溴化锂制冷机热力学参数优化方法.pdf-资料库

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溴化锂制冷机热力学参数优化方法 http://www.paper.edu.cn 达拉，李维仲大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连（116024） E-mail：yeerdeng@yahoo.com.cn 摘要：溴化锂吸收式制冷机是以溴化锂溶液为工质,以各种热能为动力的制冷设备,在为保护臭氧层而限制生产CFC 制冷工质和电力供应日趋紧张的今天,耗电少、不含CFC的溴化锂吸收式制冷机的研制和应用越来越受到人们的关注。目前对它的设计主要还是以传统的方法为主，为了使溴化锂制冷机的结构参数达到最优，对溴化锂制冷机分别以热力系数最大且总传热面积最小，热力系数最大且冷却水流量最小等期望值为目标函数建立了优化数学模型，并编写了优化设计程序，从而得到了在这些优化目标下，制冷机结构参数的最优解。并将优化出的结果与优化前数据进行了比较，分析表明该设计对溴化锂制冷机的结构起到了合理的优化，制冷机性能得到了提高，充分说明了该优化设计的可行性和实用性。关键词：溴化锂制冷机，优化设计，数学模型 1. 引言溴化锂吸收式制冷机系统是在给定使用条件的前提下进行设计计算。传统的设计计算方法是借助于溴化锂水溶液（h-ξ）图；水及水蒸汽表等热物性图表直接查出或计算出热物性参数。同时，在设计计算中还需要一些参数的假设及范围的选择，计算繁琐、查图精度受限制，特别是考虑到外部参数变化对溴化锂吸收式制冷机要求设计上与之相适应时，传统的方法显得非常困难。利用计算机模拟设计过程，结合用户要求，组合成灵活、可变、通用性强的溴化锂吸收式制冷机系统参数设计及优化模块[1] [2]。在溴化锂吸收式制冷循环的设计计算中，引入如下假设[3]： (1) 在每一个部件(发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器) 中都满足热力平衡条件。 (2) 冷凝器压力同低压发生器压力相同。 (3) 冷凝器出口的冷剂水处于饱和状态。 (4) 蒸发器出口的冷剂蒸汽处于饱和状态。 (5) 忽略系统中的热损失和循环泵的耗功。热力计算必须满足系统总质量平衡、能量平衡及系统中各设备质量平衡和能量平衡总质量平衡 Σm in -Σ on =0 LiBr 质量平衡 Σ（mX） in -Σ(mX) on = 0 能量平衡没 Q + Σ(mh) in - Σ(mh) on = 0 式中 m －质量，kg ；X －浓度，kg/ kg。本论文中辅助计算程序分为三个部分:溴化锂溶液和水蒸气的热物性参数的设置;针对某特定热力循环的热力计算和传热计算;溴化锂吸收式热力循环的参数优化分析。在整个计算过程中要进行三次检查: (1) 放汽范围检查。如果由于用户给定的基本条件不合格，导致放气范围太小，或者干脆按照给定的初始条件，计算出的浓溶液浓度比稀溶液浓度还低，需要中断程序并且给用户相应的提示。 (2) 热平衡检查。如果通不过说明发生器和蒸发器的吸热量之和与冷凝器和吸收器的放热 - 1 -

http://www.paper.edu.cn 量之和之间偏差太大,需要调整相应的参数以保证能满足热平衡的要求。 (3) 冷却水流量检查。即按冷凝器和吸收器分别计算出的冷却水流量,如果偏差比较大,就无法通过冷却水流量检查,可以通过调节冷却水在冷凝器和吸收器的温升来解决。 2. 溴化锂吸收式制冷机优化设计的数学模型 2.1 优化设计数学模型优化是指在给定的约束条件下获得最好结果的行为。溴化锂吸收式制冷机的设计是一个决策过程，而决策的目的是使机组完成预定功能的投人最小、效益最高。因为所必须作的投入或所希望的效益均可以表示成一些决策变量的函数，所以优化过程也就是寻求给定函数极值条件的过程。溴化锂吸收式制冷机的优化问题首先必须用数学的形式加以描述，即建立问题求解的数学模型。优化设计的数学模型一般由设计变量、目标函数和约束条件三个要素构成。 2.1.1 溴化锂吸收式制冷机设计变量以串联流程溴化锂吸收式制冷机的设计计算为例。首先根据用户的要求给定下列必要的设计参数: 1.额定制冷量 0Q ； 2.冷媒水出口温度 out 4.冷却水进口温度 wt ； 5.热源加热压力。下列参数在设计过程中需要进行调整、优选的参数，这些独立参数即为优化设计中需要优 t ； 3.冷媒水进口温度 int ；选的设计变量，蒸发器蒸发温度与冷媒水出口温度的差值，吸收器出口处稀溶液温度与出吸收器的冷却水的差值，冷凝器冷凝温度与冷却水出冷凝器的温差，放气范围。 2.1.2 溴化锂吸收式制冷机设计的几个变量目标函数在进行溴化锂吸收式制冷机的优化设计时，有两个基本衡量标准，即机组的技术性能和经济性能，两者有着密切的内在关系。一般而言，描述溴化锂吸收式制冷机技术性能最常用的技术指标是性能系数COP，其定义为： COP=Q 0 /Q g （1）式中Q 0 —机组的制冷量，kW； Q g —热源的加热量，kW。显然，COP越大，则表明在制冷量不变的情况下，机组消耗的能量越少，机组的热力性能也就越优良。在不考虑机组加工工艺的情况下，若制冷量一定，机组消耗的材料越少，就意味着机组的成本越低，经济性能越高。目前，不同的溴化锂吸收式制冷机制造厂对同一种规格的机组所需的附件成本，彼此差异不大，机组成本主要体现为换热器中传热铜管数量的多少。若铜管的尺寸一定，传热面积的取决于传热铜管的数量。因此，在保证制冷量或负荷的前提下，机组的传热面积∑ F最小，机组的经济性能优良。在参考文献[4]的基础上，本文综合考虑机组的技术性能COP和经济性能F，建立了溴化锂制冷机优化设计的目标函数： η min =min{∑ F/COP } (2) 考虑到我国目前某些地区的水资源贫乏，在这些地区机组的冷却水流量V的相对于传热 - 2 -

http://www.paper.edu.cn 管的总面积更能代表机组的经济性能，因此机组的优化目标函数改为： η=V/COP (3) 当η min =min{V/COP }时，则为最优。为了让用户在选择优化时有更多的选择方法，我们又同时考虑传热管传热面积和机组的冷却水流量作为机组的经济性能。这时机组的优化目标函数为： η=（V+∑ F ）/COP (4) 当η min =min{（V+∑ F ）/COP }时，则为最优。以上是我们根据不同的经济性能分别得到的三种不同的优化目标函数。 2.1.3 优化约束条件在优化过程中，设计变量不断改变其取值，以期达到目标函数的最小值。由于设计变量的改变和取值要受到一系列的限制和约束，设计变量在设计中的取值范围、上下边界也都必须有一定的限制，这种问题自身对设计变量的一些限制条件，即构成了设计变量的约束条件。按照约束条件的性质不同，约束可分为边界约束(区域约束)和性能约束(功能约束或状态约束)，其数学表达式可分为等式约束和不等式约束两种形式。溴化锂吸收式制冷机优化设计数学模型的约束条件可写成下列统一的格式 g u (X) ≤ 0 u=1，2，…，p (5) h v (X)=0 v=1，2，…，q

http://www.paper.edu.cn 优化结果的比较：在给定的条件下，我们可以按照客户的要求输出 5 种不同的结果，分别是非优化结果，要求 cop 值最大的优化结果，力求总传热面积最大的优化结果，力求冷却水流量最小的优化结果，以及综合考虑技术性能和经济性能的优化结果。例如根据用户的条件，制冷量为 1730KW，冷媒水出机温度 7 摄氏度，进机温度 13 摄氏度，冷却水进机温度 29 摄氏度等，程序运行结果如下图 1 中的结论。图 1 优化与非优化的结果表较图整体优化，综合考虑机组的技术性能 COP 和经济性能∑ F，可将 η 设定为机组优化设计计算的优化目标函数，即 η=∑ F/COP，∑ F 为总算热面积和冷却水流量的综合。当 η min =min{∑ F/COP }时，则为最优。热力系数优化，单纯只考虑机组的 cop 值，η=COP。当 ηmax=maxCOP 时，则为最优。冷却水流量优化，只考虑机组的冷却水流量。η=∑ F/COP，其中∑ F 为冷却水流量。当 η min =min{∑ F/COP }时，则为最优。总传热面积优化，要求机组的总的传热面积最小。 η=∑ F/COP，∑ F 为总算热面积。当 η min =min{∑ F/COP }时，则为最优。经过比较发现，热力系数最高优化结果，相对于非优化结果，在相同的设计条件下，冷却水量可增加 45.765 立方米/小时，总面积可减少 20.35（即可节省 2.83%），热力系数提高了 - 4 -

http://www.paper.edu.cn 6.01%。冷却水量最小优化结果，相对于非优化结果，在相同的设计条件下，冷却水量可节省 61.33 立方米/小时（即可节省 13.53%），热力系数提高了 4.51%。总传热面积最小优化结果，相对于非优化结果，在相同的设计条件下，总面积可减少 83.15 平方米（即可节省 11.58%），热力系数提高了 3.27%。综合优化结果，相对于非优化结果，在相同的设计条件下，冷却水量可节省 43.58 立方米/小时（即可节省 9.70%），总面积可减少 20.004 平方米（即可节省 2.78%），热力系数提高了 5.57%。在实际设计中,因给定的条件不同,非优化变量值可以在很大范围内变化,因而优化计算结果也会相应有较大的改变。 3. 结论优化结果与优化前进行了比较，分析表明每种不同的优化方法得到的结果，相对于与非优化结果，都有一定的优势，制冷机性能得到了提高，充分说明了该优化设计的可行性和实用性。致谢值此论文完成之际，本人衷心感谢我的导师李维仲教授。论文从选题、开题、程序调试到最后完成都得到了导师的切实关怀和悉心指导。不仅如此，在两年多的学习生活中，导师更是给予了无微不至的关怀和指导。导师渊博的知识、严谨的治学态度和诲人不倦的精神，令学生受益匪浅，终生难忘。本文的完成还得益于良好的工作环境和学习氛围。感谢院领导和老师为我们提供的宽敞宁静的教研室，使我们能够心无旁骛地在优越的环境下学习工作，同时也感谢东明、陈聪、张一夫等同学，感谢制冷教研室全体老师的支持和关怀；感谢师弟师妹在每次阶段汇报中对我的研究工作提出的有建设性的意见。他们积极向上的精神、勤奋刻苦的态度、热情善良的性格时刻感染和鼓励着我，使我在温暖向上的集体里不断前进。最后感谢我的父母和我的哥哥姐姐，他们给了我最无私的帮助，无论在经济上还是精神上，他们都是我最坚强的后盾。最后，作者向所有理解、支持、帮助过我的人们，表示衷心地感谢! - 5 -

http://www.paper.edu.cn 参考文献 [1] 周建，辛玲，溴化锂吸收式制冷机模块化优化设计的研究，水利电力劳动保护，1996.6 [2] 张春发，陈海平，溴化锂吸收式制冷机模块设计及优化，华北电力大学学报，Vol.24,No.2,1997.4 [3] 刘存芳，刘振乾，蒸汽型溴化锂吸收式冷温水机组的设计及优化，制冷学报，1995.1 [4] 焦永刚，罗勇，溴化锂吸收式制冷循环的计算机模拟及优化研究，节能，2005 年第 6 期 Optimization analysis of Absorption Cooling System Dalian University of Technology, School of energy and power engineering Da La, Li Weizhong Abstract A Lithium Bromide absorption cooling system is driven by several of thermal energy with Lithium Bromide solutions as its working fluids. As the great harm to ozonosphere of CFCS refrigerants and today’s poor power supplies， Lithium Bromide absorption cooling systems become more and more popular because of its advantages， of less power needing and excluding CFCS. Unfortunately， the design of such good cooling systems is dependent on mainly manual calculation and drawing nowadays. Obviously， this traditional design methods cost more not only on time but also on money and designers. What’s more， it is impossible to get the optimal result when the results are achieved according to traditional calculation upon experience. To develop the design protocol， the thesis establishes optimal mathematical models. The models take maximum COP， minimum total heat transfer area and maximum COP minimum cooling water quality as their objects， respectively. A new simulation program is developed to obtain optimal designing parameters of the cooling system. Comparison is also made with traditional parameters and the results show that the cooling system is greatly optimized using the developed program and also indicate that the program is useful in engineering practice. Keywords: Lithium Bromide Cooling Systems, Optimal Design, mathematical models… 作者简介：达拉（1980－），男，硕士生，研究领域为溴化锂吸收式制冷系统优化以及AutoCAD 二次开发。 - 6 -

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