（动力机械及工程专业论文）太阳能驱动溴化锂吸收式制冷循环动态特性的研究.pdf

太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷循环的动态仿真 摘要 众所周知，动态特性是溴化锂制冷机的基本特性，同时又是控制系统的主要内 容之一。吸收式机组的非稳定状态只是偏离设计工况的小扰动过程，及外界干扰因 素对机组稳定工况的扰动。因此，对吸收式机组的动态特性的研究应着力于其稳定 工况下的干扰特性，并分析在各种扰量下机组各参数的控制特性参数变化，为制冷 机本体和控制系统的设计提供依据。 本文对太阳能吸收式制冷机的干扰特性进行了研究，主要包括以下两个方面： 第一，首先分析了太阳能吸收式制冷机组各部件的热质耦合关系，建立了各部 件的动态特性数学模型，并给出了详细的解法。在此基础上建立了太阳能吸收式制 冷机的整机动态特性模型，并进行了数值求解。定量分析了机组的干扰特性，即冷 却水进口流量，热源温度与冷媒水流量进口温度对各部件及整个机组的影响，得出 了各参数在各种扰量下发生变化的趋势。 第二为对实验结果进行实验验证，搭建了吸收式制冷机的动态特性试验台， 对机组启动和关机，冷剂水泵，真空度，冷却水进口温度流量，冷媒水进口温度流量 对机组各部件和整机的影响进行了实验研究。结果表明：实验结果与仿真结果在误 差允许范围内是一致的，对于系统仿真，数学模型是正确的。 关键词：扰动工况动态特性数学模型解法试验 t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no fl i b r a b s o r p t i o nc h i l l e r d r i v e nb ys o l a re n e r g y a b s t r a c t ni sw e l lk n o w nt h a tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r e 血eb a s i cp m p e r t i e so f l i m i l l i l l _ b m m i d ea b s o r p t i o nc h i l l e r sa n di ti sa l s ot h em a i nc o n t e n t so fc o n t m l l i n 窖 s y s t e m t h eu n s t e a d yc o n d i t i o no fa b s o r p t i o nc h i l l e ri st h a tk i n do fc o n d i t i o nw h i c h d e p a r t sf m mt h er a t e dp o i n tw i t ha 1 i t ed i s t u r b i n gf a c t o lt h e r e f o r et h er e s e a r c hg o a lo f m ed v n 枷cc b 甜a c t e r i s t i c so fa b s o r p t i o nc l l i l l e rs h o l l l db et h ed i s t u r b i n gc h a r a c t e r i s t i c s i n d u c e df 如ms t e a d vc o n d i t i o n b e s i d e st h i s l ec h a r a c t e r i s t i cn a r a m e t e r sf b ru i l i t c o n t r o lo fe a c hp a m m e t e ru n d e ra uk i n d so fd i s t i l r b i n gf a c t o rs h o u l db ea n o t h e rg o a l 、 s om a tt h ed e s i g n i n gr e a s o n so f c o n t r o l l i n gs y s t e mc a i lb ed m v i d e d i nt m sp 叩e r 血ed i s t u r b i n gc h a r a c t e r i s t i c so fa b s o r p t i o nc 1 1 i l l e rd r i v e nb ys o l a r e n e r g yh a v e b e e nr e s e a r c h e d i tc a nb ec l a s s i f i e di n t o 佃oa s p e c t s ： f i r s t l y t h em a s sa n dh e a t c o u p l i n gr e l a t i o n s l l i pa m o n gs i xc o m p o n e n t so f a b s o r p t i o nc h i l l e rd r i v e nb ys o l a re n e r g ya r ea n a l y z e d t h ed v n 咖i cm a t h e m a t i c a l m o d e l so fe a c hc o m d o n e n th a v eb e e nc o n s 仕u c t e da n dt h e i rd e t a i l e ds o l u t i o nm e t h o d s a r ep r e s e n t e d b a s e du p o na b o v ei d e a s 血ed v n a i i l i cm o d e lo ft h ew h o l es v s t e mo f a b s o r p t i o nc 王l i l l e rd r i v e nb vs o l a re n e r g vi sc o n s t r u c t e da n ds 0 1 v e dn u m e r i c a l l vt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn o wr a t ea 1 1 di n l e tt e m p e r a 眦o fc o o l m gw a t e r c h j l l i n gw a t e ra n dt h e h e a tr e s o u f c eh a v e b e e na n a l v z e d 。w h j c hh a v ee 行色c t so na 1 1c o m d o n e n t sa n d l ew h o 】e u n i t a c c o r d i n gt ot h ea n a l v s i st h et r e n do fe a c hp a r a m e t e r1 1 n d e ra ut h o s ed i s t u r b i n 2 f a c t o r sh a sb e e np r e s e n t e d s e c o n d l yi no r d e rt ov e r i f yt h ec a l c u l a t e dd a t a a ne x p e r i m e nc a ld y n 锄i c c h a r a c s t i cd e v i c ew a sc o n s t m c t e du s i n gas i n 9 1 e e 色c ta b s o r d t i o nc | 1 i l l e rc v c l e t h e o p e r a t i o n a la c t i v i t i e s ，s u c ha ss t a r t u p 舳ds h u td o w n ，w e r ep e r f o r n l e d a n da l s om e i 1 u e n c e so fs o m ef a c t o r s1 i k ec l l i l l i n gw a t e rp 岫p v a c u u m ，t h ef l o wm t e sa 1 1 d t e m p e r a t u r e so fb o mc o o l i n g 、v a t e ra n dc h i l l i n gw a t e ro nt h ew h o l eu n i ta sw e l la so n i n d i v i d u a lc o m p o n e n t sw e r ec o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p e r i m e 玎t a lr e s u l t s a c c o r dw e uw i t ht h er e s u no fs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：d i s t u r b i n gc o n d i t i o n ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ， m a t h e m a t i c a lm o d e l ， s 0 1 u t i o n ， e x p e r i m e n t i i 彳 d c o p m p g 丁 冉 k p 或p d 1x 希腊字母 口 下标： g v f d p f d ，f r 0 主要符号表 传热面积 直径 循环的性能系数 流量 密度 溶液量 时间 焓值 传热系数 压力 制冷量；热负荷 温度 内能 级值 溶液的循环倍率 溶液的质量分数 发生器的参数 吸收器的参数 蒸发器的参数 冷凝器的参数 节流管的参数 发生器蒸汽的参数 冷凝器冷剂水的参数 吸收器冷却水出口的参数 冷却水进口的参数 冷却水出口的参数 冷媒水进口的参数 冷媒水出口的参数 壳的参数 热交换器浓溶液出口的参数 热交换器稀溶液出口 热水进口的参数 热水进口的参数 i i i m 丑 m k 曲 k g ，m 3 蚝 k j k g w ( m 2 k ) k p a k w k 腓g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：避日 期：至! ! ：! ：! 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着社会经济的发展，夏季空调制冷所消耗的能量已占到较大的比例，冬季采暖系统也 同样消耗大量能量，部分地区已显现电力紧张局面。我国以煤为主的能源结构，造成的环境 污染日趋严重，c o ，排放量位居世界第二，此外还面临能源枯竭问题。因此，开发可再生能源 是中国乃至世界可持续发展能源基本战略的重要组成部分j 。因此，利用取之不尽、清洁的 太阳能制冷空调，是一个理想的方案。它对于节省常规能源，减少环境污染，提高人们生活 水平有重要意义，符合可持续发展战略的要求啪j 。 在多种利用太阳能的制冷方式中，溴化锂吸收式制冷系统的能量转换效率较高，且是目 前最成熟的方式口”，溴化锂是绿色工质，没有损害臭氧层的o z d 效应，国内已有2 座利用太 阳能的溴化锂吸收式制冷机系统装置作为样板工程在广东和山东示范运行。 为了提高太阳能吸收式机组的性能，其运行特性尤其是动态特性的模拟及优化相当重要。 吸收式制冷机动态特性的研究有助于了解机组的运行特性，进而进行优化设计，减少机组的 能量和材料消耗。众所周知，对于任何设备，其动态特性是设备的基本工况特性，以往所研 究的稳态工况只是设备的特殊工况。对溴化锂吸收式制冷机而言也是这样，并且太阳能随着 日照时间和强度的改变而改变，本身就是不稳定的，也就是说太阳能制冷机的热源参数是变 化的，因此对于太阳能吸收式制冷机动态特性的研究就尤其重要。在研究吸收式制冷机扰动 工况下动态特性的方法中，数值仿真是一种重要而经济的手段。 吸收式机组的非稳定状态只是偏离设计工况的小扰动过程，即外界干扰因素对机组稳定 工况的扰动。因此，对吸收式机组动态特性的研究应着力于其稳态工况下的干扰特性。 因此，为了全面提高吸收式机组的运行性能，保证可靠运行，节约运行费用，必须对机 组的动态特性进行研究，掌握机组的运行规律，以便对机组实行良好的运行状态，使机组各 部件处于最佳匹配状态。 1 2 太阳能空调研究及其动态特性国内外研究现状 1 2 1 太阳能制冷空调技术发展和应用的现状 太阳能制冷研究主要在三个方向上进行，即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太 阳能喷射式制冷，以这三种制冷方法为基础，或综合或增强，又延伸出一些新的制冷方法。 其中吸收式制冷已经进入了应用阶段，吸附式制冷和喷射式制冷还处在研究阶段。 吸附式制冷作为环境友好的制冷方式和利用低品位能源的有效工具，已受到了广泛的重 视。吸附式制冷依靠固体吸附剂在白天吸收太阳能解吸，晚上则吸附制冷。由于时间上与使 用空调的不一致，以及气体与固体之间传热传质系数较低，这种制冷方式的应用受到限制。 太阳能除湿空调系统是一种液体吸附式制冷方式。利用吸湿剂( 例如氯化锂、硅胶等) 对空气进行减湿，然后蒸发降温，对房间进行温度和湿度的条件，用过的吸附剂被加热进行 再生。该方法有利于保护大气环境，还有利于改善室内空气品质。但目前该方案的装置体积 还偏大，效率也有待提高。 喷射式制冷是太阳能经集热器产生一定压力的蒸汽来完成喷射制冷。喷射式制冷系统简 东南大学硕士学位论文 单，但制冷系数较低，因而出现了用电能辅助提高喷射器的引射压力以提高系统性能的趋势。 利用太阳能集热器获得较高温度的热水为热源，采用低沸点工质辅以机械压缩喷射制冷循环 称为太阳能增强型喷射制冷系统。该方案效率偏低是其普及应用的制约因素。 吸收式制冷是最早发展起来的制冷方式，氨水吸收式制冷机比压缩式制冷机还要更古老， 溴化锂吸收式制冷机是在二十世纪四十年代问世的，但因与压缩式制冷方式相比成本高，效 率低，没有商业价值。后来随着科技的进步，吸收式制冷研究逐渐得到了发展。由于二十世 纪7 0 年代世界性能源危机的影响，吸收式制冷受到了一些发达国家的重视，吸收式制冷产业 也得到了普及和发展。 对于太阳能空调来说，我国在此领域的研究还比较领先。中国科学院广州能源研究所从 1 9 8 2 年开始进行了新型热水型两级吸收式溴化锂制冷机的研制工作。1 9 9 7 年，又为国家“九 五”科技攻关项目“太阳能空调及供热示范系统”研制了一台1 0 0 k w 的两级吸收式制冷机， 并成功地应用于太阳能系统中。他们在一幢高楼上安装了一套制冷和供热联合运行系统，采 用了5 0 0 m m 2 改进后的平板式集热器，系统的热源温度甚至低到6 5 时还能运行。该所的马 伟斌等人通过理论分析和初步的实验研究，指出两级溴化锂一水吸收式制冷机可有效利用太 阳能，有着广阔的市场前景。这种两级吸收式制冷机有两个显著的特点，一是所要求的热源 温度低；二是热源的可利用温差大。此系统对热源温度有较宽的适应范围，有利于制冷机在 较低的太阳辐射强度和不稳定的太阳能输入情况下，适应其引起的温度波动，实现稳定的运 行。 北京太阳能研究所何梓年等主张采用单级吸收式制冷机循环，他们利用该所研制的高温 真空管集热器，并于1 9 9 9 年在山东乳山也建立了一座有5 4 0 m 2 集熟器面积，制冷功率为1 0 0 k w 的示范性的工程项目。该系统集热器提供的热水温度为8 8 ，制冷功率实测值为5 0 9 0 k w ， c d p 的实测值为o 5 o 7 1 ，日平均值为0 5 7 j 。 陈光明等人针对太阳能空调系统的热源不连续的问题，提出了采用电压缩辅助方案。新 循环比传统循环多了一个压缩机。从发生器出来的制冷剂蒸汽分为两路，一路送入冷凝器， 一路经压缩机压缩后，又回到发生器将汽化潜热释放出来加热溶液，本身凝结后再进入冷凝 器。由于进入冷凝器和发生器的熟负荷降低，所以系统的c o p 值增加了。 陈滢等提出了一种被称为s e ，d l 的循环”，但由于该循环流程过于复杂，屏蔽泵( 或磁力 泵) 较多，且回热路线不尽合理，很难付诸实用。 1 2 2 太阳能空调动态特性研究现状 吸收式制冷机的研究手段包括实验研究和计算研究。实验研究可靠性好，不但是检验系 统和部件性能的最终手段，而且是验证和评价仿真结果的标准，同时还是诸多仿真参数的直 接来源。但是采用实验研究的方法只能对已有的系统或部件进行性能测试，而且是费钱费力 费时的方法。于是仿真模型计算研究己逐渐发展成为一种有效的研究手段。 对于吸收式制冷稳态仿真国内外研究的较多。b a g a s w a r d o n o p l 等则对热水驱动的双效机 组进行了模拟分析，得出了c o p 随热水进口温度的变化。w a s ”n a a r i l 分析了吸收器的三种 稳态模型，一为建立偏微分方程求解热质传递过程，二是利用热质传递函数来求解热质传递 过程，如果热质传递系数是变化的，则形成了常微分方程模型( 分布参数) ，如果不变，则形成 代数方程，即第三种模型( 集中参数) ，文献给出了这几种模型的对比结果。k h a l i d l “1 在稳态 不同工况下对各部件进行了计算机仿真，对吸收器仿真时同时考虑了传热和传质。 在吸收式制冷系统动态领域，d k a n 赢扩目等研究了台单效溴化锂吸收式带0 冷机起动和 停机阶段制冷量和c o p 随时间的变化，以传热面积，膜厚为影响因素，而对起动阶段的浓度 变化这一最敏感的参数则未加以讨论。s a l l a e 和j e o n 2 等l l # 1 曾经分别对氨水吸收式制冷机以及 蒸汽或太阳能驱动溴化锂吸收式制冷机的动态特性进行过研究。，并且这些研究往往集中于加 热热源的变化对制冷机产生的动态特性，而对于像冷却水、冷媒水进口参数变化引起的动态 2 第一章绪论 特性却涉及较少。j u n s a n o 【6 】等研究了一台双效燃气水冷吸收式冷水机组。溶液热交换器作为 分布参数处理，水平管吸收器则以立管降膜模型来分析，将其分为三个区域，作为集中参数 处理。其它部件亦处理为集中参数。k s t e p h a n 【1 3 】等对一台n a o h h 2 0 热变换器进行了研究。 为使模型尽量简化，该文将机组所有部件全部作为集中参数处理。k i y o s h i s a i t o 等“的研究对 象是一台余热双效型吸收机组。他们认为对所有换热设备而言，进口流体浓度、温度发生变 化时，其出口浓度、温度的反应时间常数约等于流体在换热设备中的停留时间。因此，如果 某换热设备中流体的停留时间较短，则该设备可以简化为集中参数处理，否则应作为分布参 数处理。 国内，上海交通大学制冷低温工程系在陈芝久教授的领导下作了不少工作，在此领域研 究较有成效。王磊等【l5 j 采用面向对象的模块化的仿真建模方法，将吸收式制冷系统分解为两 个子系统，根据一定参数耦合关系相连接，建立了该类制冷机在停机过程中各部件及系统的 动态模型，并对制冷机的停机特性进行了实验和数值研究。周锦生l 】“建立了直燃型溴化锂吸 收式制冷机在启动过程中各部件以及系统的动态模型，并对制冷机的启动特性进行了实验和 数值研究。付德钢等 1 8 对直燃双效溴冷机扰动工况进行了动态仿真，建立了部件和整机的动 态仿真数学模型。李小平等f ”研究了溶液热交换的分布参数模拟，其模拟结果与实验数据吻 合良好。王磊【l9 还对u 型管进行了动态研究，建立了u 型管节流过程的数学模型，分析了节 流过程参数的变化。周锦生等【l7 1 介绍了吸收式制冷机动态特性的研究现状，对部件热容和干 扰信号的选择，汽液分离器的影响进行了详细的分析。 1 3 本文研究的主要工作 本文对太阳能单效吸收式制冷机组的动态干扰特性进行了研究，主要完成了以下工作： 1 修正并完善了溴化锂，水蒸汽物性方程等基础性研究工作，为咀后1 x 级模型计算打下基 础。 2 分析了太阳能吸收式机组各个部件间的热质耦合关系，建立了各部件的动态模型，并给出 了详细的解法。 3 ，在上述基础上，建立了太阳能单效吸收式机组的系统动态模型，编制了计算仿真程序进行 了数值求解，定量分析了冷却水流量，热水温度等对各部件及整个机组的影响，得出了在 各种扰动量下各参数变化的变化趋势和时间常数以及其它动态特性。 4 搭建了太阳能吸收式制冷机组的动态特性实验台，对机组的动态启停和干扰特性进行了实 验研究，并研究了吸收式机组动态试验的数据处理方法。 东南大学硕士学位论文 第二章太阳能溴化锂制冷循环及机组板型化 单效溴化锂吸收式制冷循环、两级溴化锂吸收式制冷循环是两种基本的、低温熟源的溴 化锂吸收式制冷循环；也是现实中已运用于太阳能空调的两种溴冷机循环。在单效、两级溴 化锂循环的基础上，人们又提出了其它一些改进的溴化锂吸收式循环。 2 1 单效溴化锂吸收式制冷机循环 单效溴化锂吸收式制冷循环是最简单的、最基本的滨化锂吸收式制冷循环。单效溴化锂 吸收式制冷系统是由制冷剂回路、溶液回路、热源回路、冷却水回路和冷冻水回路构成的。 对于实用的单效溴化锂吸收式制冷机来说，它应该由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器四大 件，以及工质泵、溶液热交换器、管道等附属设各构成。其工作原理流程如图2 1 。 图2 1 单效溴化锂吸收式制冷循环流程图 2 2 两级溴化锂吸收式制冷系统流程 为了更有效的利用低品位的热源，在单效溴化锂吸收式制冷系统的基础上，人们又开发 出两级溴化锂吸收式制冷系统。 在吸收式制冷系统中，为解决应用较低温度的热源时出现的问题，引入两级发生、两级 4 第二章太阳能溴化锂制冷循环及机组板型化 吸收的概念，使每一级循环的发生和吸收负荷降低，保证系统可以在低温热源下正常工作 从而发展出了两级溴化锂吸收式制冷系统。 图2 _ 2 给出了两级溴化锂吸收式制冷系统的工作原理图。 图2 - 2 两级溴化锂吸收式制冷循环流程图 2 31 x 溴化锂吸收式制冷机循环 本课题组在深入研究了单效溴化锂和两级溴化锂循环及一些改进循环方案基础上，对溴 化锂溶液的流程和回热流程加以改进，提出了图2 3 所示的单泵型的循环田】，其在浓焓图上的 表示见图2 _ 4 。由于在该循环中部分流体按单效循环，而另一部分按两级循环，其c o 尸介于 两者之间，故称此循环为1x 级溴化锂吸收式制冷循环( 1 xl mc v c l ef o rl i _ b ra b s o r p t j o n c h 1 l e r ) 。 ， 新型1 x 级溴化锂吸收式制冷机组的循环的工作过程为：点1 为低压吸收器出来的浓度为 f 。的溴化锂中间稀溶液，被溶液泵升压至r 以上后( 点2 ) ，经低温溶液热交换器加热，( 点 3 ) ，再经高温溶液热交换器加热，达到点4 ，进入高压发生器i ，再与高压发生器i i 来的溶液 混合后被热水加热到点5 ，浓缩为浓度为f 丌n 的中间浓溶液，在此过程中产生的冷剂水蒸气进 入冷凝器。从高压发生器i 流出的溴化锂中间浓溶液在高温热交换器i 和i i 中放热降温后， 达到点7 ，然后分为两股。其中一股进入低压发生器被热源加热浓缩为浓度为f ，浓溶液( 点8 ) ， 产生的水蒸气被高压吸收器所吸收。8 点的溴化锂浓溶液流经低温热交换器降温后( 9 点) ， 进入低压吸收器中吸收来自蒸发器的水蒸气，成为溴化锂中间稀溶液( 点1 ) ，放出的热量被冷 却水带走。另一股溴化锂中间浓溶液进入高压吸收器，吸收来自低压发生器的水蒸气，成为 浓度为f 。的稀溶液( 1 0 点) ，放出的热量也由冷却水带走，稀溶液再经高温溶液热交换器i i 东南大学硕士学位论文 加热，达到点1 1 。然后进入低位布置的高压发生器i i 中被热源加热，再利用气泡泵使产生的 水蒸气携带溴化锂溶液经扬液管提升至高压发生器i 中进一步加热浓缩，从高压发生器i i 产 生的水蒸气与高压发生器i 产生的水蒸气一起进入冷凝器中凝结成水。冷凝水经u 型管节流 后进入蒸发器，在蒸发器中蒸发制冷后产生的水蒸气在低压吸收器中被溴化锂浓溶液吸收， 溶液则又成为中间稀溶液。如此不断循环。 浓溶液 中问浓溶液 中问稀溶液 拂溶液 两相流体 冷剂水 图2 3 单泵型1 ，x 级溴冷机循环流程图2 4 焓浓图上的1 x 级循环 1 x 溴化锂吸收式制冷机循环具有以下主要特点： 1 、对热水温度要求不高( 约7 5 以上即可) ，热水利用的温差大f 可达2 0 - 3 0 ) ，且具有较高 的能量转换效率( c d p 约o 5 0 6 ) 。 2 、采用强化传热且紧凑的板式、板翅式和板壳式等板型换热器。 3 、采用少泵化的流程。使用工质泵一方面需要消耗一定的电功率，另一方面由于溴冷机对泵 的密封性要求很高，只能使用屏蔽泵或磁力泵，而这些都是比较昂贵的设备，对于降低成 本和普及推广不利，且多一个设备就会多一个可能的泄漏点。因此少泵或无泵化是简化系 统、提高可靠性和降低设各成本的重要措施。 4 、可采用蓄能强度大的溶液蓄能方案和有利于将燃气作为辅助能源。 2 4 太阳能板型溴化锂制冷机 虽然大中型( 3 6 0 k w 以上) 热水型溴冷机已有产品，但即使是上述2 个采光面积达到5 4 0 m 2 和5 0 0 m 2 的示范工程，其制冷功率也都在1 0 0 k w 左右1 2 7 1 ；而作为太阳能制冷应用第一梯队 的别墅建筑，可能应用的采光面积和制冷功率分别约为其5 2 0 左右掣j 。近年来已有将多个 太阳能热水器串联使用，供冬季采暖的方案。相信如果经济性有利的话，o 机多用的家用太 阳能空调机将会受到用户欢迎。一旦用上太阳能空调机，则“买得起而用不起”的局面将从 此不复存在。由于太阳能空调的热水器可以全年提供生活热水，并在夏季和冬季分别提供制 冷和采暖用热水，设备使用率很高。因此只要相配套的效率较高且价格适当的溴冷机开发成 功，可以说离普及推广并不遥远。国外日本矢崎株式会社已商品化生产燃气型小型无泵循环 溴化锂制冷机，有制冷量4 k w 到1 7 4 k w 系列产品，国内远大集团也已推出户式燃气型中央空 调。上海交通大学，广卅i 能源研究所等单位已进行了小冷量溴冷机的研究。总之，目前国内 6 第二章太阳能溴化锂制冷循环及机组板型化 外微型和小型热水型溴冷机还只是零星研制，作为产品还是空白。 在经济性方面，溴冷机本身成本的降低主要是应用强化传热技术和无泵化技术来实现。 板式和板壳式换热器因为其传热效果好，结构紧凑，节约材料，是研制小型化太阳能制冷机 的一个重要方向。 溴冷机是换热器的组合，1 x 级溴冷机有1 0 个换熟器之多，因此换热器采用强化传热技术 尤其重要。通常溴冷机采用管壳式换热器，对微型或小型溴冷机也有采用螺旋盘管、蛇形管 换熟器i i “或板翅式换热器【l “的方案，前二者的传热显然不够强化，后者由于需要利用耐腐蚀 性能好但导热系数差的不锈钢材料作为翅片，在翅片上的强化传热作用将被较大的导热热阻 所减弱；而在板式或板壳式换熟器中，两侧流体通过一层波纹薄板传热就不存在此问题。板 式或板壳式换热器都是采用波纹板强化传热技术的紧凑型换热器。板式换热器的两侧流体均 在封闭通道内流动；而板壳式换热器是一类由板束和壳体构成的换热器，只有一侧流体在封 闭通道流动，另一侧为敞开的通道，需要有壳体来包容，它具有与管壳式换热器相类似的通 流截面较大的壳侧通道和空间，并有分布液膜的良好条件。板壳式换热器的板内侧流体的流 动和传热方式与板式换热器波纹通道中的类似，另一侧流体的流动方式则因板外通道是敞开 的而比较灵活，既可强迫流动传热，又可实现液膜传热传质过程，如冷凝、蒸发、发生和吸 收等过程。板壳式换热器除了紧凑外，传热效率高也是板壳式溴冷机的突出优点。不仅板内 流体在波纹板通道内流动可大大增强对流换热系数，而且可以通过采用双尺度波纹使板外侧 流体的换热系数也得到强化【9 j 。由于板型换热器的传热板片由耐腐蚀的不锈钢材料制造，可确 保溴冷机有较长的使用寿命。虽然采用优质不锈钢材料，但由于板片波纹相互支撑，强度条 件优越，板片较薄，其制造成本可以比现有管壳式溴冷机更 低。用波纹板作传热面的板型换热器的突出优点是高效、紧 凑，且因材料消耗少而在规模生产时能降低成本，因此将其 组成溴冷机是很有前景的【i 。 图2 53 k w 板型单效滇冷机流程图图图2 - 63 k w 板型单效溴冷机实物图 目前本课题组已成功研制了l 台3 k w 单效板型溴冷机样机。图2 5 和图2 6 分别为其流 程图和实物照片。初步的性能试验表明其制冷性能完全符合要求。该机的发生器、冷凝器和 溶液热交换器都采用钎焊板式换热器，而蒸发器和吸收器则采用板壳式换热器。由于板式发 生器是逆流传热，出口为汽液两相流体，需在发生器和冷凝器之间设置汽液分离器，虽然效 东南大学硕士学位论文 果不错，但从美观的角度来看发生器和冷凝器还是改用板壳式换热器更好。此外从适合现有 太阳能集热器所能提供的热水温度范围考虑，可用于更低温度的热水型1 x 级新型溴化锂吸收 式制冷循环的实验样机也正在研制中。 第三章单效溴冷机循环的动态数学模型 第三章单效溴冷机循环的动态数学模型 3 1 系统结构参数及其热力参数耦合分析 机组的结构参数对机组的动态仿真有着重要意义，因为机组的容量和热容都是影响机组 散热和动态响应时间的重要因素。由于单效循环是其它循环的基础，本文以单效循环为研究 对象建立动态数学模型，并进行实验研究。 本课题组研制的3 k w 单效板型溴冷机组( 如图一) 的具体结构尺寸为：发生器、冷凝器和溶 液热交换器均采用板式换热器，板片长( 高) 3 1 2 m m ，宽1 1 2 m m ，为人字型波纹( 如图3 2 ) 发生 器热水侧走3 个通道，溶液侧走4 个通道，有效传热板片数为6 片；冷凝器冷却水和溶液侧 均走5 个通道，有效传热板片数为9 片；溶液热交换器两侧流体均走2 个通道，有效传热板 片数为3 片；每片换热面积为o 0 3m 2 ，吸收器和蒸发器采用板壳式换热器，其有效传热面积都 是1 4 片，每片板的换热面积为0 0 5m z 容纳吸收器和蒸发器的壳体为长方体( 长3 5 6 m m ，宽 1 4 0 m m ，高5 3 0 m m ) 。 图3 1 板式换热器人字型波纹板片 影响溴冷机的参数很多，各部件相互影响，相互联系的参数也很多，为了将各部件模型 连接起来，构成一个制冷系统模型，必须要从众多的参数中抽出基本的必不可少的系统化参 数，并确认这些参数可以代表该部件参与系统的连接。 系统化参数可以分为两类：一类是自影响参数；另一类是互影响参数系统化参数的选择 要兼顾理论和实验研究两方面。这些参数在扰动的影响下是互相耦合的，是制冷系统动态仿 真的基础。 机组动态特性的计算模型应该是实际对象特性通过简化得到的一组动态环节的有机结 合，各环节之间的相互关系可通过各环节的进出口参数联系起来。对于各流动环节，可采用 流量、温度、浓度、焓、压力等参数作为进出口联系参数，对于部件与环境间的传热环节， 考虑到环境的状态变化相对于机组内工质( 溶液或冷剂) 的变化要缓慢的多，可将环境侧的传热 过程按稳态过程处理： 在机组各个部件及与热水、冷却水、冷媒水之间，存在着复杂的热，质耦合关系。如图 3 1 所示， 9 东南大学硕士学位论文 图3 2 单效溴冷机各部件及与环境之间的热质耦合关系 由图可见，各部件之间，机组和环境之间既是相互耦合的，又是各自独立的在建立模型 时，如何简单而准确的反映出这种关系，是建模取舍的标准，也是建模成败的关键。 3 2 动态数学模型的建立方法 3 2 1 数学模型的形成原则 制冷设备的数学模型包括静态模型和动态模型两部分。动态方程一般都是以时间为自变 量的微分方程( 组) ，动态方程兼容了静态方程当时间常数很小时，方程可以近似地看成无惯性 的比例环节，可以用静态方程近似代替动态方程，一般的说当研究对象时间常数( 惯性) 很小时， 其工作特性就可以用静态特性来代替。 数学模型的好坏决定了仿真优化的质量同一对象，目的和任务不同，可以建立不同的数 学模型。为了建立正确的制冷设备的数学模型，总是先建立对象的物理模型。对事物进行定 量和定性的分析和描述，常常有助于掌握主要特性，有助于对象的简化，并使用最少的数学 方程达到建立数学模型的目的。从而可避免许多数学处理上的繁琐手续( 例如模型降阶手续) ， 或避免得出不尽合理的数学表达形式。 3 2 2 建立数学模型的基本方法 建立数学模型的基本方法有：a 理论方法，b 系统识别法，c 实验法，d 联合法 较常用的是联合法，即通过理论分析，确定数学模型的模型，再通过试验，确定某系数 大小，或者通过实验数据整理分析拟合，确定各种形式制冷装置与部件数学模型的系数大小， 形成一定范围内的通用的制冷装置及部件的数学模型，由于理论与实验反复修正，此法变得 比较理想，便于推广应用。 为使数学模型有可解性与实用性，在研究对象数学模型时，先作必要的假设与简化，然 后再做实验验证并进行修正，已是公认的方法。 3 2 3 数学模型的简化 ( 1 ) 简化原则 数学模型的简化条件是根据应用时对该对象的要求作出的简化的原则是：保留其主要和 起支配作用的因素，忽略次要因素，使之能用最少的参量，最简化的形式来描述对象的特点， 0 第三章单效澳冷机循环的动态数学模型 尽可能使模型的阶数降低，并保证系统的稳定性按以上简化原则，开始考虑因素可全面些， 按设备实际情况建立变系数，非线性，分布参数的偏微分方程，然后用常系数代替变系数， 集中参数代替分布参数等方法中的一种或多种数学模型简化、降阶，有的甚至可以考虑直接 采用集中参数建立模型方程，很明显，这样的结果有利于制冷设备结构设备的改进，系统设 计效率的提高，也便于控制系统的设计和整定。 、 ( 2 ) 常用的简化方法 1 ) 采用平均值法或采取经验拟合公式； 2 ) 采用分布参数时，在单个的“微分元体”内，各参数视作集中参数； 3 ) 在建立制冷机的换热器数学模型时，经常假设：在传热面上，传热沿壁面的法向， 忽略沿流动方向与板片横向的传热因此三维的传热模型可以简化为一维； 4 ) 在已经有了结构，想知道其运行规律的时候，可以用等价的设备代替，如可用管壳 式换热器代替板式换热器。 3 2 4 动态模型类别的选择 各部件究竟采用分布参数模型还是集中参数模型? 本文采用的方法是先估算各部件的反 应时间常数，然后根据各部件时间常数的长短来决定模型的类别。文献1 ) 1 认为对换热设备而言， 进口流体浓度，温度发生变化时，其出口浓度，温度变化的反应时间常数约等于流体在换热 设备中的停留时间。因此，如果某换热设备中流体的停留时间较短，则该设备可简化为集中 参数处理，否则应作为分布参数处理。 3 3 5 动态模型的总体要求 一般来说，对研究机组动态特性的总体要求可概括为“稳定，准确，快速，通用”擞值 稳定性是首要前提，程序应能保证在大多数情况下具有较好的稳定性，不易非正常中断；计 算结果的准确性是研究的最终目的，也是使用者最关心的问题；快速性是软件实用化的必要 条件；通用性包括理论建模和软件开发规范化两个方面，提高通用性是研究者的主要目标之 一为了达到这样的8 字要求，在建模时应充分注意机组实际过程的物理意义，并体现于算法 之中。 3 3 溴冷机各部件动态数学模型 3 3 1 发生器的动态模型 3 3 1 1 概述 发生器是溴冷机的主要部件之一，其动态特性对机组的性能起着至重要的作用。本来发 生器应该作为分布参数处理的，然而，由于发生器结构的特殊性，这一点非常困难。况且在 系统仿真中，可以将发生器作为集中参数处理虽然样机中发生器采用了板式换热器，传热效 果良好，但需要在其出口配备有效的汽液分离器，否则冷凝器中容易产生冷剂污染此外由于 形状并不美观，所以还是改为板壳式换热器更为合理本文的发生器模型以板壳式换热器为对 象。 3 3 1 2 模型假设 研究发生器动态特性时，作如下假设： ( 1 ) 整个发生器筒体内的溶液状况按集中参数处理； f 2 ) 溶液出口流量按孔口出流处理； ( 3 ) 发生器筒体外的自然对流换熟按无限空间自然对流进行计算。 3 4 1 3 数学模型 变堕查兰堡主兰垡堡苎 在图3 - 9 中，溶液进口流量为肌l ，温度为 ，浓度为z l ，焓为啊，出口相应的参数为 m 2 ，f 2 ，x 2 ，心，简体内溶液总质量为g ，压力为p ，发生蒸汽流量为m ，温度为，焓为见 筒体空间内蒸气压力为p ，总质量为g v ，出口蒸气温度f 。，焓k ，流量m 。 图3 3 发生器结构示意图 根据模型假设，可对发生器简体内的溶液及蒸气建立如下方程 ( 1 ) 溶液连续性方程：等 = 一 一坍：一 ( 3 1 ) ( 2 ) 溶液能量平衡方程：q ，+ 坍1 = m 2 五2 + 厅，+ 掣+ q + 瓯( 3 2 ) 4 f q c 为发生器与筒体外空气的自然对流换热量，易为热水通过板束与溶液的对流换热量，可 按下式汁算： 一 所= 坼( k ) = 尉堑 兰喜掣，其中彳为板束对流换热面积，传热系数为 l n ! 型二刍 f 阳一f 2 世，可按文献1 j 求取，溶液沸腾后，应代以p ，五对应得饱和温度。 式中，级为壳体热容增量，q 。= g 。c 。睾 口r 第三章单效溴冷机循环的动态数学模型 ( 3 ) l b ，质量平衡方程：皇坚；型：聊。x 。一矾：x ： 口r ( 4 ) 蒸气连续性方程：! 擎：。，一。 d f ( 5 ) 蒸气能量平衡方程：! ! 丝；丝立：。丸一m 。k d r ( 6 ) 蒸气与溶液总容积守恒方程：旦+ 旦：屹 p ；p 。， ( 3 - 3 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 式中为发生器简体的总容积 3 3 1 4 模型解法 以上7 个方程中有g ，m 2 m ，如，a 。乞，f 2 ，g ，m 。，f 。矗。p1 2 个变量，另外可按热物性 补充以下三个方程：，( p ，! ! 妄垒) ， 。：厂( b f 。) ，吃：，( p ，f ：) 此外尚需补充两个方程， 及溶液出流量”2 及蒸气出流量m 其中m 2 可根据发生器内的压力，液位状况与下游容器的 状况按孔口出流求取，即：m 2 = 朋9 2 爿2 曲，式中，为流量系数，对于孔口出流一般取 为0 6 ，a 为发生器内液位高度m 。可按下式求得： p 啊= 凡f + 鲁聃2 = 去( 等卜去( 等 2 埘阳 j2 ( p p 女) 1 7 + 式中，仇为冷凝压力， ，五分别为蒸汽出流管及节流阀的阻力系数，c ，c ，为相应的流 速，彳，彳，为相应的通道面积，p 。为压力p ，温度，。下过热水蒸气的密度，n 为压力p 下饱和 水的密度，d ，分别为蒸气管道的内径和长度。 这样方程封闭后，可按下述方法求解： ( 1 ) 假设压力p ，由p ，求出气； ( 2 ) 假设溶液出口温度，求出氐，x 2 ，岛及q ，q ( 3 ) 按换热器两侧能量平衡求出岛，f 。； 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 按发生器出流形式求取q ，肌2 ( 5 ) 由式( 3 - 3 ) 求出研。； ( 6 ) 代入式( 3 - 2 ) 如果式左和式右不平衡，可求出新的f 2 ，返回第二步，重新迭代，直至式( 3 - 2 ) 平衡； ( 7 ) 由发生器蒸汽出流计算求出川。，由式( 3 4 ) ，( 3 - 5 ) 求出g ，k ； ( 8 ) 由p ， 。求出f 。，n 。： ( 9 ) 代入式( 3 6 ) ，依其平衡程度求出新的压力p ，返回第( 1 ) 步，重新迭代求解。 3 3 2 吸收器的动态模型 3 4 2 1 概述 吸收器是影响机组性能的重要部件，因此改进吸收器结构，提高吸收器中的吸收效果己 成为国内外研究的热点通过对吸收机理的研究，可以为强化吸收，优化吸收器的设计提供指 导和依据，从而达到提高性能，节材节能的目的。 3 4 2 2 模型假设 本文在建立吸收器数学模型时作如下假设： ( 1 ) 整个吸收器筒体内的溶液状况按集中参数处理； ( 2 ) 溶液出口流量按孔口出流处理，发生器的出口溶液量视为定值机组在冷态运行时，就将溶 液量调至平衡，机组启动的调节量很小，故将溶液流量视为定值； ( 3 ) 吸收器筒体外的自然对流换热按无限空间自然对流进 ：亍计算。 3 4 2 3 数学模型 在图3 - 1 0 中，溶液进口流量为i ，温度为f 。，浓度为，焓为a ，出口相应的参数为 ，筒体内溶液总质量为q ，压力为p ，吸收蒸汽后进入液囊的溶液质量为川。 温度为r 。，进口蒸汽流量为研。，温度为r 简体空间内蒸气压力为p ，总质量为g ，温度为r 。 焓为戊，被吸收的蒸气温度f 。，焙a 。，沉量m 。根据质量守恒m 。2 m 。1 根据模型假设，可对吸收器简体内的溶液及蒸气建立如下方程 ( 1 ) 溶液连续性方程：! 兽：m 。一川： ( 3 7 ) 口f ( 2 ) 溶液能量平衡方程：珊。吃+ m 阳 m = m ： ：+ 掣+ q c + 级+ q ( 3 - 8 ) 口r q 为吸收器与简体外空气的自然对流换热量，q 为冷却水与溶液板束的对流换热量，可按下 吉计箕： 4 第三章单效溴冷机循环的动态数学模型 q = 册。+ ( 一 。) = 世。4 + ! ! ! 二生! 二坠二叠! l n ! ! 二尘 f 2 一r 啪 ，其中彳为板束对流换热面积，传热 系数为k ，可按 1