R134a-DMF吸收-压缩复合式制冷系统仿真分析_魏浩展.pdf

基金项目:山东省重大科技创新工程项目“太阳能 电能混合驱动吸收压缩式热泵机组及关键技术研究”(2019JZZY020812)第一作者简介:魏浩展，男，硕士生，研究方向为暖通空调节能与自动控制。通信作者简介:李慧，女，教授，博士，研究方向为能源系统自动化、建筑大数据等。收稿日期:2022 06 04;修回日期:2022 09 17建筑供暖空调通风热环境134a DMF 吸收 压缩复合式制冷系统仿真分析魏浩展，李慧，王万钰(山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南 250101)摘要:为解决 134a DMF 吸收式制冷系统吸收器出口出现制冷剂(134a)气体问题，提出 134a DMF 吸收 压缩复合式制冷系统，利用压缩机回收制冷剂气体。基于 Aspen Plus 软件，选取 PENG OB 物性方法，搭建复合式制冷仿真系统。将蒸发器负荷、热驱动性能系数、节电率作为复合式制冷系统性能评价指标。保持其他设定参数不变:在不同冷凝温度下，分析发生温度对系统性能评价指标的影响;在不同 134a 质量分数(吸收器出口气液混合物中)下，分析吸收温度对系统性能评价指标的影响。当冷凝温度不变时，随着发生温度升高，蒸发器负荷、节电率增大，热驱动性能系数减小。当发生温度不变时，随着冷凝温度降低，蒸发器负荷、热驱动性能系数、节电率均增大。当 134a 质量分数不变时，随着吸收温度升高，蒸发器负荷增大，热驱动性能系数、节电率减小。当吸收温度不变时，随着 134a 质量分数增大，蒸发器负荷增大，热驱动性能系数、节电率减小。关键词:134a DMF 工质对;吸收式制冷;复合式制冷;压缩式制冷中图分类号:TU831 6文献标志码:A文章编号:1000 4416(2023)02 0A25 071概述概述与传统压缩式制冷相比，吸收式制冷具有能耗低、节约能源、环境污染小等优点1 2。目前，H2O LiBr、NH3 H2O 工质对是空调领域与工业领域的主流，但溴化锂溶液具有吸湿性且传热系数小，不利于设备小型化，而氨水具有腐蚀性，沸点与水差不多，必须使用精馏设备。134a DMF 作为氟利昂工质对，制冷剂为 134a，吸收剂为 DMF(二甲基甲酰胺)。134a 热稳定性高、无腐蚀性、无毒性，是一种环境友好的制冷剂，DMF 被称为万能溶剂，因此134a DMF 工质对可以很好地应用于吸收式制冷系统中3 4。本文为解决 134a DMF 吸收式制冷系统吸收器出口出现制冷剂(134a)气体问题，提出134a DMF 吸收 压缩复合式制冷系统(简称复合式制冷系统)，利用压缩机回收制冷剂气体。基于 Aspen Plus 软件，选取 PENG OB 物性方法，搭建复合式制冷仿真系统。将蒸发器负荷、热驱动性能系数(用于评价复合式制冷系统对低品位热源利用效率)、节电率(用于评价复合式制冷系统相对于压缩式制冷系统的节电程度)作为复合式制冷系统性能评价指标。保持其他设定参数不变:在不同冷凝温度下，分析发生温度对系统性能评价指标的影响。在不同 134a 质量分数(吸收器出口气液混合物中)下，分析吸收温度对系统性能评价指标的影响。本文的压力均指绝对压力。2复合式制冷系统复合式制冷系统复合式制冷系统流程见图 1。复合式制冷系统52A第 43 卷第 2 期2023 年 2 月煤 气 与 热 力GAS HEATVol 43 No 2Feb 2023DOI:10.13608/ki.1000-4416.2023.02.014主要包括发生器、冷凝器、电子膨胀阀 1、电子膨胀阀 2、蒸发器、吸收器、溶液循环泵、压缩机、热回收换热器、气液分离器 1、气液分离器 2。设定从吸收器流出的为气液混合物，由气液分离器1 分离出的 134a DMF 溶液经过溶液循环泵进入热回收换热器，由气液分离器 2 分离出的134a DMF 稀溶液加热。由气液分离器 1 分离出的 134a 气体经压缩机增压得到高压 134a 气体。经热回收换热器加热后的 134a DMF 溶液进入发生器，被低品位热源加热，发生器出口的气液混合物进入气液分离器 2。由气液分离器 2 分离出的134a 气体与压缩机出口高压 134a 气体混合后进入冷凝器，被冷凝为 134a 液体，经过电子膨胀阀 2节流后进入蒸发器蒸发吸热，产生低压低温气液混合物。热回收换热器出口低温 134a DMF 稀溶液经电子膨胀阀 1 节流降压后，在吸收器内与来自蒸发器的气液混合物混合并吸收 134a 气体。完成 1 次循环。冷却水R134a气体121375610111415182394R134a气体R134a气体R134a气体R134a-DMF稀溶液气液分离器1冷却水冷却水蒸发器冷水冷却水气液混合物电子膨胀阀2气液混合物气液混合物电子膨胀阀1溶液循环泵压缩机热回收换热器R134a液体冷凝器R134a-DMF溶液气液分离器2发生器气液混合物低品位热源气液混合物吸收器图 1复合式制冷系统流程1 15 流股3复合式制冷仿真系统复合式制冷仿真系统3 1物性方法的选择针对 134a DMF 吸收式制冷系统物性方法的选择，前人进行了大量研究。陈鑫5 根据热力学决策树，选择了 3 种物性方法，基于 Aspen Plus 软件的 egression 功能，对实验数据进行回归拟合，并进行对比。结果显示，PENG OB 物性方法相对误差最小，适用于 134a DMF 吸收式制冷系统。Co-quelet 等人6 对 134a DMF 二元溶液相平衡实验数据进行拟合，拟合结果表明，PENG OB 物性方法与合适的混合规则及 NTL 模型联立能够更好地描述相平衡实验数据。回晓洋7 基于 Aspen Plus 软件，分别采用 PENG OB 物性方法、PWA 物性方法(带有 Boston Mathias 函数的 PENG OB 物性方法)、P BM 物性方法(带有 Wong Sandler 混合规则的 PENG OB 物性方法)进行计算，将计算结果与实验数据进行对比，发现 PENG OB 物性方法精度最高。因此，本文选取 PENG OB 物性方法。通过 Aspen Plus 软件内物性数据库可以得到PENG OB 物性方法的物性参数。在已知组分质量分数、温度、压力的条件下，基于 Aspen Plus 软件，选取 PENG OB 物性方法。62A第 43 卷第 2 期煤 气 与 热 力www gasheat cn3 2条件设定在使用 Aspen Plus 软件搭建复合式制冷仿真系统过程中，进行下列设定5 8:仿真系统处于稳定运行状态。发生压力等于冷凝压力，蒸发压力等于吸收压力。溶液循环泵的电能消耗忽略不计，管子、各部件的能量损失忽略不计。同一流股中，工质质量流量、温度、压力保持不变。热回收换热器冷热端 4 个出入口 134a DMF 二元溶液均为饱和溶液。3 3系统性能评价指标复合式制冷系统的制冷量等于蒸发器负荷，因此本文采用蒸发器负荷作为系统性能评价指标之一。蒸发器负荷计算方法同发生器。发生器负荷g的计算式为:g=qm，outhout qm，inhin式中g 发生器负荷，kWqm，out 发生器出口气液混合物质量流量，kg/shout 发生器出口气液混合物比焓，kJ/kgqm，in 发生器进口溶液质量流量，kg/shin 发生器进口溶液比焓，kJ/kg除蒸发器负荷外，本文还采用热驱动性能系数、节电率作为复合式制冷系统性能评价指标。热驱动性能系数用于评价复合式制冷系统对低品位热源利用效率，节电率用于评价复合式制冷系统相对于压缩式制冷系统的节电程度9。热驱动性能系数 的计算式为:=e PICOPg式中 热驱动性能系数e 蒸发器负荷，kWP 复合式制冷系统压缩机与溶液循环泵耗电功率之和(本文忽略溶液循环泵耗电功率)，kWICOP 相同冷凝温度、蒸发温度下，压缩式制冷系统的制冷性能系数复合式制冷系统单位制冷量压缩机耗电功率在仿真系统中的压缩机模块获得。同样，压缩式制冷系统的单位制冷量压缩机耗电功率也可在由 AspenPlus 软件搭建的压缩式制冷仿真系统中的压缩机模块获得。节电率 的计算式为:=1 PperPper，c式中 节电率Pper 复合式制冷系统单位制冷量压缩机耗电功率Pper，c 压缩式制冷系统单位制冷量压缩机耗电功率3 4仿真系统采用 Aspen Plus 软件建立复合式制冷仿真系统、压缩式制冷仿真系统，分别见图 2、3。压缩式制冷仿真系统以 134a 为制冷剂。模块设定参数见表 1。复合式制冷仿真系统流股 1 初始参数见表 2，压缩式制冷仿真系统流股 1 初始参数见表 3。图 2复合式制冷仿真系统(软件截图)图 3压缩式制冷仿真系统(软件截图)表 1模块设定参数设备模块名称设定参数吸收器ABS温度 27，压力 0 41 MPa溶液循环泵PUMP出口压力 1 07 MPa热回收换热器SHE冷端出口温度 55 发生器GEN温度 85，压力 1 07 MPa72Awww gasheat cn魏浩展，等:134a DMF 吸收 压缩复合式制冷系统仿真分析第 43 卷第 2 期续表 1设备模块名称设定参数冷凝器CON温度 31，压力 1 07 MPa节流阀 1、2VALVE出口压力 0 41 MPa蒸发器EVA温度 13，压力 0 41 MPa气液分离器 1GLS温度 27，压力 0 41 MPa气液分离器 2GLS2温度 85，压力 1 07 MPa混合器MIX压缩机COMP等熵效率 0 72，出口压力 1 07 MPa表 2复合式制冷仿真系统流股 1 初始参数工质温度/压力/MPa质量流量/(kgh1)134a质量分数134a DMF溶液270 416000 58表 3压缩式制冷仿真系统流股 1 初始参数工质温度/压力/MPa质量流量/(kgh1)134a 气体130 413483 5仿真结果选取物性方法，搭建仿真系统，输入初始参数。仿真系统稳定运行后，复合式制冷仿真系统各流股运行参数仿真结果见表 4，压缩式制冷仿真系统各流股运行参数仿真结果见表 5。根据仿真结果，可计算得到复合式制冷仿真系统蒸发器负荷为 7 758kW，热驱动性能系数为 0 451，节电率为 0 963。表 4复合式制冷仿真系统各流股运行参数仿真结果流股温度/压力/MPa质量流量/(kgh1)气相分率/%比焓/(kJkg1)127 000 41134a:348 000，DMF:252 0000 836 560 87227 000 41134a:342 176，DMF:251 9950 006 539 12328 001 07134a:342 176，DMF:251 9950 006 537 11455 001 07134a:342 176，DMF:251 9950 006 493 95585 001 07134a:342 176，DMF:251 99526 796 393 62685 001 07134a:183 625，DMF:1 629100 008 683 87785 001 07134a:158 551，DMF:250 3660 005 356 06续表 4流股温度/压力/MPa质量流量/(kgh1)气相分率/%比焓/(kJkg1)827 000 41134a:5 824，DMF:0 005100 008 778 06969 721 07134a:5 824，DMF:0 005100 008 747 651049 881 07134a:158 551，DMF:250 3660 005 418 771144 350 41134a:158 551，DMF:250 3664 335 418 771284 541 07134a:189 449，DMF:1 634100 008 685 811331 001 07134a:189 449，DMF:1 6340 008 913 731410 230 41134a:189 449，DMF:1 63415 308 913 731513 000 41134a:189 449，D