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吸收式制冷系统设计换热网络及优化点击：1612 日期：[ 2014-04-26 21:35:33 ] |
| 吸收式制冷系统设计换热网络及优化 陈彦霖,崔晓钰,郭广品 (上海理工大学,上海 200093) 摘 要：针对目前吸收式制冷系统消耗公用工程大,整机效率不高的问题进行了换热网络投资与公用工程联合优化,即首先通过夹点分析建立合理的换热网络,再计算选择最小传热温差等决策变量,通过建立并求解相应的非线性目标函数,编写计算程序得到联合优化结果。该方法对于合理设计吸收式制冷机系统,有效利用公用能源,提高系统整体效率有指导意义。 关键词：吸收式制冷系统;夹点分析法;优化 中图分类号：TB61 文献标识码：A 文章编号：1005—0329(2009)01—0067—05 1 前言 吸收式制冷机组与其他类型的制冷机相比有节能节电、环保且可利用低品位能源等诸多优点[1],我国从20世纪60年代初开始发展吸收式制冷装置,现在技术和生产工艺上已具有相当的水准,应用也日趋广泛[2]。但是相对于压缩式制冷而言吸收式制冷热力系数低,竞争力不够,因此进一步提高系统效率改善其热力循环是重要而紧迫的。 夹点技术是英国Bodo Linnhoff教授等于20世纪70年代末提出的换热网络优化设计方法,现已成功地用于多个工业生产过程,在世界各地产生了巨大的经济效益[3]。目前夹点法一般都应用于化工过程的优化设计,而用于制冷系统优化的还未见报道。本文试图用夹点法分析求取使得吸收式制冷系统的公用能源与设备经济费用最小的夹点温差,得到系统的最优化设计方案[4]。 2 算例分析 夹点温差对吸收式制冷系统公用能源与设备投资费用有十分重要的影响。下面举文献[4]中的一个设计算例来说明其具体影响作用。图1为溴化锂制冷机流程示意,图中标号为系统工质状态节点。系统的冷剂水流量qmd为0. 753kg/s;CP为热容流率即定压比热与流量之积,单位为kJ/(s·℃)。循环倍率为a=14. 43。溴化锂浓溶液与稀溶液的热容流率分别是21. 17和20. 24kJ/(·℃)。水与水蒸气的定压比热分别为4. 2和185kJ/(s·℃)。其他参数列于系统参数如表1所示。 如不考虑溶液热交换器,根据表1状态参数结合图1的流程划分冷、热物流(其中H表示热物流,C表示冷物流)结果列于如表2所示。 3 夹点分析 3.1 夹点位置的确定 (1)根据表2得到冷热物流数据,组合冷热物流组合曲线如图2所示。 夹点为冷热物流温差最小之处,位置处于图2中N点与A点的位置。 (2)由图2冷热物流温度曲线可绘制总组合曲线,根据温度标点将分成若干子网络,对应列出系统问题表格(一),如表3所示(这里夹点温度ΔTmin为5℃)。 对表3用式(1)、(2)进行网络热平衡计算[4]: 计算得各子网络的输入量Ik、输出量Ok、赤字量Dk,如表4所示。其中有外界输入热量,需根据夹点法原则计算,即在夹点位置即第一个子网络与第二个子网络之间没有热量输入输出。 结果显示系统所需的最小公用加热工程为2160. 4kW,最小公用冷却工程为3807. 5kW。 3.2 设计换热网络 根据表3、4设计换热网络: (1)子网络SN1:存在冷物流C2、C3。设置公用加热工程H1=101.2kW加热冷物流C2,另外设置公用加热工程H2=2059.2kW加热冷物流C3; (2)子网络SN2:存在冷物流C2,热物流H1、H2。根据经验规则应尽量选择热容流率相近的冷、热物流进行匹配换热,所以这里选取H2与C2换热。由于H2的热容流率大于C2的热容流率,所以H2只能部分与C2换热,热量为CPC2(94. 8-40) =1109. 2 (kW )。又已知C2的浓度为63. 5%,其结晶温度为38℃,所以即使C2与H2完全换热温度将降为47. 4℃,亦不会结晶。H2剩下的56.4kW的冷量需要设置公用加热工程来加热。另外,热物流H1需要设置公用冷却工程冷却,冷却量为76. 7kW。 (3)子网络SN3:存在热物流H2、H4。设置156.8kW的公用冷却工程冷却H2和1698.7kW的公用冷却工程冷却H4。 SN4+SN5的换热较简单这里不再分析。由以上分析得到优化的换热网络如图3所示。 3.3 夹点温差对公用工程的影响 将以上的优化网络与组合曲线结合起来计算最小传热温差为任意ΔTmin、循环倍率为变量a′、制冷剂流量为变量q且溴化锂浓溶液与稀溶液的定压比热分别为CPS、CPW时算例所给出的系统所消耗的公用工程量为: (1)热物流换热情况 H2剩余的这部分热量必须用公用冷却工程冷却,其中QH2为热物流H2的焓差。 (2)冷物流换热情况 由式(15)最终可得每小时公用工程费用与夹点温差的函数。由式(9)、(11)可见夹点温差ΔTmin越小,消耗的公用工程费用越少。但是不能无限制的减小,它的取值受到工艺水平的限制。 3.4 夹点温差对设备投资费用的影响 以发生器为例计算其投资费用。 取发生器传热系数Kg=1kW /(m2·K),则发生器的换热面积[5]: 同理可以得到冷凝器、吸收器、蒸发器、溶液热交换器的投资费用,如表5所示。 总的设备投资费用折旧(按十年使用年限每年使用3个月,每天使用13h计算)后为: 由式(16)可知设备的换热面积是夹点温差的函数,从表6、式(23)可以导出每小时设备投资费用与夹点温差的函数。另外,由表5可见,ΔTmin越小H2与C2的换热量越大,溶液热交换器的热负荷也就越高,势必要增加其换热面积增加设备投资费用。所以,应综合考虑系统的经济性,不要盲目追求最小的ΔTmin值。 3.5 确定最佳夹点温差 (1)选取目标函数:夹点温差直接影响到吸收式制冷机的公用工程费用与设备投资费用,我们选取每小时消耗的总费用为目标函数: (2)计算最佳夹点温差:编写VB程序计算最佳夹点温差。目标函数中有加热、冷却工程的单价、制冷剂流量、循环倍率等待定参数,可在VB的运行界面处输入这些参数。 4 实例分析 取112℃饱和蒸汽价格为50元/吨,冷却水的运行费用为0.4元/吨,就本文给出的算例计算得其各项费用与夹点温差ΔTmin的关系如图4所示。 输入不同的界面参数结果表明:公用工程费用与夹点温差ΔTmin呈线性正比关系;设备投资费用随ΔTmin的增大而减小且减小趋势越见平缓;总费用随ΔTmin的增大先减小而后增大,存在最佳匹配关系。 原设计样本系统夹点温差为5℃,系统相应换热器面积与公用工程费用如表6所示。 经过优化可以找到最佳夹点温差ΔTmin=6.9℃。由此最佳ΔTmin值设计换热网络可计算得到相应的最佳换热器面积与公用工程费用,如表7所示。 可见使用夹点优化技术对系统进行优化之后,按最佳加点温差设计系统,虽然初投资较高但是公用工程费用却降低了,总费用减少1. 3元/h,有一定节约。 5 结论 (1)分析系统中各冷热物流,构造工作物流组合曲线,找出了吸收式制冷系统的夹点位置; (2)用问题表格法计算出系统的最小公用工程量,设计了优化的换热器网络; (3)分析了公用工程费用与设备投资费用与夹点温差的关系,总结出夹点温差与总费用之间存在最佳匹配关系; (4)编写程序计算系统最佳夹点温差和相应的费用,计算结果可用于指导系统的换热网络面积与公用工程量等指标的设计,对于有效利用能源、节约投资、提高整机效率有指导意义。 参考文献 [1]Sedighi K, FarhadiM, LiaghiM. Energy analysis:parametric study on lithium bromide-water absorp-tion refrigeration systems [A]. Proceedings the IMECHE Part C Journal of Mechanical EngineeringScience[C]. 2007, 221(11): 1345-1351. [2]戴午子.溴化锂吸收式空调制冷机的发展与应用[J].制冷, 1999, 18(2): 76-78. [3]张济民.夹点技术及其应用[J].化学工程师, 2004,105(6): 45-47. [4]姚平经.全过程系统能量优化综合[M].大连:大连理工大学出版社, 1995. 12-20. [5]吴业正,韩宝琦.制冷原理及装备[M] .西安:西安交通大学出版社, 2004. 105-108. [6]黄为民.热工设备和系统的优化设计[M] .北京:高等教育出版社, 1998. 292. [7]Yuan Z,Herold K E. Thermodynamic Properties of A-queous Lithium Bromide Using a Multi-property FreeEnergy Correlation[J].Int. J. Heating, Ventilating,Air-conditioning and Refrigeration, 2005, 11(3): 377-393. |
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