基于 SIMULINK 平台的吸附式制冷机模块化.doc

精品论文推荐基于 SIMULINK 平台的吸附式制冷机模块化建模与仿真*林芃，王如竹，吴静怡 上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海（200240） E-mail：linpeng0478摘要：文章运用集总参数法建立了吸附式制冷机动态数学模型，以 Matlab-Simulink 为仿 真平台实现了 10kW 级硅胶-水回热回质型吸附式制冷机的模块化仿真，考察了制冷机运行过程中吸附床温、冷却水、冷冻水出口水温的动态变化以及回热回质对于系统运行的作用；研究了不同运行工况对制冷量以及 COP 的影响。为冷热电联产系统的模块化全过程仿真奠 定了良好的基础。关键词：吸附式制冷；模块化；仿真；动态性能；冷热电联产系统 中图分类号：TB651-9-1. 引言冷热电联供（CCHP）系统是将发电、 制冷、供暖设备进行集成与组合的先进用 能方式，能够实现能源的梯级利用。上海 交通大学采用 16kW 微型燃气内燃发电机 和新颖的热驱动吸附式制冷机，构成微型 冷热电联产系统。图 1 采用燃气内燃机与吸附式制冷机的微型冷 热电联产系统由于 CCHP 系统设备类型多、过程耦 合复杂，建立各子系统动态模型，实现系 统全过程仿真非常必要，利用 Matlab-Simulink 平台建立热驱动制冷机动 态模型，可方便的与发电、供热设备进行 连接与扩展，研究 CCHP 系统动态性能。 Simulink 是用来对动态系统进行建模、仿 真和分析的软件包，它提供了一种图形化的交互环境，非常直观，容易掌握，可利 用 Matlab 中的丰富资源，建立分层的多级 仿真模型1。若具备了 CCHP 系统的各种 部件模型，只需简单连接就可实现系统的 动态仿真。硅胶-水吸附式制冷机能够有效利用 低品位热能，可以被 65 D C 的热源驱动， 是一种环境友好的制冷方式。上海交通大 学制冷与低温工程研究所已研制出 10kW 级制冷量的余热型热水驱动吸附式制冷机 2，可将其作为冷热电联产系统的制冷部 件，建立微型冷热电联供系统。本文基于 Simulink 平台对硅胶-水吸附式制冷机进 行模块化建模与仿真，研究制冷机的动态 变化规律以及变工况下的运行特性。2. 吸附式制冷机系统描述图 2 为上海交通大学发明的硅胶-水吸 附式冷水机组示意图。它由两个单床吸附 式制冷系统复合而成的双床连续制冷系 统。整个系统由三个真空腔组成，左右为 两个由吸附床、冷凝器和蒸发器组成的吸 附/解吸工作腔，底部为热管隔离蒸发器的 工作腔。吸附床为管翅式紧凑换热器，冷*本课题得到教育部博士点基金（项目编号：20040248055）的资助。凝器采用管壳式换热器，蒸发器采用了热管隔离技术使发生器解吸侧与冷媒水传热 管之间实现热隔离。了完整的吸附式制冷循环，制冷机可以连续输出冷冻水。该机组可自动以回热回质吸附式制冷 循环方式运行，两个吸附床交替进行吸附 制冷，主要包括以下过程：hot water outlet hot water inletvalve componentscooling water inlet cooling water inlet（1）左床解吸、右床吸附过程。驱动热adsorberAadsorberBvacuum valvefor mass recovery源热水通入左侧吸附床中，使得左侧吸附床内吸附剂升温，左真空腔内蒸汽压力升remained watercondenserisolatorcondenserisolatorremained waterwater高，当压力超过左冷凝器温度对应的饱和 蒸汽压时，左冷凝器开始冷凝制冷剂；此methanol chilled water inletevaporatorCchilled water outlet remained water时，左隔离器蒸发面不工作，其温度升高 至冷凝温度，该温度高于热管工作腔内的 蒸发器温度，从而实现了左隔离器与蒸发 器之间的热隔离。与此同时，制冷剂进入 右吸附床，右吸附床被冷却水冷却，开始 降温吸附，右真空腔内的制冷剂蒸汽压力随之下降，当压力低于右隔离器温度对应图 2 硅胶-水吸附制冷机系统结构示意图3. 吸附式制冷系统数学模型3.1 系统基本假设系统仿真数学模型采用集总参数法。 为了简化计算，本文做出了如下假设：的饱和蒸汽压时，右隔离器的蒸发面开始（1）整个吸附床内部的温度和蒸汽压蒸发制冷，其温度迅速降低，热管工作腔力都是均匀的；底部的蒸发器蒸发出来的热管工质蒸汽在（2）制冷剂被吸附剂均匀地吸附，并且右隔离器传热表面上凝结，从而输出制冷在吸附剂内部凝聚为液体；量。（3）忽略吸附床与冷凝器或蒸发器之（2）从左到右的回质过程。当左床解吸/间的压差；右床吸附过程临近结束时，回质真空阀打（4）除了热水、冷却水和冷冻水与外界开，左腔内的制冷剂蒸汽就会在较大的压 差作用下迅速流到右腔，导致左隔离器温有换热外，忽略系统散失到环境中的热/冷量。度降低而右隔离器温度升高，左右两腔体（5）冷凝器中制冷剂蒸汽冷凝为饱和内的压力迅速趋于平衡。同时，左吸附床 解吸出的制冷剂蒸汽通过回质阀流入右吸 附床内被吸附，实现二次解吸和吸附过程。（3）从左到右的回热过程。当左右腔体 内的压力接近平衡时，关闭回质真空阀， 打开相应阀门进行两个吸附床之间的回水；蒸发器中的制冷剂蒸发成饱和制冷剂 蒸汽。3.2 制冷机动态数学模型R23.2.1 吸附方程 采用非平衡吸附率方程4：热。左吸附床内的热水进入右吸附床中，dx15Dexp E/(RT )*将其中的冷水排出，同时右吸附床内的冷= s 0 a b ( x dp x)水进入左吸附床中，将其中的热水排除，完成回热过程3。 相应的，还应包括右床解吸、左床吸附过程；从右到左的回质过程；从右到左 的回热过程，在此不再赘述。这样才组成（1）式 中 表 面 扩 散 系 数Ds0 2.54×10-4m2/s ，硅胶表明的活化能 Ea 4.2×104J/mol，硅胶颗粒的平均半径 Rp7.1×10-4m，R 为水蒸气的气体常数。x* 由经典平衡吸附方程确定5：Tad ,out Ta= exp( KAad )（7）bx* = A(T) Ps (Tw ) B (Tb )Tad .in Tam w c p ,w（2）Ps (Tb )KAad 为吸附床的换热性能系数，kW/K。3.2.3 冷凝器能量平衡方程式中 Ps( Tw )和 Ps( Tb )分别为水蒸气温度和硅胶温度对应下水的饱和压力； 其中冷凝器中没有流体滞留，输入热量为 制冷剂带来的显热和潜热，输出热量为被冷 却水带走的热量。b01 b2 b3 bA(T ) = A + A T + A T 2b01 b2 bB(T ) = B + B T + B T 2+ A T 33 b+ B T 3（3）（4）ccu Mc dTcd=1LMa dxdesd+cwv Ma dxdes d上式中的 A0B3 为常数，取值如下：A0 -6.5314 ， A1 0.72452×10-1 ， A2 (Tc Ta )+m coolcp.w (Tcoo,lin Tcoo,lout)（8）-0.23951×10-3，A30.25493×10-6；Tcool ,out Tc KAc （9）B0-15.587，B10.15915，B2-50612×10-3，B30.53290×10-6。Tcool .in Tc= exp(m cool) cp, w水的饱和压力(kPa)和饱和温度(K)之间的关 系：sP (T ) = 0.0000888(T 273.15) 3 0.0013802(T 273.15) 2 + 0.0857427(T 273.15)+ 0.4709375（5）3.2.2 吸附床能量平衡方程2d M (c + c x) + c M + c M T daap,wcut,adalfin,adbMc 冷凝器金属的质量，15.2kg；L 为水的汽化潜热，2500kJ/kg；Tc 冷凝器温度，K；Tcool,in 和 Tcool,out 分别为冷凝器进出口水温，K ； m cool 为加热/ 冷却流体的质量流量，1.11kg/s；KAc 为冷凝器的换热性能系数，kW/K。3.2.4 蒸发器能量平衡方程 蒸发器中有液体制冷剂滞留，输入蒸发器的热量包括冷媒水带入的热量和冷凝= Ma qst dx+ (11) cwv Ma ddx (Te Ta )d器输送制冷剂所带入的热量；输出蒸发器的热量包括制冷剂蒸发吸热所带走的热+ m w cp.w (Tad,in Tad,out)（6）量。在系统仿真过程中，不考虑蒸发器内 部复杂的传热过程，把热管蒸发器作为一Ma 为单个吸附床内吸附剂的质量，个整体考虑，能量平衡方程为：50kg；ca 为吸附剂的比热，kJ/(kg·K)；cp,wd (c M +c M )T =(1 )L M dxads和 cwv 分别为水和水蒸汽的比热，kJ/(kg·K)；dp,we,wcuee1a dccu 和 cal 分别为传热管材料铜和翅片材料铝+m chillcp.w (Tchil,lin Tchil,lout)+1 2 cp,w (Te Tc )的比热，kJ/(kg·K) ；Mt,ad 为传热管质量，dx dxM des (1 )LM des21.8kg；Mfin,ad 为翅片质量，10.9kg；qst 为等压吸附/解吸热，2800kJ/kg；Te 和 Ta 分别为 蒸发器和吸附床温度，K；Tad,in 和 Tad,out 分a d1,2a dTc Te（10）别为吸附床进出口水温，K； m w 为加热/冷 却流体的质量流量，1.11kg/s。其中 2 = 0,Tc > Te（11）Tchill ,out Te= exp( KAe)（12）=1, desorption process10, adsorption processTchill .in Tem chill c p ,wMe 为蒸发器金属的质量，65kg；Me,w为蒸发器内液体制冷剂(水)的质量，kg；Tchill,in 和 Tchill,out 分别为蒸发器冷冻水进出口 水温，K；m chill 为冷冻水质量流量，0.5kg/s，(Pwv +2 wvwv（18）a vwv)(v b) = RTKAe 为蒸发器的换热性能系数，kW/K。3.2.5 回质过程 在回质过程中，冷凝器处于空闲状态，解吸腔内的蒸发器将开始蒸发，吸附腔内的蒸发器开始出现冷凝现象。吸附床的吸附将 由吸附床与解吸腔之间的压差驱动，解吸床 的解吸由解吸床与吸附腔之间的压差驱动， 对应吸附方程中的 Ps 分别取解吸腔和吸附 腔的压力，除此之外，描述吸附/解吸床的 传热模型方程与其他过程中的形式完全一 致。最大的不同是蒸发器的能量平衡方程：d (c M + c M ) T = L dp , w e, w cu e e 3 （13）3.2.6 回热过程回热过程中，阀门切换，两床传热介质 连通，通过流动介质传热，吸附床驻留的冷 水进入解吸床进行冷却，而解吸中驻留的热 水进入吸附床进行加热。吸附床、冷凝器和 蒸发器各换热器的能量方程在形式上与正 常情况下形式一致，此时，吸附床的进口水 温是解吸床的出口水温，解吸床的进口水温 则是吸附床的出口水温，因此，在回热过程 中有以下特征关系式：Tads ,in = Tdes ,out ；Tdes ,in = Tads,out3.2.7 系统性能指标的求取制冷量：+ 4 m chill c p.w (Tchill ,in Tchill ,out ) cyclec m TT d其中：Qref= 0 p ,w chill ( chill ,in chill ,out ) m e,evap ,for desorbing chambercycle（19）3 = m e,cond ,for adsorbing chamber（14） cycle 为循环周期。 加热量：m e,evap 和 m e,cond 分别为回质过程中解吸腔 cycle内水蒸发器的蒸发流量和吸附腔内水蒸发 器的冷凝流量，kg/s。Q = 0 c p , w m h (Th ,in Th , out )d cycle（20）1, 4 = 0,Te Tchill ,inTe > Tchill ,in（15）QhCOP =refQh（21）制冷剂质量平衡方程：4. 基于 Simulink 平台系统建模 M adxdes + m de , evap= m e, cond+ M a dxads =dm mr4.1 利用 Simulink 建立吸附式制冷机m mr 为回质流量，kg/s。 解吸腔与吸附腔内压力差：（16）动态模型Simulink 是一个交互式动态系统建模、 仿真和分析工具，用户可采用交互或批处理v m 2的方式，方便得更换参数来进行“what-if”式Pwv , des Pwv , abs = wv mr 2 A2（17）的分析仿真，在控制系统、DSP 系统、通信1vwv 为水蒸气的比容，m3/kg；A 为回质通系统中已经有了很广泛的应用。在热力系道的截面积，m2。 添加范德瓦尔斯状态方程使方程组封闭：统中有非常多的集中参数模型，其数学形式 表现为耦合的微分方程组，通常我们将微分方程进行离散，利用 C、Fortran 或 Matlab进行编程，其实利用 Simulink 来求解这些方 程组是非常直观和方便的。另外，Simulink 模型的模块化使它很容易进行扩展，若已具 有燃气发电机，蓄热水箱，吸附式制冷机以 及换热器模块，只需用鼠标进行简单连接就 可以实现 CCHP 系统的模块化仿真。利用 Simulink 建立的吸附式制冷机部件模型如图 3 所示。将部件模型进行子系统封装，即可完成 吸附式制冷机的模块化仿真，将其热水入口 与烟气换热器模型相连。烟气换热器的烟气 入口可与今后将要完成的燃气发电机模型 进行连接，这样就完成了冷热电联产系统的 模块化仿真，如图 4。图 3 吸附式制冷机部件模型图 4 CCHP 系统模块化仿真5. 系统仿真结果与分析5.1 吸附式制冷机全过程动态仿真系统采用变步长 ode45 求解器（龙格口温度 30，冷冻水入口温度 20，循环周期 2400s，其中回质时间 180s，回热时间 20s。 仿真结果：Qref=9.116kW，COP=0.4126库塔 4、5 阶算法）求解耦合微分方程组， 仿真额定工况：热源温度 85，冷却水入实验结果：Qref=9.38kW，COP=0.43吸附床温度动态变化如图 5 所示：图 5 吸附床温度动态变化过程0-1200s 为制冷机启动时运行状态，由 于是初启动，无回热回质过程；1200s-1380s 为回质过程，1380s-1400s 为回热过程。1400s 后为将外界热源冷源重新接入后的吸附床 的加热、冷却过程。1200s-2400s 为正常运 行情况下的半个循环周期（区别于初始开机 过程）。由于传热传质效率所限，吸附床吸 附/解析过程时间较长，每个吸附床需要 40 分钟完成加热解析/冷却吸附的制冷循环。用于加热/冷却吸附床的热水/冷水出口 温度动态变化，如图 6：图 6 加热/冷却吸附床的热水/冷水出口温度如图 6 所示，吸附床热/冷水出口温度 变化与吸附床温度变化趋势大致相同。冷凝器冷却水出水以及蒸发器冷冻水 出水温度动态变化如图 7 所示：图 7 冷却水出水以及冷冻水出水温度从图 7 中 1200s-1300s 可清楚地看到回 质回热过程对于冷却水出水以及冷冻水出 水温度产生的波动。图 8 制冷机运行过程中吸附率的变化图 8 表明了制冷机工作过程中吸附床吸附 率的变化，为了提高单位循环制冷量以及 COP，采用了回质提高吸附床的吸附量；采 用回热节约了外界的热量输入。这两种方式 显著提高了系统的制冷性能。从图中可看到 吸附床吸附量在 0.23-0.07kg/kg 之间循环， 回质过程实现了二次解析和吸附。5.2 变工况对系统制冷量及 COP 的影 响冷热电联产系统是一个多种设备协调 运行的复杂系统，运行过程中工况经常会发 生变化，因此，研究变工况对于部件运行性 能的影响是非常有必要的。改变系统工况时，变化热源、冷却水或 冷冻水其中一个量，其余量保持额定工况不 变。5.2.1 改变热源温度表 1 热源温度对制冷机性能影响表 3 冷冻水进口水温对制冷机性能的影响热水温度Qref kWCOP655.8860.376706.8470.398757.610.404808.3980.409859.1160.412随着热源温度的升高，制冷量迅速增大，COP 也呈增大趋势，但增大并不明显， 表明硅胶-水吸附式制冷机具有能够较好 利用低品位热源的特性。Qref 和 COP 的增 加幅度随着热源温度的提高而逐渐减小。 在冷热电联产系统中，若发电机烟气排气 温度降低，根据仿真结果表明吸附机的 COP 下降不大，变工况时比较稳定，因此 将吸附机作为冷热电联产的制冷部件是合 适的。5.2.2 改变冷却水进口水温表 2 冷却水进口水温对制冷机性能的影响冷却水进口水温Qref kWCOP2611.6750.4392810.3450.426309.1160.412327.8490.398346.610.385随着冷却水进口水温提高，Qref 下降， COP 也迅速下降，相比热源，冷却水水温 的波动对 COP 的影响更大，因此夏季工况 时冷却水温的控制尤为重要。5.2.3 改变冷冻水进口水温冷冻水进口水温Qref kWCOP105.1170.345125.9530.362146.7610.376167.5570.388188.3510.4209.1160.412229.8760.424冷冻水入口水温对 COP 的影响也比 较大，随着冷媒水入口水温的提高 Qref 和 COP 都显著增大。6. 结论本文通过吸附式制冷机动态数学模型， 基于 Simulink 平台实现了制冷机模块化仿 真，模拟了吸附式制冷机动态运行过程，以 及变工况对于系统性能的影响，为冷热电联 产系统模块化全过程仿真奠定了基础。具体 的结论如下：（1）通过 Simulink 平台可以实现吸附 式制冷的动态仿真，并且可与原动机连接组 合成冷热电联产系统进行仿真研究。（2）分析仿真计算结果，本文研究的吸 附式制冷机标准工况下制冷量为 9.116kW， COP 为 0.412，循环周期 40 分钟，如何提高 系统的传热传质效率是吸附式制冷机取得 突破的关键。（3）相比加热热源温度，冷却水与冷冻 水入口水温对系统 COP 影响更大，当系统 运行在变工矿状态下，应注意对冷却水与冷 冻水入口水温的控制。参考文献1 姚俊,马松辉.Simulink 建模与仿真M.西安：西安电子科技大学出版社，2002：9-12.2 D.C. Wang, Z.Z. Xia, J.Y. Wu, R.Z. Wang, H. Zhai, W.D. Dou. Study of a novel silica-gel water adsorption chiller. Part I. Design and performance predictionJ. International Journal of Refrigeration,2005,28(7)：1073-1083. 3 王如竹,代彦军.太阳能制冷M.北京：化学工业出版社,2007：220-222.4 A. Sokoda, M. Suzuki. Fundamental study on solar powered adsorption cooling systemJ. Journal of ChemicalEngineering Japan,1984,17(1)：52-57.5 B.B. Saha, S. Koyama, J.B. Lee, K. Kuwahara, K.C.A. Alam, Y. Hamamoto, A. Akisawa, T. Kashiwagi. Performance evaluation of a low-temperature waste heat driven multi-bed adsorption chillerJ. InternationalJournal of Multiphase Flow 2003,29：1249-1263.6 J. Di, J.Y. Wu, Z.Z. Xia, R.Z. Wang. Theoretical and experimental study on characteristics of a novel silicagel-water chiller under the conditions of variable heat source temperatureJ. International Journal of Refrigeration,2007, 30：515-526.7 R.Z. Wang, J.Y. Wu, Y.J. Dai, W. Wang, et al. Adsorption RefrigerationJ, China Machine Press, 2002. 8 王如竹,吴静怡,代彦军,王文,姜周曙.吸附式制冷M.北京：机械工业出版社,20019 吴静怡,王如竹,许煜雄.连续回热型吸附式空调/热泵循环特性与动态性能(I)模型与仿真J.化工学 报,2002,53(2)：144-149.Modularized Modeling And Simulation Of An AdsorptionChiller Based On Matlab-SimulinkLin Peng, Wang Ruzhu, Wu JingyiInstitute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China (200240)AbstractIn this article, a dynamic model for the 10kW silica gel-water adsorption chiller is developed usinglumped parameters method. Matlab-Simulink is used as the tool to realize the modularized simulation of this chiller based on its transient model. From the simulation results, the temperature of the adsorption bed, the outlet temperature of cooling and cold water and the impact of the heat and mass recovery are investigated. Also the influence on refrigeration capacity and COP under different working conditions is discussed in the article. The work has laid a foundation for further analysis and simulation of the CCHP (combined cooling, heating and powering) system.Keywords: adsorption chiller; modularization; simulation; dynamic performances; CCHP system