杜芳莉 申慧淵

基于吸附式制冷的金屬模具生產(chǎn)線余熱回收裝置的研究

杜芳莉 申慧淵

（西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院 西安 710077）

隨著國家對系統(tǒng)節(jié)能減排政策的實(shí)施，工業(yè)企業(yè)積極響應(yīng)，鑄造企業(yè)作為高能耗行業(yè)節(jié)能潛力巨大?；谖绞街评鋵ξ靼材宠T造企業(yè)模具生產(chǎn)線中產(chǎn)生的大量余熱進(jìn)行回收，該裝置巧妙利用吸附式制冷系統(tǒng)的冷凝器冷卻回水與金屬模具生產(chǎn)線的廢熱水源進(jìn)行定量混合使得熱源溫度為65℃，從而使吸附式制冷系統(tǒng)效率達(dá)到最高。通過該余熱回收裝置不僅可減少企業(yè)對環(huán)境的熱污染，而且還將吸附式制冷所產(chǎn)生的冷量用于空調(diào)系統(tǒng)的冷源，大幅度減少了空調(diào)系統(tǒng)能耗。

模具生產(chǎn)線；熱水源；余熱；吸附式制冷；節(jié)能

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源緊缺問題日益突出，能源消耗所引起的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展成為國家的重大發(fā)展戰(zhàn)略，目前國家大力發(fā)展和開發(fā)清潔能源，節(jié)能減排措施成為研究熱點(diǎn)。鑄造企業(yè)作為高耗能、高污染行業(yè)，積極響應(yīng)國家節(jié)能減排政策。在鑄造行業(yè)中，由于模具生產(chǎn)線中會(huì)產(chǎn)生大量低于100℃的余熱廢水[1-3]。目前大部分企業(yè)對于這部分熱量都是直接排放到環(huán)境中，這樣不僅帶來“熱污染”問題，而且還導(dǎo)致能源的巨大浪費(fèi)[4]。針對模具生產(chǎn)線大量余熱浪費(fèi)的現(xiàn)狀，本文提出一種金屬模具生產(chǎn)線余熱高效回收裝置，該裝置能有效回收模具生產(chǎn)線的大量余熱，并用于空調(diào)系統(tǒng)的冷源或熱源，從而大幅度減少空調(diào)系統(tǒng)能耗，它不僅能滿足企業(yè)對生產(chǎn)環(huán)境的要求，同時(shí)還能提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，從而達(dá)到共贏目的。

1 設(shè)計(jì)思路

在鑄造行業(yè)中，由于熱處理加工后的模具通常需要用水進(jìn)行冷卻定型，在冷卻過程中，大量余熱會(huì)白白流失，造成資源浪費(fèi)。本文針對西安某鑄造廠金屬模具生產(chǎn)線冷卻產(chǎn)生的大量廢熱水進(jìn)行余熱回收，該余熱回收裝置由金屬模具生產(chǎn)線的廢熱水源、吸附式制冷裝置、熱水源溫度控制系統(tǒng)及吸附式制冷控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其工作過程為：金屬模具生產(chǎn)線產(chǎn)生的廢熱水源與吸附式制冷系統(tǒng)中冷凝器的冷卻水出口的水進(jìn)行混合，通過熱水源溫度控制系統(tǒng)控制相應(yīng)的流量使熱水的溫度保持在65℃左右，從而為吸附式制冷系統(tǒng)提供最佳的熱水源溫度。吸附式制冷裝置在持續(xù)不斷的熱水源供給及控制系統(tǒng)作用下進(jìn)行吸附制冷，并持續(xù)輸出空調(diào)機(jī)組所需的冷凍水，同時(shí)對于釋放熱量后的低溫?zé)崴俅芜M(jìn)入生產(chǎn)線冷卻成型的高溫模具，使模具迅速定型，從而提高模具生產(chǎn)線效率。

圖1 金屬模具生產(chǎn)線的余熱回收裝置工作原圖

2 吸附式制冷裝置

隨著能源的日益緊缺，低溫余熱、廢熱的開發(fā)利用成為綠色能源發(fā)展的趨勢[5]。吸附式制冷利用低品位熱能作為驅(qū)動(dòng)熱源，采用自然環(huán)保工質(zhì)作為制冷劑，因其具有無CFCs，ODP和GWP為零、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[6]。吸附式制冷的原理與普通的機(jī)械壓縮式制冷不同，它不需消耗高品位電能，節(jié)能效果顯著，其原理主要是通過吸附劑吸附及脫附作用而產(chǎn)生壓力差來完成制冷循環(huán)[7]。目前在低于100℃的熱源驅(qū)動(dòng)下，普遍采用硅膠－水吸附式制冷機(jī)，但由于硅膠-水吸附工質(zhì)對的循環(huán)有效吸附量小，造成系統(tǒng)龐大、循環(huán)時(shí)間長、性能受環(huán)境溫度變化影響大的特點(diǎn)，從而對其應(yīng)用造成一定的瓶頸。為此，本文選用沸石-水作為工質(zhì)對，并采用兩個(gè)吸附床的連續(xù)制冷方式，大大提高制冷效率[8]。本文中吸附式制冷系統(tǒng)主要是由吸附床1、吸附床2、冷凝器、蒸發(fā)器、四通換向閥1、四通換向閥2、真空閥V1、真空閥V2、真空閥V3、真空閥V4、流量調(diào)節(jié)閥1、流量調(diào)節(jié)閥2組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 吸附式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工作過程為：來自模具生產(chǎn)線的廢熱水源經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥2與來自吸附式制冷裝置冷凝器出口冷卻水經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥1進(jìn)行定量混合，使得混合后熱水源水溫為65℃，然后通過四通換向閥2進(jìn)入吸附床1，與此同時(shí)，連接吸附床1與冷疑器的真空閥V3打開，吸附床1進(jìn)行脫附再生，同時(shí)吸附床2與蒸發(fā)器相連的真空閥V2打開進(jìn)行吸附制冷，在此過程中，冷卻水通過四通換向閥2進(jìn)入吸附床2帶走吸附熱后進(jìn)入冷凝器帶走冷凝熱；當(dāng)吸附床1脫附完成后，熱源與冷卻水流路的四通換向閥1、2進(jìn)行切換，同時(shí)與冷凝器、吸附床、蒸發(fā)器相連的真空閥也進(jìn)行切換，此時(shí)狀態(tài)變?yōu)槲酱?與蒸發(fā)器相連的真空閥V1打開，進(jìn)行吸附制冷，冷卻水進(jìn)入吸附床1帶走吸附熱后再進(jìn)入冷凝器帶走冷凝熱，而65℃的熱水源則通過四通換向閥進(jìn)入吸附床2進(jìn)行脫附再生，與此同時(shí)，吸附床2與冷凝器相連的真空閥V4打開，如此切換循環(huán)，連續(xù)向空調(diào)機(jī)組輸出冷凍水[9]。

3 控制系統(tǒng)

為使金屬模具生產(chǎn)線熱回收裝置效率達(dá)到最高，該裝置還設(shè)置高精度的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括熱水源溫度控制系統(tǒng)、吸附式制冷控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)，如圖3所示。其中熱水源溫度控制系統(tǒng)主要監(jiān)測和控制冷凝器出口的冷卻水流量調(diào)節(jié)閥1與廢熱水源進(jìn)口處的水流量調(diào)節(jié)閥2的開度，保證進(jìn)入吸附式制冷裝置中的熱水溫度始終為65℃；吸附式制冷裝置控制系統(tǒng)主要調(diào)節(jié)吸附式制冷過程中各閥門的開啟時(shí)間，確保吸附式制冷中的吸附床1進(jìn)行脫附再生而吸附床2進(jìn)行吸附制冷的第一循環(huán)，和吸附床1吸附制冷、吸附床2脫附再生的第二循環(huán)的順利切換，從而保證冷凍水的不間斷產(chǎn)生；計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，主要是保證兩個(gè)控制系統(tǒng)高效運(yùn)行。

圖3 金屬模具生產(chǎn)線熱回收裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 熱水源溫度控制系統(tǒng)

熱水源溫度控制系統(tǒng)是為了確保吸附式制冷系統(tǒng)效率達(dá)到最高，該系統(tǒng)是由冷卻水溫度傳感器、熱水源溫度傳感器、流量調(diào)節(jié)閥1和流量調(diào)節(jié)閥2組成。其中冷卻水溫度傳感器、熱水源溫度傳感器均位于熱水源溫度控制系統(tǒng)的輸入端，流量調(diào)節(jié)閥1和流量調(diào)節(jié)閥2則位于系統(tǒng)的輸出端。該控制系統(tǒng)采用基于改進(jìn)的細(xì)菌覓食優(yōu)化算法優(yōu)化的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測冷卻水溫度及熱水源溫度并配合流量調(diào)節(jié)閥1和流量調(diào)節(jié)閥2的開度，巧妙將吸附式制冷系統(tǒng)的冷凝器的冷卻回水與金屬模具生產(chǎn)線的廢熱水進(jìn)行定量混合使得熱源溫度為65℃，從而使吸附式制冷系統(tǒng)的效率最高。熱水源控制系統(tǒng)工作原理如圖4所示，其工作過程如下。

圖4 熱水源溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)采集及傳輸：冷卻水溫度傳感器對冷凝器的冷卻水出口水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將檢測到的冷卻水溫度信號輸出給熱水源溫度控制器。熱水源溫度傳感器對金屬模具生產(chǎn)線產(chǎn)生的廢熱水源溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并將檢測到的熱水源溫度信號輸出給熱水源溫度控制器。

（2）數(shù)據(jù)處理：熱水源溫度控制器將冷卻水溫度信號和熱水源溫度信號輸入預(yù)先構(gòu)建的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，輸出對流量調(diào)節(jié)閥1開度的控制信號和對流量調(diào)節(jié)閥2開度的控制信號，并調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥1和流量調(diào)節(jié)閥2的開度，使從冷凝器出口輸出的冷卻水與從金屬模具生產(chǎn)線產(chǎn)生的廢熱水源混合后，水溫穩(wěn)定在65℃。

（3）預(yù)先構(gòu)建好三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，每次只需將冷卻水溫度信號和熱水源溫度信號輸入預(yù)先構(gòu)建的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，就可以自動(dòng)輸出對流量調(diào)節(jié)閥1開度的控制信號和對流量調(diào)節(jié)閥2開度的控制信號，從而簡單、快捷、準(zhǔn)確地將吸附式制冷系統(tǒng)中冷凝器的冷卻出水與金屬模具生產(chǎn)線的廢熱水混合溫度調(diào)節(jié)為65℃，進(jìn)而有效保證吸附式制冷系統(tǒng)的效率達(dá)到最高，并連續(xù)產(chǎn)生空調(diào)機(jī)組所需的冷凍水。

3.2 吸附式制冷控制系統(tǒng)

吸附式制冷控制系統(tǒng)是確保吸附床1和吸附床2交替吸附、脫附，連續(xù)輸出冷量的系統(tǒng)。它是由吸附式制冷控制器、設(shè)置在吸附床1出口端的第一氣體流量傳感器和第一水流量傳感器、設(shè)置在吸附床2出口端的第二氣體流量傳感器和第二水流量傳感器、四通換向閥1、四通換向閥2、真空閥V1、真空閥V2、真空閥V3和真空閥V4組成，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。其工作過程為：吸附式制冷控制器控制四通換向閥1和四通換向閥2，使混合后溫度為65℃的熱水源從四通換向閥2接入吸附床1進(jìn)行脫附再生，而吸附床1脫附再生產(chǎn)生的廢水從四通換向閥1排出，同時(shí)，吸附式制冷控制器控制真空閥V2和真空閥V3打開，使從冷卻水輸入管輸入的冷卻水從四通換向閥2進(jìn)入吸附床2中，帶走吸附床2吸附制冷后所放出的熱量，并從四通換向閥1進(jìn)入冷凝器帶走冷凝熱；當(dāng)?shù)谝粴怏w流量傳感器檢測到吸附床1脫附產(chǎn)生的制冷劑蒸汽量為零時(shí)，吸附床1脫附再生過程完成，此時(shí)吸附式制冷控制器控制真空閥V2和真空閥V3關(guān)閉，并控制四通換向閥2進(jìn)行切換，真空閥V1、真空閥V2、真空閥V3和真空閥V4均處于關(guān)閉狀態(tài)，冷卻水則從四通換向閥2進(jìn)入吸附床1中，同時(shí)，溫度為65℃的廢熱水源從四通換向閥2接入吸附床2中，當(dāng)?shù)谝凰髁總鞲衅鳈z測到第一吸附床的出口端水流量為零，且第二水流量傳感器檢測到第二吸附床的出口端水流量為零時(shí)，吸附式制冷控制器控制四通換向閥1進(jìn)行切換，并控制真空閥V1和真空閥V4打開，此時(shí)，吸附床1與蒸發(fā)器相連進(jìn)行吸附制冷，吸附制冷后產(chǎn)生的熱量被冷卻水吸收并從四通換向閥1進(jìn)入冷凝器帶走冷凝熱；吸附床2與冷凝器相連，進(jìn)行脫附再生，脫附再生后產(chǎn)生的冷卻廢水通過四通換向閥1排出，當(dāng)?shù)诙怏w流量傳感器檢測到第二吸附床脫附產(chǎn)生的制冷劑蒸氣量為零時(shí)，脫附再生完成，第二吸附床的脫附再生過程完成，返回第一吸附床脫附再生、第二吸附床吸附制冷的第一循環(huán)，如此往復(fù)循環(huán)，不斷進(jìn)行余熱回收，輸出冷凍水。

圖5 吸附式制冷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

綜上所述，本文提出的金屬模具生產(chǎn)線余熱高效回收裝置，能將金屬模具生產(chǎn)線產(chǎn)生的大量余熱廢水進(jìn)行有效回收，并巧妙用于吸附式制冷裝置的熱源，為模具生產(chǎn)線的空調(diào)系統(tǒng)持續(xù)不斷提供冷量，從而大幅度減少生產(chǎn)車間空調(diào)系統(tǒng)能耗。該裝置不僅節(jié)能、綠色環(huán)保，符合國家節(jié)能減排的大政方策，而且還吻合當(dāng)前全球能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的總趨勢。該裝置創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）本裝置利用金屬模具生產(chǎn)線產(chǎn)生的大量廢水余熱為吸附式制冷系統(tǒng)提供熱源，解決了空調(diào)系統(tǒng)冷源制取耗能大的問題。

（2）本裝置中吸附式制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)新穎合理，采用吸附床1、吸附床2、冷凝器和蒸發(fā)器相互配合工作，有效回收金屬模具生產(chǎn)線產(chǎn)生的廢熱水源的熱量，持續(xù)生產(chǎn)空調(diào)用冷凍水，并用作金屬模具生產(chǎn)線車間內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的冷源，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

（3）本裝置通過設(shè)置熱水源溫度控制器，及冷卻水溫度傳感器和熱水源溫度傳感器，配合流量調(diào)節(jié)閥1和流量調(diào)節(jié)閥2，采用基于改進(jìn)的細(xì)菌覓食優(yōu)化算法優(yōu)化的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，巧妙利用吸附式制冷系統(tǒng)的冷凝器的冷卻回水與金屬模具生產(chǎn)線的廢熱水進(jìn)行定量混合使得熱源溫度恒定為65℃，從而使吸附式制冷系統(tǒng)的效率達(dá)到最高。

[1] 馬世久,陳秀和,劉賢,等.鑄造行業(yè)節(jié)能減排現(xiàn)狀及余熱利用實(shí)例分析[J].汽車工藝與材料,2014,(1):22-24.

[2] 陳少杰,陳光明.漁船動(dòng)力余熱制冷技術(shù)[J].制冷學(xué)報(bào), 2014,35(6):28-34.

[3] 陶建格,薛惠鋒.能源約束與中國可再生能源開發(fā)利用對策[J].資源科學(xué),2008,(2):199-205.

[4] 陳詩一.節(jié)能減排與中國工業(yè)的雙贏發(fā)展：2009— 2049[J].經(jīng)濟(jì)研宄,2010,(3):129-143.

[5] 李銳.制冷空調(diào)能耗及減排節(jié)能技術(shù)的分析[J].制冷與空調(diào),2015,(1):118-122.

[6] 王南南,劉再?zèng)_,鄧立生,等.低溫驅(qū)動(dòng)沸石-水吸附式制冷機(jī)的性能研究[J].制冷學(xué)報(bào),2016,37(1):65-69.

[7] 杜芳莉,吳晗,張富康,等.基于吸附式制冷果品保鮮裝置的研究[J].制冷與空調(diào),2018,(6):586-589.

[8] 何兆紅,魯濤,黃宏宇,等.新型吸附床的研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程,2011,(10):34-38.

[9] 劉再?zèng)_.低溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)沸石－水吸附式制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[D].廣東:廣州工業(yè)大學(xué),2015.

Research on Waste Heat Recovery Device of Metal Mould Production Line Based on Adsorption Refrigeration

Du Fangli Shen Huiyuan

( Xi’an Aeronautical University, Department of Energy and Architecture, Xi’an, 710077 )

With the implementation of the national policy on energy conservation and emission reduction in the system, industrial enterprises have responded positively.Casting industry as a high energy consumption industry has great potential for energy saving. In this paper, a large amount of waste heat produced in die production line of a casting enterprise in Xi'an is recovered based on adsorption refrigeration.The device skillfully uses the cooling backwater of the condenser of the adsorption refrigeration system to mix quantitatively with the waste heat source of the metal mold production line, so that the heat source temperature is 65℃, so that the efficiency of the adsorption refrigeration system is the highest..The waste heat recovery device can not only reduce the thermal pollution to the environment, but also apply the cooling capacity produced by adsorption refrigeration to the cold source of air conditioning system, which greatly reduces the energy consumption of air conditioning system.

mould production line;hot water source; waste heat; adsorption refrigeration; energy conservation

G710

A

1671-6612（2020）05-554-04

西安航空學(xué)院自然科學(xué)研究基金項(xiàng)目（編號：2019KY1223）

杜芳莉（1975.5-），女，碩士研究生，副教授，E-mail：972339919@qq.com

2019-12-18