R134a-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)

1 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。R134a-DMF作为氟利昂工质对，制冷剂为R134a，吸收剂为DMF(二甲基甲酰胺)。R134a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R134a-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R134a-DMF吸收式制冷系统吸收器出口出现制冷剂(R134a)气体问题，提出R134a-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-ROB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R134a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

复合式制冷系统流程见图1。复合式制冷系统主要包括发生器、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R134a-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R134a-DMF稀溶液加热。由气液分离器1分离出的R134a气体经压缩机增压得到高压R134a气体。经热回收换热器加热后的R134a-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R134a气体与压缩机出口高压R134a气体混合后进入冷凝器，被冷凝为R134a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R134a-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R134a气体。完成1次循环。

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

3.1 物性方法的选择

针对R134a-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Regression功能，对实验数据进行回归拟合，并进行对比。结果显示，PENG-ROB物性方法相对误差最小，适用于R134a-DMF吸收式制冷系统。Coquelet等人[6]对R134a-DMF二元溶液相平衡实验数据进行拟合，拟合结果表明，PENG-ROB物性方法与合适的混合规则及NRTL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-ROB物性方法、PRWA物性方法(带有Boston-Mathias函数的PENG-ROB物性方法)、PR-BM物性方法(带有Wong-Sandler混合规则的PENG-ROB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-ROB物性方法精度最高。因此，本文选取PENG-ROB物性方法。

通过Aspen Plus软件内物性数据库可以得到PENG-ROB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-ROB物性方法。

3.2 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R134a-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Φg的计算式为：

Φg=qm,outhout-qm,inhin

式中Φg——发生器负荷，kW

qm,out——发生器出口气液混合物质量流量，kg/s

hout——发生器出口气液混合物比焓，kJ/kg

qm,in——发生器进口溶液质量流量，kg/s

hin——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ε的计算式为：

式中ε——热驱动性能系数

Φe——蒸发器负荷，kW

P——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)，kW

ICOP——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Aspen Plus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η的计算式为：

式中η——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R134a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

续表1

表2 复合式制冷仿真系统流股1初始参数

表3 压缩式制冷仿真系统流股1初始参数

3.5 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7.758 kW，热驱动性能系数为0.451，节电率为0.963。

续表4

表5 压缩式制冷仿真系统各流股运行参数仿真结果

4 系统性能评价指标影响因素分析

4.1 工况1

保持其他设定参数不变，在不同冷凝温度下，分析发生温度对复合式制冷系统蒸发器负荷、热驱动性能系数、节电率的影响。发生温度变化范围为80～96 ℃，冷凝温度变化范围为26～36 ℃，吸收器出口气相分率大于0，压缩机可正常工作。

不同冷凝温度下，发生温度对蒸发器负荷的影响见图4。由图4可知，当冷凝温度不变时，蒸发器负荷随发生温度升高而增大。主要原因为发生温度升高导致发生器出口R134a气体增多，使蒸发器负荷增大。当发生温度不变时，蒸发器负荷随冷凝温度降低而增大。主要原因为冷凝温度降低导致冷凝器出口制冷剂温度降低，由于电子膨胀阀开度不变，蒸发器进口制冷剂温度随之降低，最终导致蒸发器负荷增大。

图4 不同冷凝温度下发生温度对蒸发器负荷的影响

不同冷凝温度下，发生温度对热驱动性能系数的影响见图5。由图5可知，当冷凝温度不变时，热驱动性能系数随发生温度升高而减小。主要原因为发生温度升高导致蒸发器负荷与发生器负荷均增大，而蒸发器负荷增大速率小于发生器负荷增大速率，综合作用使热驱动性能系数减小。当发生温度不变时，热驱动性能系数随冷凝温度降低而增大。主要原因为冷凝温度降低导致蒸发器负荷与压缩式制冷系统制冷性能系数均增大，而蒸发器负荷增大速率大于压缩式制冷系统制冷性能系数增大速率，综合作用使热驱动性能系数增大。

图5 不同冷凝温度下发生温度对热驱动性能系数的影响

不同冷凝温度下，发生温度对节电率的影响见图6。由图6可知，当冷凝温度不变时，节电率随发生温度升高而增大，增大幅度很小。主要原因为发生温度升高导致复合式制冷系统单位制冷量压缩机耗电功率减小，节电率增大。当发生温度不变时，节电率随冷凝温度降低而增大，增大幅度很小。主要原因为冷凝温度降低，导致复合式制冷系统与压缩式制冷系统单位制冷量压缩机耗电功率均减小，而复合式制冷系统单位制冷量压缩机耗电功率减小速率大于压缩式制冷系统，综合作用使节电率增大。

图6 不同冷凝温度下发生温度对节电率的影响

4.2 工况2

保持其他设定参数不变，在不同R134a质量分数(吸收器出口气液混合物中)下，分析吸收温度对蒸发器负荷、热驱动性能系数、节电率的影响。R134a质量分数变化范围为0.58～0.64，吸收温度变化范围27～36 ℃，吸收器出口气相分率大于0，压缩机正常工作。

不同R134a质量分数下，吸收温度对蒸发器负荷的影响见图7。由图7可知，当R134a质量分数不变时，蒸发器负荷随吸收温度升高而增大。当吸收温度不变时，蒸发器负荷随R134a质量分数增大而增大。主要原因为吸收温度升高与R134a质量分数增大，均导致吸收器出口气相分率增大，进入压缩机的R134a气体增多，而系统中R134a-DMF总质量不变，经气液分离器1进入溶液循环泵的R134a-DMF溶液质量减少，进而导致由发生器进入制冷循环的R134a气体减少。而进入压缩机的R134a气体增加速率大于由发生器进入制冷循环的R134a气体减少速率，综合作用使蒸发器负荷增大。

图7 不同R134a质量分数下吸收温度对蒸发器负荷的影响

不同R134a质量分数下，吸收温度对热驱动性能系数的影响见图8。由图8可知，当R134a质量分数不变时，热驱动性能系数随吸收温度升高而减小。当吸收温度不变时，热驱动性能系数随R134a质量分数增大而减小。主要原因为吸收温度升高与R134a质量分数增大，均导致进入压缩机的R134a气体增多，压缩机耗电功率增大，使热驱动性能系数减小。

图8 不同R134a质量分数下吸收温度对热驱动性能系数的影响

不同R134a质量分数下，吸收温度对节电率的影响见图9。由图9可知，当R134a质量分数不变时，节电率随吸收温度升高而减小。当吸收温度不变时，节电率随R134a质量分数增大而减小。主要原因为吸收温度升高与R134a质量分数增大，均导致进入压缩机的R134a气体增多，复合式制冷系统单位制冷量压缩机耗电功率增大，使节电率减小。

图9 不同R134a质量分数下吸收温度对节电率的影响

5 结论

① 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。

② 当R134a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R134a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。