太陽能雙效溴冷機模擬

孫紅磊 張 柯 孫蘇芮 王德昌

（青島大學 機電工程學院，山東 青島266071）

太陽能單效溴化鋰吸收式制冷系統雖然應用最為廣泛，同時兼具結構簡單、操作方便的特點，然而單效機組的COP 普遍較低，同時為保證發生器中溶液溫度在允許范圍之內以防止濃溶液結晶，單效機組驅動熱源溫度也不能過高。因而，為了充分利用高品位熱源且提高系統COP，在單效機組的基礎上又提出了雙效溴化鋰吸收式制冷機組。Kaushik 和Arora[1]對串聯雙效溴化鋰吸收式制冷系統進行了能量分析和火用分析，并與單效機組進行了比較。他們發現單效機組的性能系數范圍為0.6-0.75，而串聯雙效機組性能系數的范圍為1-1.28，說明雙效機組的COP 要比單效機組的高出60%-70%。解磊[2]等人以上海交通大學某大樓的BCHP 系統為參考實例，分析了吸收式制冷機的動態特性，應用模塊化建模和集總參數法同時以BCHP 系統為例建立了雙效溴化鋰吸收式制冷機的動態仿真模型，同時根據不同輸入條件進行了變工況仿真實驗。張藝斌[3]等人提出一種太陽能雙效溴化鋰吸收式與壓縮式聯合制冷系統的運行模式，太陽能雙效吸收式制冷系統承擔夏季空調的尖峰負荷，減少空調的能耗與高峰用電負荷。他們利用TRNSYS 軟件建立了系統模型進行夏季運行工況模擬，獲得系統的能耗數據，同時他們還計算了該系統相較于獨立壓縮式制冷系統的節能量，并分析聯合運行制冷系統的經濟性。研究結果表明，太陽能吸收式系統承擔的負荷比例越小、設計集熱面積的輻照度越大，聯合運行系統的投資回收期越短，費用年值越低。

圖1 太陽能雙效溴化鋰吸收式制冷系統結構圖

綜上所述，太陽能雙效溴化鋰吸收式制冷系統可顯著提高系統COP，同時可以更好地利用高品位熱源，減少結晶風險，故本文應用Simulink 對雙效機組進行模擬，以研究其系統性能。

1 太陽能雙效機組介紹

太陽能雙效機組與太陽能單效機組相比多了一個高壓發生器、一個高溫溶液熱交換器，高壓發生器中產生的高溫冷劑蒸汽用于加熱低壓發生器，使低壓發生器中的溴化鋰溶液產生溫度更低的冷劑蒸汽，不僅能夠有效利用水蒸氣潛熱，而且可以減少冷凝器的冷卻負荷，提高機組運行經濟性。太陽能雙效溴化鋰吸收式系統結構如圖1 所示。

2 太陽能雙效機組模型

太陽能瞬時集熱效率：

其中，集熱器瞬時效率截距a 取0.52（真空管集熱器）；Tin為太陽能集熱器入口水溫,K；Ta為環境溫度,K，集熱器瞬時效率斜率b 取1.56（真空管集熱器）。

對雙效吸收式制冷系統應用集總參數法處理，以下模型以高壓發生器為例，其他換熱器可參考文獻[4]，不予贅述。

質量守恒：

圖2 太陽能輻照度與集熱效率變化

圖3 雙效機組一周運行情況

熱水側：

其中，Mhge，sol為高壓發生器中溶液的質量，Xhge為高壓發生器中溶液濃度，Xw和Xsl為稀溶液以及高壓發生器濃溶液濃度，qm1，w和qm1，s為高壓發生器入口稀溶液和出口濃溶液的質量流量，h1，w和h1，s為高壓發生器入口稀溶液和出口濃溶液的焓值，Q1為熱負荷，Qmv，1和hv，1分別為高壓發生器產生的蒸汽的質量流量和比焓，qm1，hot為進入發生器的熱水的質量流量，h1hot，in，h1hot，out分別為進入和流出發生器的熱水的比焓。

3 太陽能雙效機組模擬

取某典型日太陽能輻照度9：00-17：00 的數據模擬，觀察太陽能輻照度與集熱器瞬時效率，結果如圖2 所示?？梢缘玫揭韵陆Y論: 在熱水質量流量一定的情況下，太陽能輻照度越強，集熱器內水溫越高，瞬時效率就越高。一天中，太陽能輻照度的變化曲線近似為拋物線型，集熱器瞬時效率的變化趨勢與太陽能輻照度的變化趨勢大致相同。

根據第二節中的數學模型，在Simulink 軟件上對太陽能雙機組進行建模與仿真，以相同的太陽能輻照度在雙機組中運行一周情況如圖3 所示。該雙效機組設置為熱水溫度高于120℃時啟動，低于120℃時關閉，熱水溫度隨太陽能輻照度變化趨勢有一致性，制冷量的變化略有滯后，雙機機組在該典型周的系統表現符合實際。

4 結論

應用Simulink 對太陽能雙效溴冷機進行了仿真，集熱器瞬時效率與太陽能輻照度變化趨勢一致，雙機機組在該周的系統表現符合實際。