度ts8；

輸出參數：低壓發生器產生制冷劑蒸汽的溫度t7、焓值h7，高壓水蒸氣出口焓值h6、質量m6，低壓發生器濃溶液濃度9ξ、溫度t9、焓值h9、質量m9，以及低壓發生器放出的熱量Ql。

2.5 低溫熱交換器模型

輸出參數：低溫熱交換器中稀溶液出口的焓值h8、t8、出口濃溶液濃度、焓值。

2.6 冷凝器模型

輸入參數：冷卻水出口溫度，低壓發生器制冷劑焓值、質量，高壓發生器制冷劑焓值及質量；

輸出參數：冷凝壓力cP，制冷劑水的出口質量、溫度及焓值h10，冷卻負荷Qc。

2.7 吸收器模型

輸入參數：制冷劑水蒸氣的壓力aP、質量m18、焓值h18，吸收器入口濃溶液的焓值及質量m20，冷卻水入口溫度t17；

輸出參數：稀溶液的溫度t19、焓值h19及濃度ξ19，冷卻負荷Qa。

3 計算程序

筆者采用MATLAB產品中的圖形化工具Simulink，它可以進行動靜態系統建模、仿真及綜合性分析。

整個計算程序是由各個部件的計算子程序組成，其中在程序運行過程中，控制結晶是非常重要的。筆者以雙效并聯蒸汽壓縮溴化鋰吸收式系統為例，說明其計算程序編制的流程如圖2所示。

圖2 系統模型流程圖

圖3 雙效并聯系統模型框架圖

4 系統模型

整個系統基本模型劃分見圖3。

整個系統模型包括以上框架圖中介紹的模型，此外還有一些小的模塊。

圖3模型界面是在圖1系統圖基礎建立起來的。顯示的模擬數據前提條件：高壓發生器壓力40000Pa，冷卻水入口溫度為32℃，冷凍水供回水溫度為7/12℃，熱源水溫度從120℃每升高5℃～150℃時系統COP值及制冷量。

5 結論

本文以雙效溴化鋰吸收式機組為例介紹了從數值分析到建模的過程，為其余型式機組的建模提供參考。通過系統模型可以分析相同條件下不同機組的運行效果及同一機組在不同條件下的運行效果。此外，系統模型的建立對于機組改造創新的研究也提供了理論依據。

當今社會無論如何發展，能源與節能將一直是社會發展不可偏離的方向和我們永遠研究的一個課題，而溴化鋰吸收式機組的應用及與熱電的結合讓我們看到了它不可替代的社會地位。