小型太陽能氣泡泵吸收式制冷機研究

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摘要： 本文確定了設計 計算 參數(shù)下小型太陽能氣泡泵吸收式制冷機制冷循環(huán)中各狀態(tài)點參數(shù)，進行了發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器的熱負荷計算和加熱熱水、冷水、冷卻水、稀溶液等循環(huán)介質的流量計算。進行了發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器等換熱設備所需的傳熱面積計算。根據(jù)求得的傳熱面積確定了各換熱設備的傳熱管數(shù)，計算了熱水進出口配管、冷卻水進口配管、冷媒水進口配管的內徑尺寸，為開發(fā)小型吸收式制冷機提供了一定的 理論 和實踐基礎。 關鍵詞： 太陽能 氣泡泵 吸收式制冷機 傳熱計算1 簡介 太陽能吸收式空調在我國 目前  應用 很廣泛。它將常規(guī)的溴化鋰或氨水吸收式空調與太陽能熱水相結合，實現(xiàn)夏季空調、冬季供熱或全年供熱水功能。雖然吸收式空調采用溴化鋰制冷機方案技術已相對成熟，但系統(tǒng)成本若不能大幅度降低，推廣前景并不樂觀。日本矢崎株式會社已商品化生產小型無泵循環(huán)溴化鋰制冷機，有制冷量4000W到174000W系列產品。我國尚未實現(xiàn)小功率溴化鋰制冷機生產，現(xiàn)有的廠家生產成本過高，功率偏大，同時輔助熱源又不可缺少，管理難度大。因此，開發(fā)生產低成本的系列制冷機，如無泵溴化鋰制冷機、小型氨水制冷機及其循環(huán)泵等，并實現(xiàn)其商品化生產已成為當務之急。圖1是小型太陽能吸收式制冷機組成的太陽能空調和供熱系統(tǒng)的原理圖。本系統(tǒng)主要有太陽能集熱器、蓄熱槽、輔助熱源、熱水型吸收式制冷機、冷卻塔、空調器和控制系統(tǒng)等組成。

  圖1 小型太陽能空調、供熱系統(tǒng)太陽能吸收式制冷機的加熱熱源是75～95℃的熱水。熱水在發(fā)生器管中作強制對流換熱，加熱溶液產生蒸汽，一般設計成單效。該機無溶液泵與冷劑泵，溶液的循環(huán)靠氣泡泵來實現(xiàn)。2 熱力計算 設計計算參數(shù)：吸收式制冷機額定制冷量為2.0  ；經蒸發(fā)器的冷凍水進口溫度12.0～15.0℃、出口溫度9.0～11.0℃；經吸收器或冷凝器的冷卻水進口溫度30.0～32.0℃，出口溫度34.0～38.0℃；加熱熱水溫度75.0～90.0℃。2.1 設計工況計算 取冷凍水進口溫度  ＝14℃，冷凍水出口溫度  ＝9℃；冷卻水進口溫度  ＝29.5℃，冷卻水出口溫度  ＝34.5℃；加熱熱水進口溫度  ℃，加熱熱水出口溫度  ℃。2.2 選定設計參數(shù)    圖2 單效吸收式制冷循環(huán)h-ξ假定不考慮     的 影響 。① 蒸發(fā)溫度  ＝7℃，則蒸發(fā)壓力  ＝1001pa；② 吸收器壓力  ，取  ＝80pa，則  ＝920pa；③ 冷凝器和吸收器的冷卻水用并流動方式，冷凝溫度  ＝38.0℃，冷凝壓力  ＝5631pa；④ 發(fā)生器出口濃溶液溫度  ＝82.0℃；⑤ 吸收器出口稀溶液溫度  ＝38.0℃；⑥ 根據(jù)壓力  ，  和溫度  ，  ，在  圖上查得：  ＝56  ，  ＝60  ，可得  －  ＝4.0  。⑦ 溶液熱交換器出口濃溶液溫度  ＝    ，取  ＝17℃，則  ＝55℃。由  ＝60  ，查溴化鋰溶液的結晶曲線，其結晶溫度  約為39℃。  －  ＝55-39＝16℃，因此選取  ＝17℃是可行的。由  得  式中  ，可得  kJ/kg，則  ＝62℃。2.3 各狀態(tài)點參數(shù)值 根據(jù)上述所選取的參數(shù)，可確定制冷循環(huán)中各狀態(tài)點的比焓值以及溫度、壓力和質量分數(shù)。循環(huán)中各狀態(tài)點號見圖2。各狀點參數(shù)值見表1。2.4 各換熱設備的熱負荷計算 各換熱設備的熱負荷計算見表2。由蒸發(fā)器的單位熱負荷  ，可求得冷劑水的循環(huán)量：  kg/h熱平衡計算得：  5471.83kJ/kg，  5471.87kJ/kg相差很小，熱平衡。熱力系數(shù)  計算：   表1 各狀態(tài)點參數(shù)表 序號 名 稱 狀態(tài)點 比焓值（kJ/kg） 溫度（℃） 壓力（Pa） 質量分數(shù)（％）  1 蒸發(fā)器出口冷劑蒸汽 1’ 2933.84 7 1001 0  2 蒸發(fā)器中冷劑水 1 448.46 7 1001 0  3 吸收器出口稀溶液 2 255.59 38 920 56  4 冷凝器出口冷劑水 3 578.14 38 5631 0  5 冷凝器進口冷劑蒸汽 3’ 2990.40 79 5631 0  6 發(fā)生器出口濃溶液 4 326.82 82 5631 60  7 發(fā)生器中開始沸騰溶液 5 317.60 72 5631 56  8 吸收器進口濃溶液 6 272.35 47 920 60  9 溶液熱交換器出口稀溶液 7 293.65 62 － 56  10 溶液熱交換器出口濃溶液 8 282.83 55 － 60     表2 各換熱設備的熱負荷計算表 設備名稱 單位熱負荷計算公式 單位熱負荷（kJ/kg） 熱負荷計算公式 熱負荷值（kw）  發(fā)生器 3116.13 2.65  冷凝器 2412.26 2.05  蒸發(fā)器 2355.70 2.60  吸收器 3059.61 2.00  溶液熱交換器 615.9 0.52     2.5 各工作介質的流量計算 2.5.1 加熱熱水流量加熱水的溫度從86℃降到80℃，則產生單位冷劑蒸汽的加熱量為：  ＝  ＝25.20kJ/kg，考慮15  的熱損失裕量，則加熱熱水量  ＝435.4kg/h2.5.2 冷水量＝0.35  2.5.3 冷卻水量冷卻水帶走的熱量為：     ＝4.05kw冷卻水量為：  ＝0.697  2.5.4 稀溶液循環(huán)量＝0.028  3 傳熱面積 計算  3.1 k值的選取 傳熱管的材料，除發(fā)生器采用不銹鋼管外，其余換熱設備均采用紫銅管。對于發(fā)生器采用整體軋制低翅片管，其傳熱系數(shù)可以達到1300～1600  ，這里取  為1300  。由于冷凝器的傳熱系數(shù)比較高，在機組中占的空間也較小，相對而言強化傳熱的要求就不迫切。采用光管時的傳熱系數(shù)就可達4100～5200  ，本文取  為4500  。蒸發(fā)器采用噴淋形式，因此噴淋密度，噴淋方式對傳熱性能有較大的 影響 。以銅管為傳熱管的蒸發(fā)器，傳熱系數(shù)的值一般在2200～2500  之間，這里取  =2300  。對于吸收器采用 目前 國內使用較多的F管，也稱為斜槽管，在合適的運行條件及造作參數(shù)下，F(xiàn)管的傳熱系數(shù)可達1500  ，但是F管易出現(xiàn)冷量衰減的情況。這里取  ＝1200  。對于溶液熱交換器，設計流速為0.4～0.5m/s時，傳熱系數(shù)可達450～580  ，這里取  ＝580  。3.2 傳熱系數(shù)校核 傳熱系數(shù)可用下式校核：   式中：   ——以原管外表面積為基準的傳熱系數(shù)，  ；、  ——管內、外表面換熱系數(shù)，  ；、  ——管內、外表面單位面積上的污垢熱阻，  ；、  ——圓內、管外徑，m；——圓管材料的熱導系數(shù)，  。計算傳熱系數(shù)的關鍵在于如何求得圓管內、外兩側的表面換熱系數(shù)。對于發(fā)生器，以熱水為熱源，可按下式計算管內對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：式中：  ——傳熱管內熱水的流速，  ；——熱水在進出口平均溫度下的導熱系數(shù)，  ；——熱水在進出口平均溫度下的運動粘性系數(shù)，  ；—— 熱水在進出口平均溫度下的普朗特數(shù)。發(fā)生器中溴化鋰溶液在管外沸騰，對于噴淋式發(fā)生器，可用下式估算  ：式中  是噴淋密度，  ，試驗范圍為0.022～0.035  。文中，設  ＝2  ，  ＝0.015m，  ＝0.016m，  ＝0.0001  ，  ＝0.00008  ，紫銅管  ＝550.94  ，  ＝0.676  ，  ＝0.353    ，     ＝ 2.13，  ＝0.028  ，把上述值代入式（3.2.1）、(3.2.2)、(3.3.3)中可得  ＝1305，所選值合適。3.3 傳熱面積計算 各設備傳熱面積計算見表3。表3 制冷機各設備所需的傳熱面積 設備名稱 傳熱系數(shù)(W/m 2 K) 計 算 公 式 傳熱外表面積（  ）  冷凝器 4500 0.087  蒸發(fā)器 2300 0.268  發(fā)生器 1300 0.476  吸收器 1200 0.237  溶液熱交換器 580 0.048     4 結構計算 設計太陽能吸收式制冷機，還要進行結構計算。結構計算的 內容 包括：各換熱設備的結構尺寸，配管大小，傳熱管的數(shù)量，工作介質在系統(tǒng)中的流速，阻力損失，主要零部件強度剛度和溫差熱力計算以及溴化鋰溶液需要量的估算等。4.1 各換熱設備傳熱管數(shù)n的計算 根據(jù)求得的傳熱面積用下式確定傳熱管數(shù)：式中：  ——換熱設備所需總管子數(shù)；——換熱設備傳熱面積  ；——傳熱管的有效長度(m)；——傳熱管外徑（m）。各換熱設備傳熱管數(shù)計算結果見表4。表4 各換熱設備傳熱管數(shù)計算 設備 傳熱管外徑（m） 傳熱管有效長度（m） 所需總管子根數(shù)  冷凝器 0.016 0.43 4  蒸發(fā)器 0.016 0.44 12  發(fā)生器 0.016 0.80 12  吸收器 0.016 0.40 12  溶液熱交換器 0.010 0.38 4     4.2 配管尺寸計算 配管尺寸由下式計算：式中：  ——配管內徑（m）；——配管中介質流速。水在配管中的流速一般為1.5～3.0m/s。由于熱水流量較小，可以取更小值。這里取加熱熱水配管流速1.0m/s.則熱水進出口配管內徑為0.012m。取冷卻水進口配管流速1.5m/s。計算得配管內徑為0.013m。取冷媒水進口配管流速1m/s。計算得冷媒水進口配管內徑為0.011m。5  總結  溴化鋰吸收式制冷機在不同的熱源溫度下工作。隨著熱水溫度的降低，發(fā)生器溫度和溶液循環(huán)量隨之減少，熱水溫度對制冷量的影響較大，因此存在最適宜的集熱溫度，目前該溫度一般為80～90℃。在設計時，應酌情考慮提高冷媒水出口溫度，降低冷去水進出口溫度。優(yōu)化設計及變工況條件下最佳運行參數(shù)的調整越來越要求利用計算機進行設計和計算。本文旨在為小型太陽能氣泡泵吸收式制冷機的設計提供一定的 理論 基礎和初步的設計計算，對于新機型的開發(fā)還需要計算機的輔助設計和計算以及更廣大 科技 人員和廠家的大力合作。參考  文獻  [1] 戴永慶主編. 溴化鋰吸收式制冷技術及 應用 . 機械 工業(yè) 出版社，1996.10；[2] 高田秋一著. 耿惠彬，戴永慶，鄭玉清譯. 吸收式制冷機. 機械工業(yè)出版社，1985.06