1、内容列表在 SciVerse：应用热工期刊主页: 的一个 LiBreH2O 吸收式制冷系统的最小化模型每年的营运成本卡洛斯鲁比奥玛雅，*，J.耶稣帕切科 - 伊瓦拉胡安M. Belman-弗洛雷斯 B，A ，塞尔吉奥河高尔文- 冈萨雷斯 门多萨的 Covarrubias crisanto机械工程学院，EDIF。瓦，铜，UMSHN 。莫雷利亚，米却肯州，墨西哥，CP58030，墨西哥多学科研究部，工程部，校园 Irapuato 萨拉曼卡，瓜纳华托大学，Yuriria，GTO，墨西哥文章信息文章历史：收稿 2011 年 9 月 8 日接受 20 2011 年 12 月可在线 2011 年 12
2、月 28 日关键词：吸收式制冷优化NLP 的（火用）成本分析LiBreH2O摘要在这里提出一个 LiBreH2O 吸收式制冷系统年度经营成本最小化作为目标函数的优化。建立优化问题是非线性规划（NLP）的模型，它允许在一个简单的和结构性的问题方面制定方法，减少典型的热系统的复杂性。该模型是由三个主要部件：热力学模型基础上的（火用）概念，还包括适当的配方为的 LiBreH2O 混合物的热力学性质，第二是经济模型，第三个部分由不等式约束组成。获得该模型的解决方案是使用 CONOPT 求解适合 NLP 的问题（代码是对 request1 提供）。结果表明，值在考虑集的假设下，最大限度地减少每年的费用的
3、决策变量模型，以及同意报告的其他作品中使用不同的优化方法。2011 爱思唯尔有限公司保留所有权利1。介绍吸收式制冷系统（ARS ）的获得更多的不同的冷却和制冷应用的普及，取决于几乎为零的全球变暖的潜在制冷剂的使用以及对臭氧层零消耗的贡献。ARS 可以使用几个低温热源的能量输入，以产生冷却效果，而传统的系统，即压缩系统，其运作利用机械能。热源驱动的 ARS 很广泛，包括化石燃料，可再生能源和余热回收装填推进器（热电联产机组）或工业生产过程，作为后者的来源时，他们都集成了最具成本效益的选择，从知名的热电联产多产品系统联合生产几种更复杂的系统能源载体类型1E3。然而，与压缩系统相比 ARS 的有两个
4、主要缺点，效率低和更高的成本。因此，改善其设计和经营点，以便从多个角度来克服这些缺点是很必要的。到目前为止，已经提出了几种方法完成改善 ARS 的挑战，他们可以分组，主要集中在第二定律热力学分析和热经济优化。当然，其他的工作可以从文献中找到，在不同的操作条件下改善系统通过审查的某些参数的影响 4-8。第二定律的原则是一个功能强大的工具，因为它给出了具体的信息，多少系统性能是退化。第二定律分析可以基于概念熵产生和（火用）的破坏。当熵概念使用时，它可以识别的部件或设备具有较高的熵产生的热系统，事后改善系统实现最小化总熵产生。一个类似的可利用火用的概念方法，确定每个组件的火用破坏和系统总（火用）的破
5、坏。在这种情况下，以增加了系统的效率，（火用）的破坏必须最小化。其中第二定律分析，Kaynakli 和 Yamankaradeniz9研究溴化锂 - 水的性能 ARS 的变化，通过计算一些设计参数模型，以确定各个组件的熵产生和总熵产生。sencan10用模拟方案确定的性能系数（COP），火用效率的一个效果是由 LiBreH2O 发现的，ARS 工作的条件增加上述表现指标。可以在一个更高级的火用分析时，它是由 Morosuk 和 Tsatsaronis 证明的，由内分裂炯破坏 ARS 的一个组件，然后确定潜在提高每个系统的组成部分。考希克和 Arora12开展一个效果的能量和（火用）分析和系列流
6、量双重效果LiBreH2OARS 发展的计算模型等系统参数的调查。热经济性分析，也被称为火用经济学，是使热性能的改善系统相结合的第二定律和经济上的考虑方法。具体来说，热经济学合并火用的概念和经济分析到一个单一的框架，其目的是实现资本成本和开支燃料成本之间的平衡，这将导致植物产品的最低成本。费用分配，成本优化，成本分析是这门学科关键的特点。关于优化，热经济学热的改善提供了一个替代的工具系统，主要是这种系统传统的优化技术太复杂和费时。此外，制冷系统，包括 ARS 的，已使用的热经济优化方法13-19，他们认为 使用热系统的优化等原因是不能总是进行使用复杂的数学或数字技术，由于不完整的模型，植物的复
7、杂性，和强大的非直线性。每年的运营成本13,14，成本每（火用）单位产品（即冷却效果）15-17，整体最终产品所花费的经济成本用目标函数来优化制冷系统，18,19。另一方面，另一种方法已适用于工业优化的流程，是一个基于数学规划手段来解决标准的技术，如线性（LP），非线性（NLP ），混合整数线性（mixed）和混合整数线性规划（的 MINLP）。这些策略已被广泛用于优化化学过程，但其应用到优化制冷系统是有限的，只有少数的研究项目可以发现。这就是查维斯马尔等情况。 20,21，一个 NH3eH2O ARS 的应用程序优化的 MINLP。最近，Gebreslassie 等。22，提出了 bicri
8、teria NLP 的 NH3eH2O ARS 减少成本的优化和对环境的影响。在相同的方式 Gebreslassie 等。23，提出了一个随机双向标准 NLP 的总成本最小化与金融风险在同一个系统的投资的优化。因此，基于上述思路，目前的目标工作是解决单的效果 LiBreH2O ARS 的优化采用基于数学规划的方法。建立非线性规划模型，用火用的概念（不包括在上面提到的作品），通过年度经营成本最小化作为目标函数。NLP 的模型提出的是简单的和结构性的，是有利于减少典型的热系统的复杂性，提供了一个替代的方法来优化 ARS 的。2. LiBreH2O ARS 的单效应2.1. 系统描述相比压缩制冷循环
9、, 吸收系统的一个基本思路，是以取代电力消耗相关的热驱动系统的蒸汽压缩，通常被称为热化学压缩机。这是通过利用吸收和解吸过程，采用合适的工作对（制冷剂和吸收剂），24. 图 1 显示仅在温压效应 LiBreH2O的吸收式制冷循环图。该系统提供冷冻水（QEVP）冷却应用，并且可以利用现有的活性从不同来源的热量。的基本组成部分是减震器（ABS），冷凝器（CON），发生器（GEN）和蒸发器（EVP ），溶液热交换器（SHX ），制冷剂膨胀阀（修订版），解决方案膨胀阀（SEV）和溶液泵（SP）。它图中可以看出，当制冷剂蒸气状态来自形成了弱解的液体在蒸发器，它被吸收。液体被输送到一个更高的压力，制冷剂在溶
10、液中分离除了热，然后制冷剂定向到冷凝器。最后，含有较少的制冷剂液体（强大的解决方案）传送回吸收器10。2.2。热力学建模和假设为了获得必须执行的热力学分析，每一个在 ARS 的热力学状态和涉及到的应用，包括了质量平衡（方程（1）以及热力学第一定律（方程（2 ）与质量流量，焓，热传输和功率。另一方面，使用火用分析（火用）平衡适用于每个组件的使用：不考虑化学（火用） ，火用流，根据下列表达式确定热交换器可以使用对数平均为蓝本，温差，传热面积，整体热系数：对数平均温度，其计算公式为热端和冷端的温度差异的函数：对于分析的目的，以下假设被认为是典型9,10,12-16稳态运行系统和环境之间的热交换，其他
11、比传热规定发电机，冷凝器和吸收器不会出现称为冷却能力，用于生产冷藏水热源的低品位蒸汽该解决方案和制冷剂阀门的绝热发电机吸收的溴化锂溶液是在各自的温度和压力平衡下的在冷凝器和蒸发器出口的制冷剂是在饱和状态离开吸收器的制冷剂的强解和离开发电机制冷剂的弱解饱和工作溶液泵的输入被忽略热力学性质的非均衡的溶液是同样作为状态具有的相同温度和浓度的平衡值忽视所有的热交换器和管道压力损失参考环境的定义为 T0=25C P0=101.3 千帕为了避免溶液的结晶，溶液进入节流阀有至少 8 个 C 以上的结晶温度冷却塔运行所需的能量和水泵以及冷却风扇分析中不考虑2.3。热力学性质热力学性质是热力学溴化锂 - 水 A
12、RS 的分析的重要组成部分。水蒸汽和溴化锂溶液的性质需要文献的一些相关25-30 简要的回顾。然而，为了实施相关决定，以构建优化模型，他们要满足之间折中简单的配方，并为同一时间的表达式提供准确的结果。在这种考虑下，可以从兰辛25计算溴化锂溶液的浓度，从焓，热容量和熵 Kaita 相关28 。一方面，水蒸汽焓从兰辛相关来确定 25，在另一方面，从 IAPWS 制定熵30。最后，对压力系统可以由 Sun26提供的公式来建立。2.4。经济模式为了找到技术参数在 ARS 经济表现的影响，它有必要执行经济分析。由于早些时候的接触，最合适的方法是由热力学分析加入一个确定的经济与信息参数，具体的信息，来源于
13、第二定律。为此，每年的运营成本，成本每火用单位和最终产品的整体经济成本是最恰当的31,32 。在这项工作中，工厂每年 运作成本，将被研究，它可以表示为：在前面的方程（方程（7 ），右侧 第一项表示由于燃料供应系统的火用输入到工厂（第二定律的信息）成本的评估。第二项是这是每年的还款在指定期限后是必要的投资回报，而第三项代表每年的成本没有通过优化影响。确定经济复苏的因素，AC，有：2.5。基准情况为了验证热力学模型，热力学性能和经济模式，Misra 等作品提出采取建立一个基准的情况，13。为此，已开发的计算 ARS 的有效模式。随后，模型编码，并在 MATLAB 求解,如表 1 所示输入数据集，因
14、此决定基准的情况下的值。图2 显示了正在研究的 ARS 详细的图。计算的代码得到的数据显示表 2 和表 3。首先，表 2 显示了热力学属性，而表3 显示机组运行的年度成本和其他相关参数。这两个提供的资料与 Misra 等13的结果吻合。因此，提出的模型可以被认为是有效的，它可以表述为形成的ARS 非线性数学规划问题编程模型。3。NLP 的模型总体而言，NLP 的模型是由三个要素组成：目标函数，等式约束和不平等的限制。数学上，它可以阐明按照以下表达33：NLP 的的 ARS 模型可以相关每个元素（9）如下：首先，目标函数使用经济参数定义; 相等约束有关热力学模型和热力学性质。最后，不等式约束包含
15、方程，使操作的 ARS 在安全范围内。对于 ARS 的这些元素描述在以下小节中说明细节。3.1。目标函数（经济模式）利用目标函数每年的总成本的拟订是：投资成本通过公式（11）据估计， 考虑到溶液热交换器，发生器，吸收器，简单的热交换器的冷凝器和蒸发器。方程（11 ）Z0 和 A0 代表一定的参考价值，并采取 7900 元/千瓦和 100 平方米，分别为15,18。3.2。等式约束热力学模型，包括热力学性质可以被看作是对在平等的限制 NLP 的模型。排在首位，将是热动力学模型。3.2.1。热力学模型可以得到与方程的质量流率的 ARS（12） - （14）。方程（12）确定的制冷剂流量。两质量流量
16、和强解，弱解，方程（13 ）和（ 14），分别确定。基于弱解方，解决方案的有效性换热器可以通过与温度方程（15）：基于强解方面，结合方程（13 ）和（14 ）的有效性 可以表述为：冷凝器，吸收器和发电机的热平衡给予等式约束，这样的设备，方程（17） - （19），分别展示。采用对数平均温差确定每个热换热器的传热特性。总传热系数的值是采取在0.2-0.5 kW/m2 的 范围，根据14和16。方程（20） - （22）满足等式约束。制冷负荷与冷却水的质量流量由方程（23 ）的方法， 建立必须满足约束的方程（12）。在冷凝器的冷却水的质量流量和吸收确定利用方程（24）和（25 ），分别满足平等约束
17、方程（17）和（ 18），。最后，蒸汽的质量流量，必须提供 ARS 为了激活系统写入具有以下的等式约束：3.2.2。热力学性质建立和确定系统上的压力由 Sun 提出的方程26 ，使用温度在输入数据集提供的冷凝器和蒸发器（见表 1）：表 1设置相应输入数据的基准情况 13。变量/参数 符号 单位 价值;蒸发冷却负荷kW Q_ EVP kW 201.29发电机温度 T1 _C 80冷凝器温度 T2 _C 35蒸发器温度 T4 _C 5减振器温度 T5 _C 35发电机加热蒸汽温度 T18 _C 100凝汽器冷却水出口温度 T12 _C 33蒸发器冷却水入口温度 T13 _C 20蒸发器冷冻水出口温
18、度 T14 _C 12吸收器冷却水入口温度 T15 _C 27溶液热交换器的有效性 3 % 60参考温度 T0 _C 25参考压力P P0 kPa 101.3利率 iR % 15还款期限 Ny Years 10每年的运作时间 top Hours 5000输入（火用）的单位成本 CEIN $/kW h 0.03785表 2（这项工作）的基准情况下的热力学性质。数控 - 不计算。表 3年度计划的运作成本和其他参数（这项工作）。参数 符号 单位 价值性能系数 COP adim 0.7376共有不可逆转率 BD,TOT kW 41.634系统的资本成本 ZTOT $ 45,489年度计划的运作成本 C
19、T $/year 16,211系统中的浓度为状态的第 5 和第 8，确定使用兰辛 25给出的制定：之后，可以计算出焓为状态 1，2 和 4 由兰辛提供的表达式25。被认为是状态2 和 4 作为饱和液体和饱和蒸气，分别为：LiBreH2O 混合物的焓的计算使用 Kaita 提出的表达式 28。方程（33），状态 5 焓的计算利用方程（34），焓状态 8 和 9 确定。散热能力薄弱和强解取决于：在方程（33） - （36）为常数的值是：溶液热交换器的能量平衡，考虑到状态 6 焓值和状态 5 相同（从泵的工作是可以忽略不计），给出的等式约束符合与状态 7 的焓：参考状态的焓以及状态 11 至 19，
20、从兰辛的表达25，方程（38）和（39）得到：使用 IAPWS 拟订计算熵状态 1，区域 2 使用 Holmgren 开发的代码的一部分34通过方程与方程的形式（40 ）。进一步细节可以发现30。熵状态 0，2，11 至 16 和 18 乃分别使用该软件的 EES35获得多项式表达，这是只适用于饱和液体，方程（41 ）。类似的状态 4 和 17 的表达，属于得到饱和蒸气，方程（42）。这些表达式仅适用于典型的 ARS 的有效温度范围。溴化锂 - 水混合物的熵的计算方法为 Kaita28提出的表达。状态 5，7，8 和9。表 4 给出常数 BJK 值。一旦已表示作为平等的焓和熵的约束，可以使用方
21、程（4）计算出状态 1 至18（火用）。此外，火用的减少每个组件都可以由方程（3）获得，从而在下面的一组等式约束：在火用平衡方程（47）和（ 48）分别包括节流阀和溶液泵。最后，火用输入系统可以表示为式（49）， NLP 的模型建立必须满足每年的总成本目标的函数。3.3。不等式约束不等式约束表示的设计规范，例如最大和最小的设备能力和设计变量的上下限，下面的公式（50）这样显示的：此外，不等式约束是为了防止负面变量的值。然而，一个重要的制约因素是保证溶液温度进入节流阀未达到结晶温度：4。决策变量决策变量是这些变量的最大化或最小化目标函数。在这种情况下，决策变量是发电机的温度，冷凝器温度，蒸发器的
22、温度，减震器温度，溶液热交换器的有效性。溴化锂 - 水吸收制冷系统的假设下适当的一组变量将减少每年的营运成本。5。结果NLP 在实现模型开发交互 GAMS 系统，CONOPT 作为优化包。CONOPT 解算器设计管理 NLP 的问题，并采用序列二次规划（SQP）方法使用精确的二阶导数计算更好的搜索指示，以为了达到更快的解决方案，更多的细节可以36发现。优化问题的有 115 方程 119 变量。它解决了 0.031 小号使用 2 GB RAM 和1.67 GHz 处理器的机器。值得注意的是，不能保证找到全球最优的解决方案，因为 CONOPT 是一个地方的优化。因此，这些解决方案必须视为一个全球性
23、的优化，除非是本地被聘用的最佳方法。然而，我们认为本地的解决方案对问题进行分析的目的是有效的，因为所取得的成果，可以与之比较工作。这项工作的 ARS 优化模型的最优值如表 5 所示。这包括对工作的结果 Misra 等13使用的热经济优化的 ARS 方法。决策变量是温度发生器，冷凝器，蒸发器和吸收器包括溶液热交换器的有效性。可以看到，值略有不同。例如，发电机的温度是 84.8。对于这项工作的比较值是 88.8 C。冷凝器和吸收温度分别为5和 4.5以上。蒸发器几乎保持 8.6 C。Misra 等研究13解决方案的换热效率的值没有报道，但使用在自己的 MATLAB 代码数据在这项工作中显示值0.6
24、5。在这里获得的一组值，使我们实现目标函数值（每年的费用工厂操作）每年$14,993（美元），这一数额与价值$15,146 每年相比下降约 150 美元。这减少的事实上与低投资成本约为 41,700 热 ARS 的换热器的传热面积直接有关。可以看出，热传热面积显着减少。例如，热发电机传输面积从 401 平方米减少到 133 平方米。这种变化主要是由于利用总传热系数的价值范围。从优化程序的观点，在决定价值的差异变量主要是由于以较低的值，取得目标函数。换句话说，求解找到一套最大限度地减少每年的经营成本直到达到$14,993 后成立的假设。也就是说，目标功能不会实现相比的价值较低的基本情况，为相同的
25、值决策变量的条件。虽然找到了新的解决 NLP 模型最优值的方案，目标函数值减少，可以看出炯破坏从 22.38 千瓦增加至 39.17 千瓦。在这种情况下，减震器负责 12.042 千瓦，发电机 10.543 千瓦，在其开启时，蒸发器和冷凝器分别为 8.204 千瓦 5.519 千瓦，（不表 5 所示）。从热力学的角度来看，不利于这其实是因为能源资源没有得到有效利用。然而，随着模型通过单目标优化，它不能保证大多数的最低值参数参与。最后，表 6 显示了各热流力学性质在吸收式制冷系统最佳的情况。表中的值是利用决策变量优化，并在 MATLAB 代码开发；这包括拟订的每个蒸汽和溴化锂 - 水属性的混合物
26、。表 5工作的最佳值的比较。变量 符号 单位 价值这项工作决策变量发电机温度 T1 _C 84.8 88.8冷凝器温度 T2 _C 39.8 34.8蒸发器温度 T4 _C 8.6 8.8减振器温度 T5 _C 35.5 31.0溶液热交换器 3 % 70.7 NRa效用目标函数机组运行的年度成本 CT $/year 14,993.9 15,146.0其他参数系统的资本成本 ZTO T $ 41,718 60,730性能系数 COP adim 0.7755 NR共有不可逆转率 BD,TOT kW 39.171 22.38蒸发器的热流量 Q_ EVP kW 201.29 201.29发电机热流量 Q_ GEN kW 259.55 NR冷凝器热流量 Q_ CON kW 213.37 NR减振器热流量 Q_ ABS kW 247.47 NR发电机换热面积 AGEN m2 133.79 401.58冷凝器换热面积 ACON m2 127.37 249.39蒸发器的传热面积 AEVP m2 144.85 131.43吸收传热面积 AABS m2 98.21 190.10解决方案 HX 换热面积 ASHx m2 54.59 85.80
