朗肯循環耦合雙效溴化鋰吸收式制冷系統建模及性能分析

劉堅,譚先琳,畢成,梁梓原,付宇樂,曾楊,楊遠志

廣西大學機械工程學院,廣西南寧 530004

0 引言

船用柴油機動力性能與其熱效率密切相關,柴油機運行過程中消耗大量燃料,然而僅有少部分熱量轉化為有用功驅動發動機工作,大量余熱以煙氣、缸套冷卻水循環、空氣冷卻和潤滑系統循環等形式排放到環境中,導致燃料產生的熱能未被充分利用,造用船用柴油機熱效率、經濟性和動力性降低。因此,船用柴油機余熱回收具有巨大潛力。

朗肯循環與雙效溴化鋰吸收式制冷系統組合可實現廢氣余熱發電和制冷:朗肯循環將柴油機的廢氣余熱轉變為電能,使廢氣余熱二次利用,提高柴油機熱效率[1-2];雙效溴化鋰吸收式制冷系統與朗肯循環耦合連接,利用能量密度相對較低和溫度相對較低的低品位熱能(已完成朗肯循環的部分廢氣余熱)進行制冷[3]。朗肯循環與雙效溴化鋰吸收式制冷系統結合可降低排氣壓力、減少排煙與散熱損失,提高柴油機能源利用率。柴油機動力系統設計時,應保證朗肯循環和雙效溴化鋰吸收式制冷系統性能良好,使用合理且優質的工質,使初始溫度、初始壓強、冷凝器內壓力、高壓和低壓發生器內的溫度等處于最佳循環過程,提高船用柴油機整體熱效率。

本文中以朗肯循環為基礎,耦合雙效溴化鋰吸收式制冷系統,利用MATLAB建模,進行熱力學性能分析,實現廢氣余熱高效回收,提高船用柴油機熱效率。

1 模型建立

1.1 朗肯循環模型

1.1.1 朗肯循環

朗肯循環包括加熱、膨脹、冷凝和泵送4個過程,液態工質通過朗肯循環將高溫熱能轉化為機械功,朗肯循環流程示意如圖1所示,以液態工質水為例,工質水的朗肯循環溫熵圖如圖2所示。

圖1 朗肯循環流程示意圖 圖2 工質水的朗肯循環溫熵圖

由圖1可知:柴油機廢氣余熱提供高溫熱能,使液態工質在蒸發器中受熱,轉化為氣態;氣態工質通過膨脹機,壓力和溫度下降,完成膨脹過程;氣態工質進入冷凝器,在與冷卻介質熱交換中,冷凝成液態;工質泵將液態工質送回到蒸發器,重新開始下一個循環。

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轉變為液態、從液態轉變為氣態的過程;這2條線包圍的區域為氣液兩相區,在這2條線上,水的溫度和壓力達到了飽和狀態,飽和液相線為氣液混合物放熱全部成為液體的一瞬間,繼續放熱為過冷液體;飽和氣相線為氣液混合物吸熱全部變成氣體的一瞬間,繼續吸熱為過熱氣體;4—1為水在蒸發器中定壓吸熱汽化成飽和蒸汽,飽和蒸汽定壓吸熱成過熱蒸汽的過程;1—2為高溫高壓蒸汽在膨脹機內不可逆絕熱膨脹作功的過程;2—3為從膨脹機排出的作過功的乏汽在冷凝器中向冷卻介質等壓放熱,冷凝為飽和水的過程;3—4為冷凝水在水泵內可逆的絕熱壓縮過程,壓力升高后的未飽和水再次進入蒸發器,完成循環[4-5]。

1.1.2 朗肯循環方程

工質在膨脹機作功

Wt=H1-H2,

(1)

式中:H1為膨脹機入口處工質的焓,H2為膨脹機出口處工質的焓。

工質在蒸發器中吸收熱量

Q1=H1-H4,

(2)

式中H4為工質泵出口處工質的焓。

工質在冷凝器中與冷卻介質交換放出的熱量

Q2=H2-H3,

(3)

式中H3為冷凝器入口處工質的焓。

工質泵消耗功

Wp=H4-H3。

(4)

循環凈功

Wnet=Wt-Wp。

(5)

循環熱效率

ηt=Wnet/Q1。

(6)

1.1.3 朗肯循環工質參數

不同工質的適用溫度、熱傳導效率和可膨脹性等不同,對熱力學模型產生不同影響,不同工質的物理熱力學屬性如表1所示。

表1 不同工質的物理熱力學屬性

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

雙效溴化鋰吸收式制冷系統利用廢熱或太陽能,基于溴化鋰溶液(吸收劑)和水(制冷劑)之間的化學反應及熱能的傳遞轉化實現制冷,具有較高能效和環保性能,在降低能耗和碳排放方面發揮重要作用,可廣泛應用空調及制冷領域[6]。

雙效溴化鋰吸收式制冷系統原理圖如圖3所示。制冷系統主要由高壓發生器、低壓發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、溶液泵、2臺熱交換器等組成。低濃度溴化鋰溶液在高壓發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熱交換器II換熱后進入低壓發生器,沸騰出的水蒸汽直接進入低壓發生器;中濃度溴化鋰溶液在低壓發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熱交換器I換熱后進入吸收器,二次沸騰出的水蒸汽進入冷凝器被冷凝為液態水;從冷凝器出來的液態水經過節流閥減壓后進入蒸發器,低壓液態水在蒸發器中吸收熱量變成水蒸汽,實現制冷;蒸發器產生的水蒸汽進入吸收器,使高濃度溴化鋰溶液變為低濃度溴化鋰溶液;低濃度溴化鋰溶液被溶液泵送回高壓發生器,熱交換器Ⅰ、Ⅱ將回收的熱量用于高壓發生器加熱環節,完成整個循環。通過以上循環,雙效溴化鋰吸收式制冷系統提高了熱效率,實現熱能的轉化和回收利用[7-8]。

圖3 雙效溴化鋰吸收式制冷系統原理圖

1.2.2 雙效溴化鋰吸收式制冷方程

低壓發生器熱傳導率[9]

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

(7)

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

熱交換器效率為實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實際溴化鋰溶液的焓,H15*為熱交換器I理想狀態下溴化鋰溶液的焓。

熱交換器II的效率

ηⅡ=(H5-H16)/(H5-H16*),

(10)

式中:H5為高壓發生器出口水蒸氣的焓,H16為熱交換器II實際溴化鋰溶液的焓,H16*為熱交換器II理想狀態下溴化鋰溶液的焓。

(11)

制冷性能因數

kcop=λev/(λgh+P),

(12)

式中:λev為蒸發器的傳熱速率,λgh為高壓發生器的傳熱速率。

1.2.3 雙效溴化鋰吸收式制冷參數選擇

本文中雙效溴化鋰吸收式制冷循環階段所用的循環工質為水,廢氣熱源溫度為300～450 ℃,高壓發生器內的溫度為125～135 ℃,低壓發生器內的溫度為75～85 ℃。

2 熱效率性能分析

利用MATLAB建立朗肯循環耦合雙效溴化鋰吸收式制冷系統的熱力學模型并進行仿真分析,確定最優循環性能參數。

2.1 朗肯模型熱效率分析

2.1.1 工質的影響

不同初溫(循環介質在蒸發器內的熱力學溫度)、初壓(循環介質在蒸發器內的壓強)、背壓(循環介質通過膨脹器后的壓強)下不同工質的朗肯循環熱效率如圖4所示。

a)初溫 b)初壓 c)背壓圖4 不同初溫、初壓、背壓下工質對應朗肯循環熱效率曲線圖

由圖4可得:氟利昂123在不同初溫、初壓、背壓下均能使系統朗肯循環達到較高的熱效率,原因為氟利昂123能承受的最高溫度相對較高,在循環中可承受較高的溫度和壓力,提高系統循環熱效率,但氟利昂類物質會產生較高的溫室效應,破壞臭氧層,不宜使用;甲醇是可用于熱機循環的有機液體,沸點低,但高溫容易分解,甲醇分解后影響系統的穩定性和可靠性;與水相比,有機化合物苯需要更高的溫度才能蒸發,廢氣溫度較低時不宜使用,且苯具有易燃性,在應用中需考慮特殊處理和安全防護措施,對系統設計和性能造成一定限制。通過以上分析,水有較高的比熱容和蒸發潛熱,在轉化為蒸汽的過程中能夠吸收更多的熱量,保證了系統的穩定性,提高了熱效率,且經濟環保,是較佳的循環工質,可廣泛應用于朗肯循環。

2.1.2 參數的影響

以水為循環工質,針對建立的熱力學模型,不同初溫、初壓、背壓下的朗肯循環熱效率如圖5所示。

a)初溫 b)初壓 c)背壓圖5 不同初溫、初壓、背壓下的朗肯循環熱效率

由圖5可知:初溫高、初壓高、背壓低時,朗肯循環熱效率較高。初溫高時,高溫熱源向工質傳遞的熱量更多,使工質在等溫膨脹過程中吸收更多的熱量;初壓高時,提高等容壓力升高階段的效率;背壓低使廢氣排放時的等容壓縮過程更有效,機械功輸出更高。

初溫、初壓、背壓3者之間相互影響,初壓、初溫高,有利于系統更徹底地傳熱做功,背壓低增大壓強差,使膨脹做功更徹底。為提高系統熱效率且保證排放系統穩定,調節蒸發器,使循環工質在蒸發器高溫高壓的環境中開始循環;選用合適的膨脹閥,控制制冷劑流動及膨脹機調速,保持低背壓,使廢氣排放時最大程度地釋放熱能,提高朗肯循環熱效率[11-12]。

2.2 雙效溴化鋰吸收式制冷系統性能分析

制冷量和制冷性能系數是雙效溴化鋰吸收式制冷系統的重要指標。本文中以水為制冷工質,分析雙效溴化鋰吸收式制冷系統在不同廢氣、高壓發生器、低壓發生器溫度時的制冷性能系數和制冷量,結果如表2、3、4所示。

表2 不同廢氣溫度對應的制冷性能因數和制冷量表3 不同高壓發生器溫度對應的制冷性能因數和制冷量表4 不同低壓發生器溫度對應的制冷性能因數和制冷量廢氣溫度/℃制冷性能因數制冷量/kW高壓發生器溫度/℃制冷性能因數制冷量/kW低壓發生器溫度/℃制冷性能因數制冷量/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:高壓發生器溫度升高,制冷量降低,kcop降低。由表4可知:低壓發生器溫度降低,制冷量增加,kcop降低。原因為:廢氣溫度較高,在冷凝器中釋放更多的熱量,提高系統制冷能力,但冷凝溫度升高,系統對外界環境散熱增加,kcop降低;廢氣溫度不變時,高壓發生器溫度升高,廢氣和高壓發生器內部的溫差降低,吸收廢氣熱量降低,制冷量降低,增加過熱損失,kcop降低;低壓發生器溫度降低有利于制冷劑高效蒸發,制冷量增加,但低壓發生器溫度較低增加系統熱量損失和熱量泄漏,kcop降低。

在實際應用時,應根據外界環境及應用場合,靈活選擇。如在高溫環境需要大量制冷的情況下,優先考慮高制冷量,可使廢氣溫度升高,高壓、低壓發生器的初始溫度降低;如節約能源和降低運行成本的情況下,傾向于高制冷性能系數,在提供足夠制冷量的同時盡量減少能源消耗,可使廢氣溫度、高壓發生器初始溫度降低、低壓發生器初始溫度升高[13-15]。

3 結論

1)在朗肯循環中,高初溫、高初壓和低背壓可有效提高系統熱效率。

2)雙效溴化鋰吸收式制冷系統在較高的廢氣溫度、較低的低壓發生器初始溫度和高壓發生器初始溫度能實現較高的制冷量。

3)雙效溴化鋰吸收式制冷系統的制冷量和制冷性能因數相互制約,在實際應用時,應根據外界環境及應用場合,靈活選擇。