基于MATALAB的溴化锂吸收式制冷机仿真模型的建立及研究

韩静

(长沙民政职业技术学院电子信息工程学院，湖南长沙 410004)

0 引言

溴化锂机组采用溴化锂作为吸收剂，水作为制制冷剂，具有不污染环境、消耗电能少等优点，同时它具有一机多用、自动化程度高的优点。但是溴化锂吸收式机组具有许多不同循环流程，因此希望建立实验模型对系统运行进行热工模拟计算，从模拟计算结果判断系统运行的可行性与经济性，为溴化锂吸收式制冷的优化设计以及机组运行的节能经济性提供科学定量分析的依据[1]。

本文以图1中双效并联溴化锂吸收式制冷机组为例，研究从参数控制、不同热交换设备模型建立、系统组合、计算程序的设计到仿真模拟等具体过程。

建立起得系统模型通过模拟仿真不仅可以迅速计算出溴化锂冷水机组各状态点(图1中1-24)的参数，研究出参数间相互匹配的关系，还可以进行参数优化。针对溴化锂机组型式的多样化，该系统模型中包含了循环中各部件的模型，这些模型既可以独立又可以组合成不同溴化锂循环系统。

1 几个基本假设

制冷剂和溶液在系统中各处的状态参数及流量不随时间的变化而变化。

忽略系统中管壁、容器壁的热容量，忽略系统各处管内的流动损失及各热交换器中管壁散热和传热的损失，认为各处溶液处于均匀状态。

换热过程中除有相变的换热器外其余均采用板式换热器，换热过程视为逆流换热(有相变采用管壳式换热器)。

系统中各设备内均满足热力平衡的条件。

蒸发器出口制制冷剂蒸汽一般循环过程中为饱和状态。

冷凝压力与低发压力相同。

冷凝器出口制制冷剂水处于饱和状态。

冷凝器出来的制冷剂水经节流后进入蒸发器，此过程视为等焓。

2 理论模型

各部件经济换热温差及溴化锂溶液的物性计算公式参考文献[1]的经验公式。依据质量及能量的平衡原理，建立各部分的数学模型如下：

2.1 蒸发器模型

输入参数：冷却水进口温度t14，冷却水出口温度t15，制制冷剂的总量D，冷凝器的出口制冷剂水的温度t10；

输出参数：蒸发器的出口制冷剂蒸汽的参数及制冷量Qe。

2.2 高压发生器模型

输入参数：热源温度t5，高压发生器的压力Ph，稀溶液的入口浓度3ξ及焓值h3；

输出参数：高压发生器中浓溶液的质量m2及浓度2ξ、焓值h2，高压发生器产生制冷剂蒸汽的压力1P、温度t1、焓值h1、质量D1，以及高压发生器放出的热量Qh。

2.3 高温热交换器模型

2.4 低压发生器模型

低压发生器不同于其它热交换器，它存在热源相变的问题，通过计算得出，低压发生器所放出的制冷剂蒸汽量达到最大时，系统对应的制冷量才有可能达到最大值。采用拉格郎日乘数法求极值，建立如下方程：

已知：

(1)建立低压发生器能量平衡方程如下：

整理得出极值控制条件1：

(2)假设高压发生器内产生的制冷剂蒸汽经过低压发生器后为湿蒸汽状态(汽、液混合状态，水占高压发生器放出的总制冷剂的质量比值为x)，其中放出的潜热用来加热稀溶液8到比低压发生器压力下稀溶液饱和温度低2℃的状态8’，显热用来加热8’到浓溶液状态9。

由此建立能量平衡方程如下：

整理得出极值控制条件2：

建立极值求解方程如下：

则通过：

计算得出低压发生器出口浓溶液浓度9ξ、质量m9及高压发生器内产生的制冷剂蒸汽经过低压发生器后饱和水比值x。通过前面给出的公式进一步可以得出低压发生器出口浓溶液温度t9、焓值h9。

输入参数：低压发生器压力Pl，低压发生器入口稀溶液浓度焓值h8及其饱和温度ts8；

输出参数：低压发生器产生制冷剂蒸汽的温度t7、焓值h7，高压水蒸气出口焓值h6、质量m6，低压发生器浓溶液浓度9ξ、温度t9、焓值h9、质量m9，以及低压发生器放出的热量Ql。

2.5 低温热交换器模型

输出参数：低温热交换器中稀溶液出口的焓值h8、t8、出口浓溶液浓度、焓值。

2.6 冷凝器模型

输入参数：冷却水出口温度，低压发生器制冷剂焓值、质量，高压发生器制冷剂焓值及质量；

输出参数：冷凝压力cP，制冷剂水的出口质量、温度及焓值h10，冷却负荷Qc。

2.7 吸收器模型

输入参数：制冷剂水蒸气的压力aP、质量m18、焓值h18，吸收器入口浓溶液的焓值及质量m20，冷却水入口温度t17；

输出参数：稀溶液的温度t19、焓值h19及浓度ξ19，冷却负荷Qa。

3 计算程序

笔者采用MATLAB产品中的图形化工具Simulink，它可以进行动静态系统建模、仿真及综合性分析。

整个计算程序是由各个部件的计算子程序组成，其中在程序运行过程中，控制结晶是非常重要的。笔者以双效并联蒸汽压缩溴化锂吸收式系统为例，说明其计算程序编制的流程如图2所示。

图2 系统模型流程图

图3 双效并联系统模型框架图

4 系统模型

整个系统基本模型划分见图3。

整个系统模型包括以上框架图中介绍的模型，此外还有一些小的模块。

图3模型界面是在图1系统图基础建立起来的。显示的模拟数据前提条件：高压发生器压力40000Pa，冷却水入口温度为32℃，冷冻水供回水温度为7/12℃，热源水温度从120℃每升高5℃～150℃时系统COP值及制冷量。

5 结论

本文以双效溴化锂吸收式机组为例介绍了从数值分析到建模的过程，为其余型式机组的建模提供参考。通过系统模型可以分析相同条件下不同机组的运行效果及同一机组在不同条件下的运行效果。此外，系统模型的建立对于机组改造创新的研究也提供了理论依据。

当今社会无论如何发展，能源与节能将一直是社会发展不可偏离的方向和我们永远研究的一个课题，而溴化锂吸收式机组的应用及与热电的结合让我们看到了它不可替代的社会地位。