小型太陽能氣泡泵吸收式制冷機(jī)研究

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摘要： 本文確定了設(shè)計 計算 參數(shù)下小型太陽能氣泡泵吸收式制冷機(jī)制冷循環(huán)中各狀態(tài)點參數(shù)，進(jìn)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(fù)荷計算和加熱熱水、冷水、冷卻水、稀溶液等循環(huán)介質(zhì)的流量計算。進(jìn)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(shè)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(shè)備的傳熱管數(shù)，計算了熱水進(jìn)出口配管、冷卻水進(jìn)口配管、冷媒水進(jìn)口配管的內(nèi)徑尺寸，為開發(fā)小型吸收式制冷機(jī)提供了一定的 理論 和實踐基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： 太陽能 氣泡泵 吸收式制冷機(jī) 傳熱計算1 簡介 太陽能吸收式空調(diào)在我國 目前  應(yīng)用 很廣泛。它將常規(guī)的溴化鋰或氨水吸收式空調(diào)與太陽能熱水相結(jié)合，實現(xiàn)夏季空調(diào)、冬季供熱或全年供熱水功能。雖然吸收式空調(diào)采用溴化鋰制冷機(jī)方案技術(shù)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(chǎn)小型無泵循環(huán)溴化鋰制冷機(jī)，有制冷量4000W到174000W系列產(chǎn)品。我國尚未實現(xiàn)小功率溴化鋰制冷機(jī)生產(chǎn)，現(xiàn)有的廠家生產(chǎn)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(chǎn)低成本的系列制冷機(jī)，如無泵溴化鋰制冷機(jī)、小型氨水制冷機(jī)及其循環(huán)泵等，并實現(xiàn)其商品化生產(chǎn)已成為當(dāng)務(wù)之急。圖1是小型太陽能吸收式制冷機(jī)組成的太陽能空調(diào)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(jī)、冷卻塔、空調(diào)器和控制系統(tǒng)等組成。

  圖1 小型太陽能空調(diào)、供熱系統(tǒng)太陽能吸收式制冷機(jī)的加熱熱源是75～95℃的熱水。熱水在發(fā)生器管中作強(qiáng)制對流換熱，加熱溶液產(chǎn)生蒸汽，一般設(shè)計成單效。該機(jī)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(shè)計計算參數(shù)：吸收式制冷機(jī)額定制冷量為2.0  ；經(jīng)蒸發(fā)器的冷凍水進(jìn)口溫度12.0～15.0℃、出口溫度9.0～11.0℃；經(jīng)吸收器或冷凝器的冷卻水進(jìn)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(shè)計工況計算 取冷凍水進(jìn)口溫度  ＝14℃，冷凍水出口溫度  ＝9℃；冷卻水進(jìn)口溫度  ＝29.5℃，冷卻水出口溫度  ＝34.5℃；加熱熱水進(jìn)口溫度  ℃，加熱熱水出口溫度  ℃。2.2 選定設(shè)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(jié)晶曲線，其結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?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(shè)備的熱負(fù)荷計算 各換熱設(shè)備的熱負(fù)荷計算見表2。由蒸發(fā)器的單位熱負(fù)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(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)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(jìn)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(shè)備的熱負(fù)荷計算表 設(shè)備名稱 單位熱負(fù)荷計算公式 單位熱負(fù)荷（kJ/kg） 熱負(fù)荷計算公式 熱負(fù)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(zhì)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(chǎn)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(shè)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(dá)到1300～1600  ，這里取  為1300  。由于冷凝器的傳熱系數(shù)比較高，在機(jī)組中占的空間也較小，相對而言強(qiáng)化傳熱的要求就不迫切。采用光管時的傳熱系數(shù)就可達(dá)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(nèi)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(dá)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(shè)計流速為0.4～0.5m/s時，傳熱系數(shù)可達(dá)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(zhǔn)的傳熱系數(shù)，  ；、  ——管內(nèi)、外表面換熱系數(shù)，  ；、  ——管內(nèi)、外表面單位面積上的污垢熱阻，  ；、  ——圓內(nèi)、管外徑，m；——圓管材料的熱導(dǎo)系數(shù)，  。計算傳熱系數(shù)的關(guān)鍵在于如何求得圓管內(nèi)、外兩側(cè)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(nèi)對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：式中：  ——傳熱管內(nèi)熱水的流速，  ；——熱水在進(jìn)出口平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，  ；——熱水在進(jìn)出口平均溫度下的運動粘性系數(shù)，  ；—— 熱水在進(jìn)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(shè)  ＝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(shè)備傳熱面積計算見表3。表3 制冷機(jī)各設(shè)備所需的傳熱面積 設(shè)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(jié)構(gòu)計算 設(shè)計太陽能吸收式制冷機(jī)，還要進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。結(jié)構(gòu)計算的 內(nèi)容 包括：各換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，配管大小，傳熱管的數(shù)量，工作介質(zhì)在系統(tǒng)中的流速，阻力損失，主要零部件強(qiáng)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(shè)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(shè)備所需總管子數(shù)；——換熱設(shè)備傳熱面積  ；——傳熱管的有效長度(m)；——傳熱管外徑（m）。各換熱設(shè)備傳熱管數(shù)計算結(jié)果見表4。表4 各換熱設(shè)備傳熱管數(shù)計算 設(shè)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(nèi)徑（m）；——配管中介質(zhì)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(jìn)出口配管內(nèi)徑為0.012m。取冷卻水進(jìn)口配管流速1.5m/s。計算得配管內(nèi)徑為0.013m。取冷媒水進(jìn)口配管流速1m/s。計算得冷媒水進(jìn)口配管內(nèi)徑為0.011m。5  總結(jié)  溴化鋰吸收式制冷機(jī)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(shè)計時，應(yīng)酌情考慮提高冷媒水出口溫度，降低冷去水進(jìn)出口溫度。優(yōu)化設(shè)計及變工況條件下最佳運行參數(shù)的調(diào)整越來越要求利用計算機(jī)進(jìn)行設(shè)計和計算。本文旨在為小型太陽能氣泡泵吸收式制冷機(jī)的設(shè)計提供一定的 理論 基礎(chǔ)和初步的設(shè)計計算，對于新機(jī)型的開發(fā)還需要計算機(jī)的輔助設(shè)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(xiàn)  [1] 戴永慶主編. 溴化鋰吸收式制冷技術(shù)及 應(yīng)用 . 機(jī)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(jī). 機(jī)械工業(yè)出版社，1985.06