R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)仿真分析

魏浩展, 李 慧, 王萬(wàn)鈺

(山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院,山東濟(jì)南250101)

1 概述

提高低品位能源綜合利用率會(huì)給工業(yè)領(lǐng)域和社會(huì)帶來(lái)很大效益,同時(shí)對(duì)節(jié)能減排產(chǎn)生一定積極作用[1-2]。吸收式制冷可以利用工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿鹊推肺荒茉磥?lái)驅(qū)動(dòng),運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)壓縮式制冷,符合節(jié)能減排與能量高效利用的理念[3]。吸收式制冷技術(shù)的核心是工質(zhì)對(duì),新型工質(zhì)對(duì)的產(chǎn)生和性能改善會(huì)推動(dòng)吸收式制冷的發(fā)展。

伴隨吸收式制冷技術(shù)的發(fā)展,NH3-H2O與H2O-LiBr是最早出現(xiàn)的兩種工質(zhì)對(duì),但它們都具有一定的缺陷[4]。R134a不會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng),熱穩(wěn)定性較強(qiáng),無(wú)毒,無(wú)腐蝕性,是一種環(huán)境友好型制冷劑,R134a-DMF工質(zhì)對(duì)可以很好地應(yīng)用于吸收式制冷系統(tǒng)[5-6],R134a為制冷劑,DMF(二甲基甲酰胺)為吸收劑。在關(guān)于R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)的研究中,Kedzierski等人[7]研究出了一種新的相關(guān)性,在相同參數(shù)下,利用這種相關(guān)性比較3種制冷劑的傳熱系數(shù),R134a比R1234yf和R450A的傳熱系數(shù)分別高15%和5%。并且為了提供更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),提出了一種新型摩擦相關(guān)系數(shù)。陳鑫[8]基于Aspen Plus軟件,采用PENG-ROB物性方法,搭建了R134a-DMF吸收式制冷模擬系統(tǒng),通過(guò)改變運(yùn)行參數(shù),對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性進(jìn)行分析,針對(duì)R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)COP較低問(wèn)題,設(shè)計(jì)并優(yōu)化了帶精餾塔的R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)。孟學(xué)林等人[9]使用Aspen Plus軟件,基于PENG-ROB物性方法,模擬了吸收-壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng),通過(guò)控制壓縮機(jī)出口壓力進(jìn)行分析,結(jié)果表明,在一定的蒸發(fā)、冷凝、吸收和發(fā)生溫度下,存在一個(gè)最佳壓縮機(jī)出口壓力范圍,此時(shí)復(fù)合制冷系統(tǒng)的工作效率最高。鄭瑞芮等人[6]分別以R32-DMF、R134a-DMF和R32/R134a-DMF為擴(kuò)散吸收制冷系統(tǒng)的工質(zhì)對(duì),進(jìn)行系統(tǒng)性能研究,研究系統(tǒng)制冷效果的影響因素,得到R32/R134a-DMF工質(zhì)對(duì)的制冷效果最好。

本文為解決R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)吸收器出口易出現(xiàn)R134a氣體,導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行的問(wèn)題,對(duì)系統(tǒng)工藝流程進(jìn)行改進(jìn)。基于Aspen Plus軟件,選取PENG-ROB物性方法,根據(jù)改進(jìn)的R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)工藝流程,搭建仿真系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響因素進(jìn)行分析。

2 吸收式制冷系統(tǒng)工藝流程與改進(jìn)

2.1 吸收式制冷系統(tǒng)工藝流程

R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)的工藝流程見圖1。R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)主要包括吸收器、溶液循環(huán)泵、熱回收換熱器、發(fā)生器、氣液分離器、冷凝器、蒸發(fā)器、電子膨脹閥1、電子膨脹閥2。R134a-DMF濃溶液通過(guò)發(fā)生器被低品位熱源加熱產(chǎn)生R134a氣體,從發(fā)生器出來(lái)的氣液混合物通過(guò)氣液分離器分離。分離出來(lái)的R134a氣體進(jìn)入冷凝器,被冷卻水冷凝液化為R134a液體,經(jīng)過(guò)電子膨脹閥1節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱,產(chǎn)生低溫低壓氣液混合物。從氣液分離器出來(lái)的R134a-DMF稀溶液通過(guò)熱回收換熱器降溫后,再經(jīng)過(guò)電子膨脹閥2節(jié)流,然后在吸收器內(nèi)與來(lái)自蒸發(fā)器的氣液混合物混合并吸收R134a氣體。吸收器內(nèi)形成的R134a-DMF濃溶液通過(guò)熱回收換熱器升溫,進(jìn)入發(fā)生器,完成1次循環(huán)。

圖1 R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)工藝流程

2.2 改進(jìn)的吸收式制冷系統(tǒng)工藝流程

前期仿真研究發(fā)現(xiàn),如果控制不好吸收溫度,導(dǎo)致吸收溫度過(guò)高,或者吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高,都會(huì)使吸收器出口出現(xiàn)R134a氣體,致使吸收器出口不是R134a-DMF濃溶液,而是氣液混合物,使系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。因此對(duì)R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),在原系統(tǒng)中吸收器后面增加1個(gè)氣液分離器。該氣液分離器分離出來(lái)的R134a-DMF濃溶液進(jìn)入溶液循環(huán)泵,分離出來(lái)的R134a氣體重新進(jìn)入吸收器。改進(jìn)的R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)工藝流程見圖2。

圖2 改進(jìn)的R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)工藝流程

3 改進(jìn)吸收式制冷仿真系統(tǒng)建立

3.1 Aspen Plus仿真軟件

Aspen Plus是大型通用流程模擬軟件,主要應(yīng)用于化工領(lǐng)域,具有完整的數(shù)據(jù)庫(kù)和完整的結(jié)構(gòu),除了工質(zhì)組分、物性以及狀態(tài)方程外,還包括各個(gè)單元操作模塊[10]。回曉洋[11]基于Aspen Plus搭建了3種工質(zhì)對(duì)的吸收式制冷仿真系統(tǒng),并與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,相對(duì)誤差均在10%以內(nèi),說(shuō)明Aspen Plus適合搭建吸收式制冷仿真系統(tǒng)。本文選擇 Aspen Plus進(jìn)行仿真分析的原因如下。

① 使用R134a-DMF為工質(zhì)對(duì),制冷劑R134a與吸收劑DMF均為化工產(chǎn)品,Aspen Plus軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中可以找到這兩種化工產(chǎn)品。

② 吸收式制冷系統(tǒng)的各個(gè)部件都可以在Aspen Plus軟件中找到對(duì)應(yīng)的模塊,各個(gè)模塊可以相互連接進(jìn)行物料、熱流量的輸入與輸出,便于分析。

③ Aspen Plus軟件具有靈敏度分析功能,可以仿真出系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行特性。

3.2 物性方法的選擇

針對(duì)R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)物性方法的選擇,前人做了大量研究。回曉洋[11]通過(guò)Aspen Plus軟件采用PENG-ROB、PRWA、PR-BM這3種物性方法計(jì)算得到溫度、壓力、濃度數(shù)據(jù),并且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)采用PENG-ROB物性方法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差最小,計(jì)算精度最高。Zehioua等人[12]對(duì)R134a-DMF二元溶液相平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,擬合結(jié)果表明PENG-ROB物性方法與合適的混合規(guī)則及NRTL模型聯(lián)立時(shí),能夠更好地描述相平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。陳鑫[8]根據(jù)熱力學(xué)決策樹,選擇了3種物性方法,基于Aspen Plus軟件的回歸功能,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,將擬合數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,得到平均相對(duì)誤差,結(jié)果表明PENG-ROB 物性方法相對(duì)誤差最小,適用于R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)。為了驗(yàn)證選取PENG-ROB物性方法搭建R134a-DMF吸收式制冷仿真系統(tǒng)熱力學(xué)模型的準(zhǔn)確性,陳鑫[8]根據(jù)文獻(xiàn)[13]的工藝流程,通過(guò)Aspen Plus軟件模擬某工況下的吸收式制冷系統(tǒng),得到蒸發(fā)器負(fù)荷、發(fā)生器負(fù)荷、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度等,與文獻(xiàn)[13]的實(shí)驗(yàn)值對(duì)比,發(fā)現(xiàn)相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)。因此本文選取PENG-ROB物性方法來(lái)進(jìn)行R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)的仿真。

3.3 假設(shè)條件

使用Aspen Plus軟件進(jìn)行仿真過(guò)程中,進(jìn)行以下假設(shè)[14-15]:仿真系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。在同一流股中,工質(zhì)的溫度、壓力保持一致。蒸發(fā)壓力等于吸收壓力,冷凝壓力等于發(fā)生壓力。系統(tǒng)中R134a-DMF溶液均為飽和溶液。忽略系統(tǒng)管路及各部件能量損失、功率損耗,忽略系統(tǒng)與外界的熱量傳遞。

3.4 熱力學(xué)計(jì)算模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)

① 熱力學(xué)計(jì)算模型

設(shè)備內(nèi)流體能量守恒方程為:

(1)

式中s——設(shè)備入口流股的數(shù)量

qm,in,i——設(shè)備入口流股i的質(zhì)量流量,kg/s

t——設(shè)備出口流股的數(shù)量

qm,out, j——設(shè)備出口流股j的質(zhì)量流量,kg/s

整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量守恒方程為:

(2)

式中Φ——設(shè)備負(fù)荷,kW

hout,j——設(shè)備出口流股j的比焓,kJ/kg

hin,i——設(shè)備入口流股i的比焓,kJ/kg

整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量守恒方程為:

qm,awa=qm,gwg

(3)

式中qm,a、qm,g——吸收器、發(fā)生器出口氣液混合物的質(zhì)量流量,kg/s

wa、wg——吸收器、發(fā)生器出口氣液混合物中R134a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

整個(gè)系統(tǒng)能量守恒方程為:

Φa+Φc=Φg+Φe

(4)

式中Φa——吸收器負(fù)荷,kW

Φc——冷凝器負(fù)荷,kW

Φg——發(fā)生器負(fù)荷,kW

Φe——蒸發(fā)器負(fù)荷,kW

設(shè)備出口氣相分率的計(jì)算式為:

(5)

式中B——設(shè)備出口氣相分率

qm,l——設(shè)備所有出口氣體的總質(zhì)量流量,kg/s

qm,s——設(shè)備所有出口流股的總質(zhì)量流量,kg/s

② 評(píng)價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)性能系數(shù)ICOP的計(jì)算式為:

(6)

式中ICOP——系統(tǒng)性能系數(shù)

3.5 R134a-DMF吸收式制冷仿真系統(tǒng)

利用Aspen Plus軟件,根據(jù)改進(jìn)的R134a-DMF吸收式制冷系統(tǒng)工藝流程,建立R134a-DMF吸收式制冷仿真系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱仿真系統(tǒng)),見圖3。與圖2比較,圖3中流股1～13與圖2完全相同,但是由于軟件設(shè)置原因,圖3比圖2多了流股14。下文中流股均對(duì)應(yīng)圖3。模塊初始設(shè)定參數(shù)、流股1初始設(shè)定參數(shù)分別見表1、2。

表1 模塊初始設(shè)定參數(shù)

表2 流股1初始設(shè)定參數(shù)

圖3 R134a-DMF吸收式制冷仿真系統(tǒng)(軟件截圖)

3.6 仿真結(jié)果

R134a-DMF吸收式制冷仿真系統(tǒng)各流股運(yùn)行參數(shù)仿真結(jié)果見表3,此時(shí)系統(tǒng)正常運(yùn)行,吸收器出口未出現(xiàn)氣體,因此流股13無(wú)流體。得到蒸發(fā)器負(fù)荷為7.328 kW,發(fā)生器負(fù)荷為16.482 kW,系統(tǒng)性能系數(shù)為0.445。

表3 R134a-DMF吸收式制冷仿真系統(tǒng)各流股運(yùn)行參數(shù)仿真結(jié)果

4 系統(tǒng)運(yùn)行特性影響因素分析

4.1 不同蒸發(fā)溫度、發(fā)生溫度的影響

基于Aspen Plus軟件靈敏度分析的功能,保持吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.57、吸收溫度為27 ℃,保持其余設(shè)定參數(shù)不變,研究蒸發(fā)溫度、發(fā)生溫度對(duì)蒸發(fā)器負(fù)荷與系統(tǒng)性能系數(shù)的影響。發(fā)生溫度變化范圍70～100 ℃,蒸發(fā)溫度變化范圍13～21 ℃。

不同蒸發(fā)溫度下,蒸發(fā)器負(fù)荷隨發(fā)生溫度的變化見圖4。從圖4可知,保持蒸發(fā)溫度不變,隨著發(fā)生溫度升高,蒸發(fā)器負(fù)荷逐漸增加。主要原因?yàn)榘l(fā)生器出口的R134a氣體流量隨著發(fā)生溫度升高而增加,進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)器負(fù)荷逐漸增加。保持發(fā)生溫度不變,隨著蒸發(fā)溫度升高,蒸發(fā)器負(fù)荷逐漸增加。主要原因?yàn)檫M(jìn)入蒸發(fā)器的R134a液體隨著蒸發(fā)溫度升高進(jìn)一步被氣化,蒸發(fā)器出口氣相分率逐漸增加,進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)器負(fù)荷逐漸增加。

圖4 不同蒸發(fā)溫度下,蒸發(fā)器負(fù)荷隨發(fā)生溫度的變化

不同蒸發(fā)溫度下,系統(tǒng)性能系數(shù)(簡(jiǎn)稱COP)隨發(fā)生溫度的變化見圖5。從圖5可知,保持蒸發(fā)溫度不變,隨著發(fā)生溫度升高,系統(tǒng)COP先增加后減小,當(dāng)發(fā)生溫度80 ℃時(shí),系統(tǒng)COP達(dá)到最大值。如圖4所示,當(dāng)蒸發(fā)溫度不變時(shí),隨著發(fā)生溫度升高,蒸發(fā)器負(fù)荷增加速率逐漸減小,導(dǎo)致系統(tǒng)COP先增加后減小。保持發(fā)生溫度不變,隨著蒸發(fā)溫度升高,系統(tǒng)COP逐漸增加。因?yàn)檎舭l(fā)溫度升高,蒸發(fā)器負(fù)荷逐漸增加,導(dǎo)致系統(tǒng)COP增加。

圖5 不同蒸發(fā)溫度下系統(tǒng)COP隨發(fā)生溫度的變化

4.2 不同吸收溫度、吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

保持發(fā)生溫度85 ℃、蒸發(fā)溫度13 ℃,其余設(shè)定參數(shù)不變,研究吸收溫度、吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)蒸發(fā)器負(fù)荷與系統(tǒng)COP的影響。吸收溫度變化范圍25～35 ℃,吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍0.4～0.7。

不同吸收溫度下,蒸發(fā)器負(fù)荷隨吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化見圖6。從圖6可知,保持吸收溫度不變,隨著吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,蒸發(fā)器負(fù)荷先增加后減小。不同吸收溫度下,吸收器出口氣相分率隨吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化見圖7。

圖6 不同吸收溫度下,蒸發(fā)器負(fù)荷隨吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

圖7 不同吸收溫度下,吸收器出口氣相分率隨吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

結(jié)合圖6、7可知,當(dāng)吸收溫度不變時(shí),吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)在某范圍內(nèi)增加,使得發(fā)生器出口的R134a氣體流量增大,蒸發(fā)器負(fù)荷隨之增加。但是當(dāng)吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)該范圍繼續(xù)增加時(shí),吸收器出口氣相分率會(huì)大于0并逐漸增加。此時(shí),R134a氣體會(huì)通過(guò)氣液分離器分離出來(lái),導(dǎo)致進(jìn)入溶液循環(huán)的R134a-DMF濃溶液濃度逐漸減小,使得蒸發(fā)器負(fù)荷逐漸減小。不同吸收溫度下的蒸發(fā)器負(fù)荷的最大值不同,最大值所對(duì)應(yīng)的吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不同。隨著吸收溫度降低,蒸發(fā)器負(fù)荷最大值增加,最大值所對(duì)應(yīng)的吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增加。隨著吸收溫度降低,吸收器出口氣相分率從0到大于0的臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,此時(shí)R134a-DMF濃溶液濃度會(huì)逐漸增加,蒸發(fā)器負(fù)荷的最大值也會(huì)逐漸增加。當(dāng)吸收器出口氣相分率大于0時(shí),蒸發(fā)器負(fù)荷處于下降過(guò)程,降低吸收溫度,吸收器出口氣體減少,R134a-DMF濃溶液濃度增大,使得發(fā)生器出口的R134a氣體流量增大,蒸發(fā)器負(fù)荷隨之增加。

不同吸收溫度下,系統(tǒng)COP隨吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化見圖8。從圖8可知,保持吸收溫度不變,隨著吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,系統(tǒng)COP先增加達(dá)到最大值后不變。隨著吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,吸收溫度不同,系統(tǒng)COP的最大值不同,最大值所對(duì)應(yīng)的吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不同,吸收溫度降低,系統(tǒng)COP最大值就增加,最大值所對(duì)應(yīng)的吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增加。

圖8 不同吸收溫度下,系統(tǒng)COP隨吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

不同吸收溫度下,發(fā)生器負(fù)荷隨吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化見圖9。從圖6、9可知,在不同吸收溫度下,發(fā)生器負(fù)荷與蒸發(fā)器負(fù)荷隨吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)基本相同。

圖9 不同吸收溫度下,發(fā)生器負(fù)荷隨吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

5 結(jié)論

① 保持吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.57、吸收溫度為27 ℃,其余設(shè)定參數(shù)不變,發(fā)生溫度變化范圍70～100 ℃,蒸發(fā)溫度變化范圍13～21 ℃。當(dāng)蒸發(fā)溫度不變時(shí),隨著發(fā)生溫度升高,蒸發(fā)器負(fù)荷逐漸增加,系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)先增加后減小。當(dāng)發(fā)生溫度不變時(shí),隨著蒸發(fā)溫度升高,蒸發(fā)器負(fù)荷逐漸增加,系統(tǒng)COP逐漸增加。

② 保持發(fā)生溫度85 ℃、蒸發(fā)溫度13 ℃,其余設(shè)定參數(shù)不變,吸收溫度變化范圍25～35 ℃,吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍0.4～0.7。當(dāng)吸收溫度不變時(shí),隨著吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,蒸發(fā)器負(fù)荷先增加后減小,系統(tǒng)COP先增加后保持不變。隨著吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,蒸發(fā)器負(fù)荷達(dá)到最大值,系統(tǒng)COP此時(shí)也達(dá)到最大值。不同的吸收溫度條件下蒸發(fā)器負(fù)荷與系統(tǒng)COP的最大值不同,最大值所對(duì)應(yīng)的吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不同,吸收溫度降低,蒸發(fā)器負(fù)荷與系統(tǒng)COP的最大值增加,最大值所對(duì)應(yīng)的吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增加。在蒸發(fā)器負(fù)荷下降過(guò)程中,當(dāng)吸收器出口R134a質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變時(shí),隨著吸收溫度降低,蒸發(fā)器負(fù)荷逐漸增加。