基于Simulink 的太阳能单效溴冷机模拟

孙红磊 张 柯 孙苏芮 王德昌

（青岛大学 机电工程学院，山东 青岛266071）

单效溴化锂吸收式制冷是最简单常见的太阳能制冷方式，单效机组可充分利用废热、余热、太阳能等低品位热能，因而从经济性和能源利用效率的角度来讲，单效溴化锂吸收式制冷机是具有最低总成本，操作应用最简单的制冷技术。Al-Alili[1]等人对太阳能驱动的单效吸收制冷循环进行了热量和经济分析，以评估该机组在阿布扎比气候下的表现。Assilzadeh[2]等人对一种太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统进行了研究，他们通过TRNSYS 模拟了系统性能，该系统使用真空管太阳能集热器，每天工作约5 小时，集热面积为35 平方米，制冷量为3.5kW。Syed[3]等人研究了一种平板集热器驱动的太阳能单效溴化锂吸收式制冷机，该系统集热面积为49.9 平方米，制冷量为35kW，通过进行实验得到的最大瞬时COP 和日平均COP 分别为0.60 和0.42。

综上所述，太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统应用广泛，故本文应用Simulink 对单效机组进行模拟，以探究其系统特性。

1 太阳能单效机组介绍

太阳能吸收式溴冷机，主要由太阳能热利用系统以及吸收式制冷系统两大部分组成。太阳能驱动的溴化锂吸收制冷系统工作流程如下：太阳能集热器吸收太阳能给热媒水加热，使水温升高。升温后的热媒水进入发生器并对其中溶液加热，制冷剂水由于温度的不断上升并达到饱和点后，蒸发为气态，而气态制冷剂经过冷凝器冷却成常温液态制冷剂。液态制冷剂再经过膨胀阀节流，减压降温后进入蒸发器中，吸收了外界的热量，从而实现了制冷过程。实现该过程以后，制冷剂水进入吸收器，并与发生器里回流的吸收剂浓溶液混合，再由溶液泵输送至发生器，从而完成了一次循环过程[4]。

图1 单效溴化锂吸收式制冷系统结构图

2 太阳能单效机组模型

太阳能瞬时集热效率为：

其中，对于真空管式太阳能集热器，集热器瞬时效率截距a取0.52，；Tin为太阳能集热器入口水温，K；Ta为环境温度，K，集热器瞬时效率斜率b 取1.56。

在单效吸收式制冷系统中，换热器的数学模型按照集总参数法处理。下面以发生器模型为例，其它换热器模型可参照参考文献[5]，这里不做赘述。

连续性方程：

组分守恒方程：

能量守恒方程：

蒸汽连续性方程：

体积守恒方程：

其中，Mge，sol为溶液质量，kg；Xw和Xs为浓、稀溶液浓度，Cp，sol为溶液的比热，J/kg·K；Tge，sol为溶液的温度，K；Q1为热水向溶液的放热量，W，qm1，w和qml，s分别为进入发生器的稀溶液和流出发生器的浓溶液的质量流量kg/s；h1，w和h1，s分别为流入发生器的稀溶液和流出发生器的浓溶液的比，J/kg；qm，v为发生器产生的蒸汽的质量流量，kg/s；hv为发生器产生的蒸汽的比焓，J/kg。

3 太阳能单效机组仿真与分析

根据第二节中的数学模型，在Simulink 软件上对太阳能单效机组进行建模与仿真，以相同的太阳能辐照度在单效机组中运行一周情况如图2 所示。

图2 单效机组一周运行情况

制冷量与COP 随热媒水温度变化曲线如图3 所示，随着热媒水温度从90℃上升到100℃，制冷量由4.62kW 提高到5.19kW，制冷量整体呈现上升趋势且增速渐缓，COP 同制冷量变化趋势相似，并当热媒水温为100℃时，COP 取得最大值0.715。导致该现象的原因在于，随着热水温度的持续升高，发生器中溶液温度增大，这一方面使得溴化锂溶液浓度增大，另一方面使得进入冷凝器的冷剂蒸汽量增大，进而导致冷凝压力增大，使蒸发器中冷剂水换热量增大，从而使制冷量增大。然而，热水温度也不能一味地升高，当发生器中浓度过高时，溶液热交换器浓溶液出口侧易发生结晶，在热水温度90℃-100℃范围内变化时，系统无结晶风险，故当热水温度为100℃时，制冷量取得最大值5.19kW。

图3 制冷量与COP 随热水温度变化曲线

4 结论

基于Simulink 对太阳能单效溴冷机进行了建模仿真，单效机组在某典型周内的系统性能符合实际，热媒水在90℃-100℃区间内，系统制冷量与COP 都呈现上升趋势且增速渐缓。