基于Simulink 的太陽能單效溴冷機模擬

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）

單效溴化鋰吸收式制冷是最簡單常見的太陽能制冷方式，單效機組可充分利用廢熱、余熱、太陽能等低品位熱能，因而從經濟性和能源利用效率的角度來講，單效溴化鋰吸收式制冷機是具有最低總成本，操作應用最簡單的制冷技術。Al-Alili[1]等人對太陽能驅動的單效吸收制冷循環進行了熱量和經濟分析，以評估該機組在阿布扎比氣候下的表現。Assilzadeh[2]等人對一種太陽能單效溴化鋰吸收式制冷系統進行了研究，他們通過TRNSYS 模擬了系統性能，該系統使用真空管太陽能集熱器，每天工作約5 小時，集熱面積為35 平方米，制冷量為3.5kW。Syed[3]等人研究了一種平板集熱器驅動的太陽能單效溴化鋰吸收式制冷機，該系統集熱面積為49.9 平方米，制冷量為35kW，通過進行實驗得到的最大瞬時COP 和日平均COP 分別為0.60 和0.42。

綜上所述，太陽能單效溴化鋰吸收式制冷系統應用廣泛，故本文應用Simulink 對單效機組進行模擬，以探究其系統特性。

1 太陽能單效機組介紹

太陽能吸收式溴冷機，主要由太陽能熱利用系統以及吸收式制冷系統兩大部分組成。太陽能驅動的溴化鋰吸收制冷系統工作流程如下：太陽能集熱器吸收太陽能給熱媒水加熱，使水溫升高。升溫后的熱媒水進入發生器并對其中溶液加熱，制冷劑水由于溫度的不斷上升并達到飽和點后，蒸發為氣態，而氣態制冷劑經過冷凝器冷卻成常溫液態制冷劑。液態制冷劑再經過膨脹閥節流，減壓降溫后進入蒸發器中，吸收了外界的熱量，從而實現了制冷過程。實現該過程以后，制冷劑水進入吸收器，并與發生器里回流的吸收劑濃溶液混合，再由溶液泵輸送至發生器，從而完成了一次循環過程[4]。

圖1 單效溴化鋰吸收式制冷系統結構圖

2 太陽能單效機組模型

太陽能瞬時集熱效率為：

其中，對于真空管式太陽能集熱器，集熱器瞬時效率截距a取0.52，；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。

在單效吸收式制冷系統中，換熱器的數學模型按照集總參數法處理。下面以發生器模型為例，其它換熱器模型可參照參考文獻[5]，這里不做贅述。

連續性方程：

組分守恒方程：

能量守恒方程：

蒸汽連續性方程：

體積守恒方程：

其中，Mge，sol為溶液質量，kg；Xw和Xs為濃、稀溶液濃度，Cp，sol為溶液的比熱，J/kg·K；Tge，sol為溶液的溫度，K；Q1為熱水向溶液的放熱量，W，qm1，w和qml，s分別為進入發生器的稀溶液和流出發生器的濃溶液的質量流量kg/s；h1，w和h1，s分別為流入發生器的稀溶液和流出發生器的濃溶液的比，J/kg；qm，v為發生器產生的蒸汽的質量流量，kg/s；hv為發生器產生的蒸汽的比焓，J/kg。

3 太陽能單效機組仿真與分析

根據第二節中的數學模型，在Simulink 軟件上對太陽能單效機組進行建模與仿真，以相同的太陽能輻照度在單效機組中運行一周情況如圖2 所示。

圖2 單效機組一周運行情況

制冷量與COP 隨熱媒水溫度變化曲線如圖3 所示，隨著熱媒水溫度從90℃上升到100℃，制冷量由4.62kW 提高到5.19kW，制冷量整體呈現上升趨勢且增速漸緩，COP 同制冷量變化趨勢相似，并當熱媒水溫為100℃時，COP 取得最大值0.715。導致該現象的原因在于，隨著熱水溫度的持續升高，發生器中溶液溫度增大，這一方面使得溴化鋰溶液濃度增大，另一方面使得進入冷凝器的冷劑蒸汽量增大，進而導致冷凝壓力增大，使蒸發器中冷劑水換熱量增大，從而使制冷量增大。然而，熱水溫度也不能一味地升高，當發生器中濃度過高時，溶液熱交換器濃溶液出口側易發生結晶，在熱水溫度90℃-100℃范圍內變化時，系統無結晶風險，故當熱水溫度為100℃時，制冷量取得最大值5.19kW。

圖3 制冷量與COP 隨熱水溫度變化曲線

4 結論

基于Simulink 對太陽能單效溴冷機進行了建模仿真，單效機組在某典型周內的系統性能符合實際，熱媒水在90℃-100℃區間內，系統制冷量與COP 都呈現上升趨勢且增速漸緩。