朗肯循環(huán)耦合雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)建模及性能分析

劉堅(jiān),譚先琳,畢成,梁梓原,付宇樂(lè),曾楊,楊遠(yuǎn)志

廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廣西南寧 530004

0 引言

船用柴油機(jī)動(dòng)力性能與其熱效率密切相關(guān),柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中消耗大量燃料,然而僅有少部分熱量轉(zhuǎn)化為有用功驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作,大量余熱以煙氣、缸套冷卻水循環(huán)、空氣冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)循環(huán)等形式排放到環(huán)境中,導(dǎo)致燃料產(chǎn)生的熱能未被充分利用,造用船用柴油機(jī)熱效率、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性降低。因此,船用柴油機(jī)余熱回收具有巨大潛力。

朗肯循環(huán)與雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)組合可實(shí)現(xiàn)廢氣余熱發(fā)電和制冷:朗肯循環(huán)將柴油機(jī)的廢氣余熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?使廢氣余熱二次利用,提高柴油機(jī)熱效率[1-2];雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)與朗肯循環(huán)耦合連接,利用能量密度相對(duì)較低和溫度相對(duì)較低的低品位熱能(已完成朗肯循環(huán)的部分廢氣余熱)進(jìn)行制冷[3]。朗肯循環(huán)與雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)結(jié)合可降低排氣壓力、減少排煙與散熱損失,提高柴油機(jī)能源利用率。柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)保證朗肯循環(huán)和雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)性能良好,使用合理且優(yōu)質(zhì)的工質(zhì),使初始溫度、初始?jí)簭?qiáng)、冷凝器內(nèi)壓力、高壓和低壓發(fā)生器內(nèi)的溫度等處于最佳循環(huán)過(guò)程,提高船用柴油機(jī)整體熱效率。

本文中以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ),耦合雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng),利用MATLAB建模,進(jìn)行熱力學(xué)性能分析,實(shí)現(xiàn)廢氣余熱高效回收,提高船用柴油機(jī)熱效率。

1 模型建立

1.1 朗肯循環(huán)模型

1.1.1 朗肯循環(huán)

朗肯循環(huán)包括加熱、膨脹、冷凝和泵送4個(gè)過(guò)程,液態(tài)工質(zhì)通過(guò)朗肯循環(huán)將高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為機(jī)械功,朗肯循環(huán)流程示意如圖1所示,以液態(tài)工質(zhì)水為例,工質(zhì)水的朗肯循環(huán)溫熵圖如圖2所示。

圖1 朗肯循環(huán)流程示意圖 圖2 工質(zhì)水的朗肯循環(huán)溫熵圖

由圖1可知:柴油機(jī)廢氣余熱提供高溫?zé)崮?使液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)器中受熱,轉(zhuǎn)化為氣態(tài);氣態(tài)工質(zhì)通過(guò)膨脹機(jī),壓力和溫度下降,完成膨脹過(guò)程;氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器,在與冷卻介質(zhì)熱交換中,冷凝成液態(tài);工質(zhì)泵將液態(tài)工質(zhì)送回到蒸發(fā)器,重新開始下一個(gè)循環(huán)。

由圖2可知:水的飽和液相線、飽和氣相線分別表明了水從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)、從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程;這2條線包圍的區(qū)域?yàn)闅庖簝上鄥^(qū),在這2條線上,水的溫度和壓力達(dá)到了飽和狀態(tài),飽和液相線為氣液混合物放熱全部成為液體的一瞬間,繼續(xù)放熱為過(guò)冷液體;飽和氣相線為氣液混合物吸熱全部變成氣體的一瞬間,繼續(xù)吸熱為過(guò)熱氣體;4—1為水在蒸發(fā)器中定壓吸熱汽化成飽和蒸汽,飽和蒸汽定壓吸熱成過(guò)熱蒸汽的過(guò)程;1—2為高溫高壓蒸汽在膨脹機(jī)內(nèi)不可逆絕熱膨脹作功的過(guò)程;2—3為從膨脹機(jī)排出的作過(guò)功的乏汽在冷凝器中向冷卻介質(zhì)等壓放熱,冷凝為飽和水的過(guò)程;3—4為冷凝水在水泵內(nèi)可逆的絕熱壓縮過(guò)程,壓力升高后的未飽和水再次進(jìn)入蒸發(fā)器,完成循環(huán)[4-5]。

1.1.2 朗肯循環(huán)方程

工質(zhì)在膨脹機(jī)作功

Wt=H1-H2,

(1)

式中:H1為膨脹機(jī)入口處工質(zhì)的焓,H2為膨脹機(jī)出口處工質(zhì)的焓。

工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收熱量

Q1=H1-H4,

(2)

式中H4為工質(zhì)泵出口處工質(zhì)的焓。

工質(zhì)在冷凝器中與冷卻介質(zhì)交換放出的熱量

Q2=H2-H3,

(3)

式中H3為冷凝器入口處工質(zhì)的焓。

工質(zhì)泵消耗功

Wp=H4-H3。

(4)

循環(huán)凈功

Wnet=Wt-Wp。

(5)

循環(huán)熱效率

ηt=Wnet/Q1。

(6)

1.1.3 朗肯循環(huán)工質(zhì)參數(shù)

不同工質(zhì)的適用溫度、熱傳導(dǎo)效率和可膨脹性等不同,對(duì)熱力學(xué)模型產(chǎn)生不同影響,不同工質(zhì)的物理熱力學(xué)屬性如表1所示。

表1 不同工質(zhì)的物理熱力學(xué)屬性

1.2 雙效溴化鋰吸收式制冷模型

1.2.1 雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)

雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)利用廢熱或太陽(yáng)能,基于溴化鋰溶液(吸收劑)和水(制冷劑)之間的化學(xué)反應(yīng)及熱能的傳遞轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)制冷,具有較高能效和環(huán)保性能,在降低能耗和碳排放方面發(fā)揮重要作用,可廣泛應(yīng)用空調(diào)及制冷領(lǐng)域[6]。

雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)原理圖如圖3所示。制冷系統(tǒng)主要由高壓發(fā)生器、低壓發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液泵、2臺(tái)熱交換器等組成。低濃度溴化鋰溶液在高壓發(fā)生器中被廢氣余熱加熱沸騰出水蒸汽,成為中濃度溴化鋰溶液;中濃度溴化鋰溶液經(jīng)熱交換器II換熱后進(jìn)入低壓發(fā)生器,沸騰出的水蒸汽直接進(jìn)入低壓發(fā)生器;中濃度溴化鋰溶液在低壓發(fā)生器被水蒸汽加熱后沸騰出二次水蒸汽,成為高濃度溴化鋰溶液;高濃度溴化鋰溶液經(jīng)熱交換器I換熱后進(jìn)入吸收器,二次沸騰出的水蒸汽進(jìn)入冷凝器被冷凝為液態(tài)水;從冷凝器出來(lái)的液態(tài)水經(jīng)過(guò)節(jié)流閥減壓后進(jìn)入蒸發(fā)器,低壓液態(tài)水在蒸發(fā)器中吸收熱量變成水蒸汽,實(shí)現(xiàn)制冷;蒸發(fā)器產(chǎn)生的水蒸汽進(jìn)入吸收器,使高濃度溴化鋰溶液變?yōu)榈蜐舛蠕寤嚾芤?低濃度溴化鋰溶液被溶液泵送回高壓發(fā)生器,熱交換器Ⅰ、Ⅱ?qū)⒒厥盏臒崃坑糜诟邏喊l(fā)生器加熱環(huán)節(jié),完成整個(gè)循環(huán)。通過(guò)以上循環(huán),雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)提高了熱效率,實(shí)現(xiàn)熱能的轉(zhuǎn)化和回收利用[7-8]。

圖3 雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)原理圖

1.2.2 雙效溴化鋰吸收式制冷方程

低壓發(fā)生器熱傳導(dǎo)率[9]

Qgl=qm,11H11+qm,10H10-qm,12H12-qm,13H13-qm,14H14,

(7)

式中:Qgl=0為低壓發(fā)生器內(nèi)的能量平衡狀態(tài),qm,10、qm,11、qm,12、qm,13、qm,14分別為低壓發(fā)生器出口、高壓發(fā)生器出口、低壓發(fā)生器入口、冷凝器入口、熱交換器Ⅱ入口處溴化鋰溶液的質(zhì)量流量;H10、H11、H12、H13、H14分別為低壓發(fā)生器出口、高壓發(fā)生器出口、低壓發(fā)生器入口、冷凝器入口、熱交換器入口處溴化鋰溶液的比焓。

溶液泵功率

P=qm,15(p14-p15)/(ηpρ15),

(8)

式中:qm,15為溶液泵入口溴化鋰溶液的質(zhì)量流量,p14、p15分別為溶液泵出口、入口溴化鋰溶液的壓力,ηp為溶液泵工作效率,ρ15為溶液泵入口溴化鋰溶液的質(zhì)量密度。

熱交換器效率為實(shí)際傳熱量與最大可能傳熱量之比。熱交換器I的效率

ηI=(H14-H15)/(H14-H15*),

(9)

式中:H15為熱交換器I實(shí)際溴化鋰溶液的焓,H15*為熱交換器I理想狀態(tài)下溴化鋰溶液的焓。

熱交換器II的效率

ηⅡ=(H5-H16)/(H5-H16*),

(10)

式中:H5為高壓發(fā)生器出口水蒸氣的焓,H16為熱交換器II實(shí)際溴化鋰溶液的焓,H16*為熱交換器II理想狀態(tài)下溴化鋰溶液的焓。

(11)

制冷性能因數(shù)

kcop=λev/(λgh+P),

(12)

式中:λev為蒸發(fā)器的傳熱速率,λgh為高壓發(fā)生器的傳熱速率。

1.2.3 雙效溴化鋰吸收式制冷參數(shù)選擇

本文中雙效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)階段所用的循環(huán)工質(zhì)為水,廢氣熱源溫度為300～450 ℃,高壓發(fā)生器內(nèi)的溫度為125～135 ℃,低壓發(fā)生器內(nèi)的溫度為75～85 ℃。

2 熱效率性能分析

利用MATLAB建立朗肯循環(huán)耦合雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析,確定最優(yōu)循環(huán)性能參數(shù)。

2.1 朗肯模型熱效率分析

2.1.1 工質(zhì)的影響

不同初溫(循環(huán)介質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的熱力學(xué)溫度)、初壓(循環(huán)介質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的壓強(qiáng))、背壓(循環(huán)介質(zhì)通過(guò)膨脹器后的壓強(qiáng))下不同工質(zhì)的朗肯循環(huán)熱效率如圖4所示。

a)初溫 b)初壓 c)背壓圖4 不同初溫、初壓、背壓下工質(zhì)對(duì)應(yīng)朗肯循環(huán)熱效率曲線圖

由圖4可得:氟利昂123在不同初溫、初壓、背壓下均能使系統(tǒng)朗肯循環(huán)達(dá)到較高的熱效率,原因?yàn)榉?23能承受的最高溫度相對(duì)較高,在循環(huán)中可承受較高的溫度和壓力,提高系統(tǒng)循環(huán)熱效率,但氟利昂類物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生較高的溫室效應(yīng),破壞臭氧層,不宜使用;甲醇是可用于熱機(jī)循環(huán)的有機(jī)液體,沸點(diǎn)低,但高溫容易分解,甲醇分解后影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;與水相比,有機(jī)化合物苯需要更高的溫度才能蒸發(fā),廢氣溫度較低時(shí)不宜使用,且苯具有易燃性,在應(yīng)用中需考慮特殊處理和安全防護(hù)措施,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能造成一定限制。通過(guò)以上分析,水有較高的比熱容和蒸發(fā)潛熱,在轉(zhuǎn)化為蒸汽的過(guò)程中能夠吸收更多的熱量,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提高了熱效率,且經(jīng)濟(jì)環(huán)保,是較佳的循環(huán)工質(zhì),可廣泛應(yīng)用于朗肯循環(huán)。

2.1.2 參數(shù)的影響

以水為循環(huán)工質(zhì),針對(duì)建立的熱力學(xué)模型,不同初溫、初壓、背壓下的朗肯循環(huán)熱效率如圖5所示。

a)初溫 b)初壓 c)背壓圖5 不同初溫、初壓、背壓下的朗肯循環(huán)熱效率

由圖5可知:初溫高、初壓高、背壓低時(shí),朗肯循環(huán)熱效率較高。初溫高時(shí),高溫?zé)嵩聪蚬べ|(zhì)傳遞的熱量更多,使工質(zhì)在等溫膨脹過(guò)程中吸收更多的熱量;初壓高時(shí),提高等容壓力升高階段的效率;背壓低使廢氣排放時(shí)的等容壓縮過(guò)程更有效,機(jī)械功輸出更高。

初溫、初壓、背壓3者之間相互影響,初壓、初溫高,有利于系統(tǒng)更徹底地傳熱做功,背壓低增大壓強(qiáng)差,使膨脹做功更徹底。為提高系統(tǒng)熱效率且保證排放系統(tǒng)穩(wěn)定,調(diào)節(jié)蒸發(fā)器,使循環(huán)工質(zhì)在蒸發(fā)器高溫高壓的環(huán)境中開始循環(huán);選用合適的膨脹閥,控制制冷劑流動(dòng)及膨脹機(jī)調(diào)速,保持低背壓,使廢氣排放時(shí)最大程度地釋放熱能,提高朗肯循環(huán)熱效率[11-12]。

2.2 雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)性能分析

制冷量和制冷性能系數(shù)是雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的重要指標(biāo)。本文中以水為制冷工質(zhì),分析雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)在不同廢氣、高壓發(fā)生器、低壓發(fā)生器溫度時(shí)的制冷性能系數(shù)和制冷量,結(jié)果如表2、3、4所示。

表2 不同廢氣溫度對(duì)應(yīng)的制冷性能因數(shù)和制冷量表3 不同高壓發(fā)生器溫度對(duì)應(yīng)的制冷性能因數(shù)和制冷量表4 不同低壓發(fā)生器溫度對(duì)應(yīng)的制冷性能因數(shù)和制冷量廢氣溫度/℃制冷性能因數(shù)制冷量/kW高壓發(fā)生器溫度/℃制冷性能因數(shù)制冷量/kW低壓發(fā)生器溫度/℃制冷性能因數(shù)制冷量/kW3001.201 816 6.221251.212 59.23751.012 33.583151.200 325 6.761261.209 49.17761.077 53.353301.199 580 7.311271.206 49.11771.122 83.203451.198 837 7.851281.203 49.06781.160 63.083601.198 095 8.391291.200 38.99791.190 92.963751.197 353 8.941301.197 48.94801.216 92.873901.197 353 9.481311.195 18.88811.238 22.784051.196 61310.021321.192 28.82821.256 32.694201.196 61310.571331.189 28.76831.275 42.624351.195 87411.101341.186 38.70841.285 22.544501.195 87411.651351.183 48.64851.297 52.46

由表2可知:廢氣溫度升高,制冷量增加,kcop降低。由表3可知:高壓發(fā)生器溫度升高,制冷量降低,kcop降低。由表4可知:低壓發(fā)生器溫度降低,制冷量增加,kcop降低。原因?yàn)?廢氣溫度較高,在冷凝器中釋放更多的熱量,提高系統(tǒng)制冷能力,但冷凝溫度升高,系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境散熱增加,kcop降低;廢氣溫度不變時(shí),高壓發(fā)生器溫度升高,廢氣和高壓發(fā)生器內(nèi)部的溫差降低,吸收廢氣熱量降低,制冷量降低,增加過(guò)熱損失,kcop降低;低壓發(fā)生器溫度降低有利于制冷劑高效蒸發(fā),制冷量增加,但低壓發(fā)生器溫度較低增加系統(tǒng)熱量損失和熱量泄漏,kcop降低。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)根據(jù)外界環(huán)境及應(yīng)用場(chǎng)合,靈活選擇。如在高溫環(huán)境需要大量制冷的情況下,優(yōu)先考慮高制冷量,可使廢氣溫度升高,高壓、低壓發(fā)生器的初始溫度降低;如節(jié)約能源和降低運(yùn)行成本的情況下,傾向于高制冷性能系數(shù),在提供足夠制冷量的同時(shí)盡量減少能源消耗,可使廢氣溫度、高壓發(fā)生器初始溫度降低、低壓發(fā)生器初始溫度升高[13-15]。

3 結(jié)論

1)在朗肯循環(huán)中,高初溫、高初壓和低背壓可有效提高系統(tǒng)熱效率。

2)雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)在較高的廢氣溫度、較低的低壓發(fā)生器初始溫度和高壓發(fā)生器初始溫度能實(shí)現(xiàn)較高的制冷量。

3)雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的制冷量和制冷性能因數(shù)相互制約,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)根據(jù)外界環(huán)境及應(yīng)用場(chǎng)合,靈活選擇。