朗肯循环耦合双效溴化锂吸收式制冷系统建模及性能分析

刘坚,谭先琳,毕成,梁梓原,付宇乐,曾杨,杨远志

广西大学机械工程学院,广西南宁 530004

0 引言

船用柴油机动力性能与其热效率密切相关,柴油机运行过程中消耗大量燃料,然而仅有少部分热量转化为有用功驱动发动机工作,大量余热以烟气、缸套冷却水循环、空气冷却和润滑系统循环等形式排放到环境中,导致燃料产生的热能未被充分利用,造用船用柴油机热效率、经济性和动力性降低。因此,船用柴油机余热回收具有巨大潜力。

朗肯循环与双效溴化锂吸收式制冷系统组合可实现废气余热发电和制冷:朗肯循环将柴油机的废气余热转变为电能,使废气余热二次利用,提高柴油机热效率[1-2];双效溴化锂吸收式制冷系统与朗肯循环耦合连接,利用能量密度相对较低和温度相对较低的低品位热能(已完成朗肯循环的部分废气余热)进行制冷[3]。朗肯循环与双效溴化锂吸收式制冷系统结合可降低排气压力、减少排烟与散热损失,提高柴油机能源利用率。柴油机动力系统设计时,应保证朗肯循环和双效溴化锂吸收式制冷系统性能良好,使用合理且优质的工质,使初始温度、初始压强、冷凝器内压力、高压和低压发生器内的温度等处于最佳循环过程,提高船用柴油机整体热效率。

本文中以朗肯循环为基础,耦合双效溴化锂吸收式制冷系统,利用MATLAB建模,进行热力学性能分析,实现废气余热高效回收,提高船用柴油机热效率。

1 模型建立

1.1 朗肯循环模型

1.1.1 朗肯循环

朗肯循环包括加热、膨胀、冷凝和泵送4个过程,液态工质通过朗肯循环将高温热能转化为机械功,朗肯循环流程示意如图1所示,以液态工质水为例,工质水的朗肯循环温熵图如图2所示。

图1 朗肯循环流程示意图 图2 工质水的朗肯循环温熵图

由图1可知:柴油机废气余热提供高温热能,使液态工质在蒸发器中受热,转化为气态;气态工质通过膨胀机,压力和温度下降,完成膨胀过程;气态工质进入冷凝器,在与冷却介质热交换中,冷凝成液态;工质泵将液态工质送回到蒸发器,重新开始下一个循环。

由图2可知:水的饱和液相线、饱和气相线分别表明了水从气态转变为液态、从液态转变为气态的过程;这2条线包围的区域为气液两相区,在这2条线上,水的温度和压力达到了饱和状态,饱和液相线为气液混合物放热全部成为液体的一瞬间,继续放热为过冷液体;饱和气相线为气液混合物吸热全部变成气体的一瞬间,继续吸热为过热气体;4—1为水在蒸发器中定压吸热汽化成饱和蒸汽,饱和蒸汽定压吸热成过热蒸汽的过程;1—2为高温高压蒸汽在膨胀机内不可逆绝热膨胀作功的过程;2—3为从膨胀机排出的作过功的乏汽在冷凝器中向冷却介质等压放热,冷凝为饱和水的过程;3—4为冷凝水在水泵内可逆的绝热压缩过程,压力升高后的未饱和水再次进入蒸发器,完成循环[4-5]。

1.1.2 朗肯循环方程

工质在膨胀机作功

Wt=H1-H2,

(1)

式中:H1为膨胀机入口处工质的焓,H2为膨胀机出口处工质的焓。

工质在蒸发器中吸收热量

Q1=H1-H4,

(2)

式中H4为工质泵出口处工质的焓。

工质在冷凝器中与冷却介质交换放出的热量

Q2=H2-H3,

(3)

式中H3为冷凝器入口处工质的焓。

工质泵消耗功

Wp=H4-H3。

(4)

循环净功

Wnet=Wt-Wp。

(5)

循环热效率

ηt=Wnet/Q1。

(6)

1.1.3 朗肯循环工质参数

不同工质的适用温度、热传导效率和可膨胀性等不同,对热力学模型产生不同影响,不同工质的物理热力学属性如表1所示。

表1 不同工质的物理热力学属性

1.2 双效溴化锂吸收式制冷模型

1.2.1 双效溴化锂吸收式制冷系统

双效溴化锂吸收式制冷系统利用废热或太阳能,基于溴化锂溶液(吸收剂)和水(制冷剂)之间的化学反应及热能的传递转化实现制冷,具有较高能效和环保性能,在降低能耗和碳排放方面发挥重要作用,可广泛应用空调及制冷领域[6]。

双效溴化锂吸收式制冷系统原理图如图3所示。制冷系统主要由高压发生器、低压发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液泵、2台热交换器等组成。低浓度溴化锂溶液在高压发生器中被废气余热加热沸腾出水蒸汽,成为中浓度溴化锂溶液;中浓度溴化锂溶液经热交换器II换热后进入低压发生器,沸腾出的水蒸汽直接进入低压发生器;中浓度溴化锂溶液在低压发生器被水蒸汽加热后沸腾出二次水蒸汽,成为高浓度溴化锂溶液;高浓度溴化锂溶液经热交换器I换热后进入吸收器,二次沸腾出的水蒸汽进入冷凝器被冷凝为液态水;从冷凝器出来的液态水经过节流阀减压后进入蒸发器,低压液态水在蒸发器中吸收热量变成水蒸汽,实现制冷;蒸发器产生的水蒸汽进入吸收器,使高浓度溴化锂溶液变为低浓度溴化锂溶液;低浓度溴化锂溶液被溶液泵送回高压发生器,热交换器Ⅰ、Ⅱ将回收的热量用于高压发生器加热环节,完成整个循环。通过以上循环,双效溴化锂吸收式制冷系统提高了热效率,实现热能的转化和回收利用[7-8]。

图3 双效溴化锂吸收式制冷系统原理图

1.2.2 双效溴化锂吸收式制冷方程

低压发生器热传导率[9]

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

(7)

式中:Qgl=0为低压发生器内的能量平衡状态,qm,10、qm,11、qm,12、qm,13、qm,14分别为低压发生器出口、高压发生器出口、低压发生器入口、冷凝器入口、热交换器Ⅱ入口处溴化锂溶液的质量流量;H10、H11、H12、H13、H14分别为低压发生器出口、高压发生器出口、低压发生器入口、冷凝器入口、热交换器入口处溴化锂溶液的比焓。

溶液泵功率

P=qm,15(p14-p15)/(ηpρ15),

(8)

式中:qm,15为溶液泵入口溴化锂溶液的质量流量,p14、p15分别为溶液泵出口、入口溴化锂溶液的压力,ηp为溶液泵工作效率,ρ15为溶液泵入口溴化锂溶液的质量密度。

热交换器效率为实际传热量与最大可能传热量之比。热交换器I的效率

ηI=(H14-H15)/(H14-H15*),

(9)

式中:H15为热交换器I实际溴化锂溶液的焓,H15*为热交换器I理想状态下溴化锂溶液的焓。

热交换器II的效率

ηⅡ=(H5-H16)/(H5-H16*),

(10)

式中:H5为高压发生器出口水蒸气的焓,H16为热交换器II实际溴化锂溶液的焓,H16*为热交换器II理想状态下溴化锂溶液的焓。

(11)

制冷性能因数

kcop=λev/(λgh+P),

(12)

式中:λev为蒸发器的传热速率,λgh为高压发生器的传热速率。

1.2.3 双效溴化锂吸收式制冷参数选择

本文中双效溴化锂吸收式制冷循环阶段所用的循环工质为水,废气热源温度为300～450 ℃,高压发生器内的温度为125～135 ℃,低压发生器内的温度为75～85 ℃。

2 热效率性能分析

利用MATLAB建立朗肯循环耦合双效溴化锂吸收式制冷系统的热力学模型并进行仿真分析,确定最优循环性能参数。

2.1 朗肯模型热效率分析

2.1.1 工质的影响

不同初温(循环介质在蒸发器内的热力学温度)、初压(循环介质在蒸发器内的压强)、背压(循环介质通过膨胀器后的压强)下不同工质的朗肯循环热效率如图4所示。

a)初温 b)初压 c)背压图4 不同初温、初压、背压下工质对应朗肯循环热效率曲线图

由图4可得:氟利昂123在不同初温、初压、背压下均能使系统朗肯循环达到较高的热效率,原因为氟利昂123能承受的最高温度相对较高,在循环中可承受较高的温度和压力,提高系统循环热效率,但氟利昂类物质会产生较高的温室效应,破坏臭氧层,不宜使用;甲醇是可用于热机循环的有机液体,沸点低,但高温容易分解,甲醇分解后影响系统的稳定性和可靠性;与水相比,有机化合物苯需要更高的温度才能蒸发,废气温度较低时不宜使用,且苯具有易燃性,在应用中需考虑特殊处理和安全防护措施,对系统设计和性能造成一定限制。通过以上分析,水有较高的比热容和蒸发潜热,在转化为蒸汽的过程中能够吸收更多的热量,保证了系统的稳定性,提高了热效率,且经济环保,是较佳的循环工质,可广泛应用于朗肯循环。

2.1.2 参数的影响

以水为循环工质,针对建立的热力学模型,不同初温、初压、背压下的朗肯循环热效率如图5所示。

a)初温 b)初压 c)背压图5 不同初温、初压、背压下的朗肯循环热效率

由图5可知:初温高、初压高、背压低时,朗肯循环热效率较高。初温高时,高温热源向工质传递的热量更多,使工质在等温膨胀过程中吸收更多的热量;初压高时,提高等容压力升高阶段的效率;背压低使废气排放时的等容压缩过程更有效,机械功输出更高。

初温、初压、背压3者之间相互影响,初压、初温高,有利于系统更彻底地传热做功,背压低增大压强差,使膨胀做功更彻底。为提高系统热效率且保证排放系统稳定,调节蒸发器,使循环工质在蒸发器高温高压的环境中开始循环;选用合适的膨胀阀,控制制冷剂流动及膨胀机调速,保持低背压,使废气排放时最大程度地释放热能,提高朗肯循环热效率[11-12]。

2.2 双效溴化锂吸收式制冷系统性能分析

制冷量和制冷性能系数是双效溴化锂吸收式制冷系统的重要指标。本文中以水为制冷工质,分析双效溴化锂吸收式制冷系统在不同废气、高压发生器、低压发生器温度时的制冷性能系数和制冷量,结果如表2、3、4所示。

表2 不同废气温度对应的制冷性能因数和制冷量表3 不同高压发生器温度对应的制冷性能因数和制冷量表4 不同低压发生器温度对应的制冷性能因数和制冷量废气温度/℃制冷性能因数制冷量/kW高压发生器温度/℃制冷性能因数制冷量/kW低压发生器温度/℃制冷性能因数制冷量/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:废气温度升高,制冷量增加,kcop降低。由表3可知:高压发生器温度升高,制冷量降低,kcop降低。由表4可知:低压发生器温度降低,制冷量增加,kcop降低。原因为:废气温度较高,在冷凝器中释放更多的热量,提高系统制冷能力,但冷凝温度升高,系统对外界环境散热增加,kcop降低;废气温度不变时,高压发生器温度升高,废气和高压发生器内部的温差降低,吸收废气热量降低,制冷量降低,增加过热损失,kcop降低;低压发生器温度降低有利于制冷剂高效蒸发,制冷量增加,但低压发生器温度较低增加系统热量损失和热量泄漏,kcop降低。

在实际应用时,应根据外界环境及应用场合,灵活选择。如在高温环境需要大量制冷的情况下,优先考虑高制冷量,可使废气温度升高,高压、低压发生器的初始温度降低;如节约能源和降低运行成本的情况下,倾向于高制冷性能系数,在提供足够制冷量的同时尽量减少能源消耗,可使废气温度、高压发生器初始温度降低、低压发生器初始温度升高[13-15]。

3 结论

1)在朗肯循环中,高初温、高初压和低背压可有效提高系统热效率。

2)双效溴化锂吸收式制冷系统在较高的废气温度、较低的低压发生器初始温度和高压发生器初始温度能实现较高的制冷量。

3)双效溴化锂吸收式制冷系统的制冷量和制冷性能因数相互制约,在实际应用时,应根据外界环境及应用场合,灵活选择。