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空压机性能的研究与动态模型建立

空压机性能的研究与动态模型建立


  随着集中空调系统的大量应用,电力需求急剧增加,导致(cause)部分地区用电高峰时段电力紧缺。为解决这一问题,蓄能空调技术开始受到重视。目前应用较多、技术相对成熟的蓄能技术当属冰蓄冷技术,但冰蓄冷技术还不能完全解决湿热地区室内空气(Basin air)除湿及提高空调舒适性的问题。为此,笔者提出了一种先进的蓄能空调技术DDD变质量能量转换及储存技术,该技术有闭式和开式两种工作循环类型。本研究主要目的是揭示开式蓄能除湿空调系统运行中能量转换及储存过程质能的变化规律、系统内溶液参数及各设备(shèbèi)工作参数和负荷随系统运行时间的变化关系。
  1系统(system)工作循环和流程开式蓄能除湿(Dehumidify)空调系统工作流程如所示。
  采用全量蓄能策略时,用电低谷时段控制阀V4开式蓄能除湿(Dehumidify)空调系统工作循环和流程(liú chéng)开,V1关,溶液(Solution)泵将少量溶液送入发生/冷凝器,由辅助加热器加热这部分溶液;发生/冷凝器内的压力升高到设计压力,加热器停止(stop)工作;压缩机(compressor)启动,溶液泵再次将溶液储罐内溶液加压,并经溶液换热器加热后喷淋在发生/冷凝器的换热管束外;溶液受热产生过热水蒸气,经加湿降温处理后进入压缩机;压缩后的水蒸气在换热管束内冷凝,冷凝热传给管束外溶液作为发生热;大部分凝结水进入水储罐;出发生/冷凝器的溶液经换热器降温后流回溶液储罐。昆山空压机是回转容积式压缩机,在其中水或其它液体当作活塞来压缩气体,然后将气体排出。随着上述过程的进行,溶液储罐内溶液质量逐渐减少,溶液浓度逐渐增大,溶液化学势增大。
  当溶液储罐内溶液浓度达到设计值后,充能过程结束,压缩机(compressor)停止运行,V4关,V1开。
  释能时,储罐内水和溶液分别进入蒸发器和吸取器;产生的水蒸气进入吸取器被溶液吸取;出吸取器的溶液经再循环泵加压送入除湿器,吸取空气中的水;出除湿器的稀溶液分流,一部分通过阀V3与来自溶液储罐的浓溶液混合进行循环,保证除湿器有合适的气液比,另一部分进入溶液储罐;出蒸发器的冷水部分进入室内风机盘管系统,承担室内冷负荷,另一部分引入除湿空调器,承担新风降温冷负荷,由此达到对显热负荷和潜热负荷的分别处理(chǔ lǐ)。随着上述过程的进行,溶液储罐内溶液质量逐渐增加,溶液浓度逐渐降低,溶液化学势减小,储存能量转换成冷量和除湿能。释能结束后,水储罐内多余水被排空,系统完成一个工作循环,所用时间为24 h.
  因溶液储罐内溶液物性参数均随时间而变,导致蓄能除湿空调系统运行特性、设备负荷等参数也随时间而变,系统运行过程(guò chéng)是动态的,需要采用数值方法对系统循环热力过程进行求解。
  开式蓄能除湿空调系统可采用的工作溶液有溴化锂、氯化锂、氯化钙和三甘醇等水溶液,它们都各有特点。在溶液除湿领域(field)内,氯化锂水溶液具有比较好的工作特性而被广泛使用,本文对采用氯化锂水溶液作为工作溶液的蓄能除湿空调系统进行研究。
  2动态数学模型
  2. 1建模假设在建立开式蓄能除湿空调系统运行过程(guò chéng)动态数学模型(model)前,需对系统工作过程作如下简化:1)忽略流体的流动阻力(resistance)和泵消耗的功;2)不考虑系统启动时的升压过程;3)忽略发生/冷凝器内的存液量;4)忽略系统各设备热容;5)系统内各设备充分绝热;6)任何时刻溶液储罐内溶液质量分数和温度分布均匀。
  2. 2动态模型建立为便于建立动态模型,可将所示的蓄能系统分成若干个模块(模块的划分比较随意,可以将蓄能系统内的某一部件作为一个模块,也可以将多个部件作为一个模块) ,分别对每一模块建立质量及能量动态平衡方程,然后联立这些方程进行数值求解。
  任意时刻τ,第k个模块的质量动态平衡方程为d m k(τ)dτ=∑d m k ,i(τ)dτ-∑d m k ,o(τ)dτ(1)0 =∑d m k ,i(τ)dτξi(τ) -∑d m k ,o(τ)dτξo(τ)(2)式(1) ,(2)中m为质量,kg ;ξ为LiCl的质量分数;下标i ,o分别表示进、出第k个模块界面的流股。
  第k个模块的能量动态平衡方程为d E(τ)dτ=∑d Q k ,i(τ)dτ+∑d m k ,i(τ)dτh k ,i(τ) -∑d Q k ,o(τ)dτ-∑d m k ,o(τ)dτh k ,o(τ)(3)
  式中E为能量,kWh或MJ ;Q为热量或冷量,kWh或MJ ;h为比焓, kJ/ kg.
  压缩(compression)机功率为N
  (τ) = d m w dτ+ d m 1(τ)dτ act =
  ( m wv + m 1) isηis(4)式中N为压缩机的功率,W ;m w为水储罐中水的质量,kg ;m 1为加湿器中水的质量,kg ;h 1和h 11分别为压缩机出口和入口水蒸气的比焓,kJ/ kg ;m wv为出发生/冷凝器的水蒸气质量流量,kg/ s ,等于进入水储罐的冷凝水的质量流量m w;m 1为喷入加湿器的水的质量流量,kg/ s ;η为压缩机效率;下标act指实际过程,is指等熵压缩过程。
  压缩(compression)机所消耗的电能为W c(τ) =∫τ0 d W c(τ)dτdτ=∫τ0 N
  (τ)dτ(5)各储罐中溶液或水的质量和能量的变化为m ss(τ) = m ss(τ) |τ= 0 +∫τ0 d m ss(τ)dτdτ(6)E ss(τ) = E ss(τ) |τ= 0 +∫τ0 d E ss(τ)dτdτ(7)m ws(τ) = m ws(τ) |τ= 0 +∫τ0 d m ws(τ)dτdτ(8)E ws(τ) = E ws(τ) |τ= 0 +∫τ0 d E ws(τ)dτdτ(9)式(6)~(9)中下标ss指溶液储罐,ws指水储罐。
  蒸发器、吸取器和水储罐冷却(cooling)器的换热量为Q e(τ) =∫τ0 d Q e(τ)dτdτ(10)Q ab(τ) =∫τ0 d Q ab(τ)dτdτ(11)Q ws(τ) =∫τ0 d Q ws(τ)dτdτ=∫τ0 c p ,w(τ) d m w(τ)dτdτ(12)式(10)~(12)中c p ,w为水的比定压热容, kJ/(kg ℃) ;t 3和t 4分别为进入水储罐的冷凝水温度和水储罐出口水温,℃;下标e指蒸发器,ab指吸取器。文气/液质量流量比小于
  2. 3时,绝热除湿过程可近似看作等温除湿过程。金沙澳门官网在启动前,首先启动油泵控制系统,油泵控制系统启动后保证空压机各润滑部件润滑良好,同时油泵控制系统可通过内置的温控阀来调节内部油压和油温,以满足系统需要。在小气液比条件下,新风处理过程可以看作是先等温除湿,后等湿冷却降温的过程。
  等湿冷却降温过程能量平衡方程为d Q a(τ)dτ= d m a(τ)dτ- 2 500 d m a(τ)dτ(13)式中d为湿空气含湿量,g/ kg ;下标a指湿空气。
  τ时刻,新风处理过程带入系统的能量(energy)以及等湿冷却降温过程消耗的冷量分别为E a(τ) =∫τ0 d m a(τ)dτdτ(14)Q a(τ) =∫τ0 d Q a(τ)dτdτ(15)进出系统的能量必须守恒,这是检验充、释能过程数值模拟是否准确的重要判据,即W c(τ) + Q e(τ) + = E ss(τ) + E ws(τ) + Q ab(τ) + Q ws(τ)(16)需要注意的是,新风除湿过程释放的热量最终通过吸取器排出,而新风冷却降温过程所消耗的冷量是由蒸发器提供的,排热量Q a计入蓄能系统的制冷量中。昆山空压机是一种用以压缩气体的设备。空气压缩机与水泵构造类似。大多数空气压缩机是往复活塞式,旋转叶片或旋转螺杆。离心式压缩机是非常大的应用程序。
  3算例以我国南方高湿地区办公建筑除湿空调工况为例,对该系统按全量蓄能策略运行时的工作过程(guò chéng)进行数值模拟,得到该蓄能系统在除湿空调工况下运行参数随时间的变化关系。蓄能除湿空调系统如所示。系统对建筑物的显热和潜热负荷分别进行处理,即采用无回风的独立新风系统,建筑物湿负荷由新风承担,切断了室内病菌的传播途径。
  空调建筑新风量12 760 m 3 / h ,19 :00后新风量减小。设计日室外气温变化范围为27~35℃,平均相对湿度为75 %。处理(chǔ lǐ)后的新风温度为25℃,相对湿度为45 %。设计日逐时空调总负荷、新风负荷、室外温度及冷却水温度所示。系统蒸发温度为7℃,溶液换热器冷端温差为10℃,发生压力(pressure)为40 kPa ,压缩机等熵效率(efficiency)为60 %,吸取
  器出口温度比冷却水入口温度高5℃。设定除湿器内气液比为
  1. 36.系统充能时间为10 h
  (22 :00~8 :00) ,充能时段无空调负荷;释能时间为14 h(8 :00~22 :00)。
  4数值模拟结果及分析经数值模拟,设计日充能开始时刻,两储罐内溶液(Solution)或水的参数分别为:ξss(τ) |τ= 0 = 0. 387 0 ,m ss(τ)|τ= 0 = 28 123 kg
  (V ss | max = 
  2
  2. 43 m 3) ,t ss(τ)|τ= 0 = 3
  3. 3℃,m ws(τ) |τ= 0 = 0 kg.
  系统充、释能过程各储罐内溶液或水的质量和能量随时间的变化如图5所示。充能过程溶液储罐内溶液质量逐渐减少,能量逐渐增加;而水储罐内的质量和能量均增加。水储罐水温保持恒定(28℃) ,因此其能量的增加只是因质量增加的缘故。
  溶液储罐内溶液能量(energy)变化受两因素影响(influence),一是储罐内溶液浓度变化使其化学势变化,导致溶液潜能发生变化;二是溶液温度变化,使溶液显能发生变化。
  释能过程(guò chéng)储罐内质量和能量的变化与充能过程正好相反。充、释能过程中各储罐内溶液或水的质量和能量随时间的变化溶液储罐内溶液温度和LiCl质量分数随时间的变化如所示。充能过程溶液储罐内水分不断减少,LiCl质量分数不断增大,充能结束时达到最大,为50. 2 %。储罐内溶液温度升高的原因是,出溶液换热器的浓溶液温度比储罐内溶液温度高10℃,热量被浓溶液带入储罐并积累,使储罐内溶液温度升高。
  充、释能过程中溶液(Solution)储罐内溶液温度和LiCl的质量分数随时间的变化充能结束时各储罐内的参数分别为:m ss |τ= 10 h = 21 680 kg ,ξss(τ) |τ= 10 h = 0. 502 ,t ss(τ) |τ= 10 h = 6
  3. 8℃,m ws(τ) |τ= 10 h = 6 443 kg
  (V ws | max = 
  6. 57 m 3)。释能过程结束时,溶液储罐内溶液参数(parameter)恢复到充能开始时刻的值。而水储罐内剩余的水量为m ws(τ) |τ= 14 h = 1 960 kg ,这部分水被排掉。
  充能过程溶液储罐内LiCl浓度逐渐增大,发生温度不断升高,导致压缩机出口压力(p c)和温度升高。压缩机吸入压力不变(p g = 40 kPa) ,则压缩机压缩比(Γ= p c / p g)随之增加。为避免压缩机排气温度过高,采用湿压缩方式。模拟计算时,压缩机出口水蒸气(简称水汽)始终处于饱和状态。为满足这一条件,可调节喷入加湿器的水流量(m 1) ,改变湿蒸气干度。经数值模拟,充能过程喷入减温器的水流量从0. 034 4 kg/ s逐渐增大到0. 046 7 kg/ s ,相应出加湿器的水蒸气干度从0. 849逐渐降低到0. 816.由于吸入的湿蒸气质量流量和压缩比均随充能时间而增大,故压缩机所需的功率(N)也逐渐增大,从充能开始时的14
  9. 7 kW增加到结束时的19
  2. 9 kW.
  随充能时间的变化释能过程压缩(compression)机停止(stop)工作,系统(system)依靠储存在溶液(Solution)储罐内的溶液潜能(Potential)完成制冷和除湿工作。释能过程各换热设备热负荷随时间的变化如图9所示。
  吸取器不仅负担来自蒸发(evaporation)器的负荷,还负担来自除图9释能过程(guò chéng)各换热设备的负荷随时间的变化湿器的负荷,热负荷较大。与除湿过程的潜热负荷比,除湿后新风冷却所需的冷负荷很小。除湿过程最大潜热负荷为15
  2. 1 kW ,而新风冷却所需的最大冷负荷为4
  2. 79 kW.蒸发器负荷包括室内空调负荷和新风冷却负荷两部分。
  显示了释能过程流过各控制(control)阀和再循环泵的溶液质量流量随时间的变化。金沙澳门官网平台主要噪声源是进、排气口,应选用适宜的进排气消声器。空压机进气噪声的频谱呈低频特性,进气消声器应选用抗性结构或以个、抗性为主的阻抗复合式结构。空压机的排气气压大,气流速度高,应在空压机排气口使用小孔消声器通过控制阀V1
  释能过程流过各控制阀和再循环泵的质量流量随时间的变化和V2的溶液质量流量随时间的变化关系相同,也与空调逐时总负荷变化规律相似,两者的流量差是溶液吸取的总水流量。在释能开始阶段,因溶液储罐内溶液中LiCl质量分数高而空调总负荷低,通过V2控制阀的溶液质量流量较小。随着释能过程的进行,溶液储罐内溶液中LiCl质量分数逐渐降低而空调总负荷逐渐增加,通过V2控制阀的溶液质量流量迅速增大,其原因在于当空调负荷逐渐增大时,需要更多的浓溶液来吸取来自蒸发器的水蒸气。到16 :00时空调总负荷开始降低,尽管这时溶液储罐内溶液中LiCl质量分数已经降低,但通过V2控制阀的溶液质量流量也开始减小。因此通过数值模拟可以知道,空调负荷对流过各控制阀的溶液流量影响更大。在模拟计算中,吸取器出口溶液质量流量受除湿器中气液比限制,流量变化不大(19 :00以后新风流量降低,进入除湿器的溶液流量也随之减小)。
  而吸取器入口溶液质量流量等于吸取器出口质量流量减去进入蒸发器的水流量。与溶液质量流量相比,水流量要小得多。故吸取器入口溶液质量流量变化规律与出口质量流量相似,并等于通过V2和V3的溶液质量流量。因此,通过控制阀(Control valve)V3的回流溶液的质量流量变化正好与通过控制阀V2的溶液质量流量相反。
  5系统COP及有效蓄能密度开式蓄能除湿空调系统的循环CO P为CO P =∑Q e +∑( E a - Q a)∑W c = 2。55蓄能密度是评价蓄能系统的另一项重要指标,可以作为衡量蓄能系统体积利用率的一个尺度。
  定义有效体积蓄能密度为系统输出能量与储罐总容积之比,即SD = 0185(Q e + E a - Q a) | ss V ss | max + V ws | max = 0185(Q e + E a - Q a) | ss m ssρss max + m wsρws max = 1
  30. 4 kWh/ m 3 = 46
  9. 6 MJ/ m 3式中系数0. 85是考虑到液体受温度和压力影响而膨胀储罐需要留有一定的空间(space);V ss | max和V ws | max分别为计算得到的在最大储液量时储罐的容积;(Q e + E a - Q a) | ss为系统储存的能量转换输出的冷能和除湿潜热量。
  6结论采用全蓄能策略运行开式蓄能除湿空调,压缩机在夜间用电低谷时段运行工作,将夜间富裕的电能转换成工作溶液的化学势能并储存起来;白天用电高峰时段压缩机不工作,系统依靠存储在溶液储罐内的溶液化学势完成制冷(Refrigeration)及除湿的目的,能够很好地起到削峰填谷的作用。金沙澳门官网平台主要噪声源是进、排气口,应选用适宜的进排气消声器。空压机进气噪声的频谱呈低频特性,进气消声器应选用抗性结构或以个、抗性为主的阻抗复合式结构。空压机的排气气压大,气流速度高,应在空压机排气口使用小孔消声器
  该蓄能除湿空调系统的蓄能原理、运行方式和循环热力计算与常规蓄能空调完全不同,不仅可以缓解高峰用电紧张的矛盾,同时还有如下特性:1)用水作为制冷剂,OD P和GW P均为0 ,对环境无任何损害;2)压缩(compression)机吸入压力与蒸发压力无关,可以通过提高发生压力来减小蒸汽压缩机的尺寸;3)储存的能量既可转换成冷量供建筑空调使用(use),还可转换成除湿潜热供新风除湿处理(chǔ lǐ)使用;4)系统的蓄能储罐结构简单,有效蓄能密度大;5)系统输出冷水的温度(temperature)与普通集中空调系统内制冷机组输出冷水的温度相同,可以比较容易地将普通空调系统改造成蓄能空调系统,而不需要改动投资较大又较难改造的空调管路和末端系统。
  本文数值模拟计算结果(result)的分析对了解开式蓄能除湿空调系统工作特性有很大的帮助,这些计算结果也是蓄能系统设计、设备选型或设计、运行控制、技术经济评价等的基础数据。作为一种新的能量转换及储存技术,其所具有的工作特点与其他蓄能技术完全不同。该技术不仅可对电力负荷起到削峰填谷作用,而且具有较高的能量转换效率和较大的溶剂有效蓄能密度,有着良好的开发和应用前景。


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