基于 SIMULINK 平台的吸附式制冷机模块化.doc
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、赘述。这样才组成(1)式 中 表 面 扩 散 系 数Ds0 2.5410-4m2/s ,硅胶表明的活化能 Ea 4.2104J/mol,硅胶颗粒的平均半径 Rp7.110-4m,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
10、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 0.7245210-1 , A2 (Tc Ta )+m coolcp.w (Tcoo,lin Tcoo,lout)(8)-0.2395110-3,A30.2549310-6;Tcool ,out Tc KAc (9)
11、B0-15.587,B10.15915,B2-5061210-3,B30.5329010-6。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
12、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
13、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/(kgK);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/(kgK);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/(kgK) ;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
14、 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
15、 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
16、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
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