20KW制冷量直燃式氨吸收式制冷机组发生器设计

20KW制冷量直燃式氨吸收式制冷机组发生器设计摘要本课题主要是20KW制冷量直燃式氨吸收式制冷机组发生器设计，该装置的工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解析制冷剂的吸收剂，二者组成工质对。浓氨水溶液在发生器中被加热，分离出一定流量的冷剂蒸汽进入冷凝器中，冷剂蒸气在冷凝器中被冷却，并凝结成液态；液态冷剂经过节流降压，进入蒸发器，在蒸发器内吸热蒸发，产生冷效应，冷剂由液态变为气态，再进入吸收器中；另外，从发生器流出的稀溶液经换热器和节流降压后进入吸收器，吸收来自蒸发器的冷剂蒸气，吸收过程产生的浓溶液由循环泵加压，经换热器吸热升温后，重新进入发生器，如此循环制冷。发生器是用来使氨水浓溶液沸腾的设备，在氨吸收制冷装置中，发生器是高压、热设备热媒主要是蒸汽或是废热蒸汽，有些情况下也可以采用高温气体或燃烧气体加热。关键字 氨吸收式制冷，制冷机组，氨水，氨水发生器20KW Cooling Capacity Direct-fired Absorption Chiller Ammonia Generator DesignAbstract:The main subject is 20KW cooling capacity direct-fired absorption chiller ammonia generator design, the device including the preparation of working medium cooling capacity of the refrigerant and absorption, parsing refrigerant absorbent composition of the working fluid between the two pairs. Concentrated aqueous ammonia solution is heated in the generator, must be separated refrigerant vapor flows into the condenser, the refrigerant vapor in the condenser is cooled and condensed into liquid; liquid refrigerant through throttling, the evaporator , evaporate in the evaporator, resulting in cooling effect, the refrigerant from liquid to gas, then into the absorber; further, out of the dilute solution from the generator via the heat exchanger and the throttling into the absorber, absorbing the refrigerant from the evaporator vapor produced during absorption of a concentrated solution by the circulating pump pressure, the temperature after the heat exchanger, re-entering the generator, and so on cooling. Generator concentrated aqueous ammonia solution is used to enable the device boiling in the ammonia absorption refrigeration apparatus, the generator is a high pressure, hot device thermal steam or heat medium is mainly steam, may also be used in some cases high temperature combustion gas or heating gas.Key words:Ammonia absorption refrigeration, refrigeration units, ammonia, ammonia generator目 录1 绪论21.1选题的目的21.2 研究意义21.3研究现状31.4发展趋势31.5研究方法31.6应用领域42 氨吸收制冷机组的工作原理52.1 氨吸收制冷技术52.1.1 原理52.2单级氨水式制冷剂流程62.3氨水吸收式制冷机工作循环的热力循环83 氨吸收式制冷机组的热力循环103.1单级氨水吸收式制冷循环的热力计算10 3.2蒸发器单位制冷量10 3.3冷凝器单位热负荷10 3.4发生段单位热负荷10 3.5吸收器单位热负荷103.6溶液热交换器热负荷11 3.7分凝器单位热负荷11 3.8过冷器单位热负荷123.9循环系统的热平衡关系123.10循环的热力系数124发生器的结构设计 4.1发生器形式124.1.1单向流动式或称一次通过式发生器图134.1.2循环式发生器144.2发生器传热计算174.2.1 溶液侧的换热系数174.2.2 加热介质侧的换热系数204.2.3 传热系数224.2.4已知参数244.2.5选取参数244.2.6各状态点参数254.2.7各换热设备的单位热负荷254.2.8热平衡254.2.9热力系数264.2.10各热设备的热负荷264.2.11各工作介质的流量264.3发生器的传热系数k值得选取及传热面积264.4氨水发生器的结构计算274.4.1各换热设备的传热管根数274.4.2各换热设备的管程数274.4.3各换热设备的管径284.4.4计算管直径、厚度及水压试验294.4.5压力试验304.4.6气密性实验31总结33致谢34参考文献35II1 绪论1.1选题的目的 本次设计旨在运用所学知识并查阅相关资料设计出制冷量为20KW制冷量的直燃式氨吸收式制冷机组。熟悉蒸汽型双效氨吸收式制冷机组的设计步骤与方法，掌握运用专业软件设计制冷装置的方法，综合和深化基础课、专业课知识，培养分析问题和解决问题的能力，培养独立动手查找资料并提取有用信息的能力。1.2 研究意义 与其它形式的制冷机相比较，氨水吸收式制冷机具有如下特点：(1)采用蒸气或热水作为热源，有利于废热的综合利用，特别适合于化工、冶金和轻工业中的制冷设备；(2)以氨作为制冷剂，能制取0以下的低温；(3)整个装置除泵外均为塔、罐等热交换设备，结构简单，便于加工制造；(4)振动、噪音较小，可露天安装，从而降低了建筑费用；(5)负荷在30100%范围内调节时，装置的经济性没有明显变化；(6)维修简单、操作方便、易于管理；(7)氨价格低廉，来源充足；(8)对大气臭氧层无破坏作用； 次外，尾气、余热制冷机组是一种新型的节能、环保制冷设备，尾气、余热为驱动源通过氨水吸收制冷方式来实现制冷。通过氨水吸收制冷机组热冷转换，废气热量重新得到有效的利用，大大节约能源消耗，显著增加经济效益和社会效益,可见,氨吸收式制冷机组的研究有着十分重要的意义。1.3研究现状 氨水吸收式制冷以自然存在的水或氨等为制冷剂，对环境和大气臭氧层无害；以热能为驱动能源，除了利用锅炉蒸气、燃料产生的热能外，还可以利用余热、废热、太阳能等低品位热能，在同一机组中还可以实现制冷和制热（采暖）的双重目的。整套装置除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运转安静，振动小；同时，制冷机结构简单、安全可靠、安装方便。在当前能源紧缺，电力供应紧张，环境问题日益严峻的形势下，吸收式制冷技术以其特有的优势已经受到广泛的关注。1.4发展趋势目前，吸收式制冷正在向着小型化、高效化的方向发展，各国对吸收式技术的开发研究主要集中在联合循环、余热利用、吸收式热泵、吸收和发生过程的机理研究、换热结构和换热表面、界面活性剂及缓蚀剂、机组优化设计及经济性分析、系统的特性仿真等方面。吸收式制冷已经成为制冷技术的主要发展方向之一，有着非常广阔的发展前景。1.5研究方法吸收式制冷装置由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀等部件组成，工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂，二者组成工质对。浓氨水溶液在发生器中被加热，分离出一定流量的冷剂蒸气进入冷凝器中，冷剂蒸气在冷凝器中被冷却，并凝结成液态；液态冷剂经过节流降压，进入蒸发器，在蒸发器内吸热蒸发，产生冷效应，冷剂由液态变为气态，再进入吸收器中；另外，从发生器流出的稀溶液经换热器和节流降压后进入吸收器，吸收来自蒸发器的冷剂蒸气，吸收过程产生的浓溶液由循环泵加压，经换热器吸热升温后，重新进入发生器，如此循环制冷。1.6应用领域啤酒生产和食品的冷冻加工，食品冷冻储藏，食品保鲜储藏，冰激凌的制作及大型制冷等领域，次外，还用于化工领域，建筑领域，水利建筑，远洋捕捞及特种实验场所等领域。吸收制冷具有如下的特点：有利于热能的综合利用。山于氨吸收 制冷加热需要的热源温度较低，故可以利用蒸 汽透平的排汽；化工生产中放出的低位能的热 量，如合成氨生产中的变换气余热；也可利用 低压蒸汽作为热源，以降低生产成本。(2)氨吸收制冷设备易于加工。由于氨吸 收制冷装置除溶液泵外，都是塔、罐等静止的 化工设备，结构简单，制造周期短，各地都可 加工制造，易于上马，且维修简单，易于管理。氨吸收制冷的负荷调节范围大。通常 负荷变化在30100涔的范围内，都可以正常 生产，操作很方便。氨吸收制冷装置可以露天安装。它不 象压缩制冷那样需要大厂房，可降低建筑费用。氨吸收制冷与压缩制冷相比，噪音少， 操作环境较好。为了加速氮肥厂能源节约和综合利用的进 程，木文除介绍单级氨吸收制冷的基本原理以 外，还着重介绍氨吸收制冷的工艺设计，以便 读者丁解与从事氨吸收制冷设计时参考。氨吸收制冷的基本原理 为了解氨吸收制冷的基本原理应首先了解冷冻操作的物理基础和压缩蒸气制冷的原理。一 冷冻操作的物理基不冷冻系由低温物系中吸取热量将其传递给较高温度的物系的过程。 按照热力学第二定律,在物系之间,热能由低温传递到高温的操作,只有加入外功时才有可能。 又利用演的概念,所有自然界进行的热操作,即热能由高温传递给低温,不可避免地伴随有整个系统的嫡值的增加。冷冻操作既向相反的方向进行,则参与操作的物系,其嫡值一定要减少因此,为了操作能够进行,就必须同时另有增加滴值的补充操作,以使整个系统内的嫡值不变或有所增加,而这一补充操作则有赖于外界功或热能的加入。在工业冷冻装置中,这一补充操作是与用来压缩冷冻剂蒸气或气态冷冻剂的机械能或热能的消耗有关。2 氨吸收制冷机组的工作原理2.1 氨吸收制冷技术 2.1.1 原理 吸收式制冷装置由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀等部件组成，工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂，二者组成工质对。浓氨水溶液在发生器中被加热，分离出一定流量的冷剂蒸气进入冷凝器中，冷剂蒸气在冷凝器中被冷却，并凝结成液态；液态冷剂经过节流降压，进入蒸发器，在蒸发器内吸热蒸发，产生冷效应，冷剂由液态变为气态，再进入吸收器中；另外，从发生器流出的稀溶液经换热器和节流降压后进入吸收器，吸收来自蒸发器的冷剂蒸气，吸收过程产生的浓溶液由循环泵加压，经换热器吸热升温后，重新进入发生器，如此循环制冷。 氨水吸收式制冷以自然存在的水或氨等为制冷剂，对环境和大气臭氧层无害；以热能为驱动能源，除了利用锅炉蒸气、燃料产生的热能外，还可以利用余热、废热、太阳能等低品位热能，在同一机组中还可以实现制冷和制热（采暖）的双重目的。整套装置除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运转安静，振动小；同时，制冷机结构简单、安全可靠、安装方便。在当前能源紧缺，电力供应紧张，环境问题日益严峻的形势下，吸收式制冷技术以其特有的优势已经受到广泛的关注。目前，吸收式制冷正在向着小型化、高效化的方向发展，各国对吸收式技术的开发研究主要集中在联合循环、余热利用、吸收式热泵、吸收和发生过程的机理研究、换热结构和换热表面、界面活性剂及缓蚀剂、机组优化设计及经济性分析、系统的特性仿真等方面。吸收式制冷已经成为制冷技术的主要发展方向之一，有着非常广阔的前景。2.1.2 流程 尾气余热制冷机组采用氨水溶液作为工作介质，其工作循环是由发生、分离、冷凝、节流、蒸发、吸收六个过程组成（附流程示意图）。制冷剂循环：由尾气为发生器加热，产生出的气液混合物经分离器分离后，分离出高浓度的制冷剂蒸气。经冷凝器凝结成液体进入贮液罐。制冷剂液体通过浮球阀节流降压后进入蒸发器蒸发。蒸发后的制冷剂气体进入吸收器，被稀溶液吸收后成为浓溶液，再由溶液泵将浓溶液经溶液换热器与来自发生器的稀溶液换热后送入发生器再次加热，周而复始形成制冷循环。溶液循环：经分离器分离出来的稀溶液进入溶液换热器与浓溶液换热后，经浮球阀自动调节进入吸收器，并吸收制冷剂后成为浓溶液，再由溶液泵送入发生器加热。产生出的气液混合物进入分离器分离后，分离出稀溶液，周而复始形成溶液循环。2.2单级氨水式制冷剂流程氨水吸收式制冷机的工作循环，其中特别设有一个包含有发生器的结构较为复杂的氨精馏塔。它通过溶液在塔内反复蒸发和冷凝，使气相和液相分别以饱和蒸气和饱和液体进行温度变化，即液相温度上升，气相温度逐渐下降，最后形成纯水和纯冷剂氨蒸气。精馏塔结构以进料口为界面，下部的热质交换区称提馏段；上方的热质交换区称精馏段。提馏段下方设有发生段（即再沸段），用于加热浓溶液产生氨和水的蒸气，供进一步馏用。浓度为的的点1a状态fkg浓溶液进入精馏塔后，与精馏段下流的液体一起沿提馏段下流到发生段（再沸器）a,途中与从发生段蒸发出来向上流动的氨蒸气进行热交换，将溶液加热到沸腾状态点1，形成（1+R）kg、浓度为的氨蒸气，并继续上升经过精馏段c与分凝器d的回流液进行热质交换，溶液浓度进一步提高到，达到点5状态。在分凝器d中冷凝回流液，其所放出的热量被冷却水带走。从精馏塔顶出来的点5的纯氨气，在冷凝器中放出的热量后，凝结成为氨液，热量由冷却水带走。氨液经过氨液过冷器D过冷后，有节流阀节流到蒸发压力下的点7状态，在蒸发器E中蒸发制冷。蒸发器出来的点8状态氨气，经过过冷器加热后，进入吸收器B被从发生段底部引出浓度为的（-1）液体，经溶液热交换器F冷却到达压力的溶液所吸收，变为点4,浓度为的浓溶液。在吸收过程中浓溶液放出的热量被冷却水带走。该浓溶液然后由溶液泵输送，经溶液热交换器加热，再次进入精馏塔发生并精馏，如此不断循环。图2.1为单级氨水吸收式制冷机组循环系统 A-精馏塔（a-发生段 b-提馏段 c-精馏段 d-分凝段） B-吸收器 C-冷凝器 D-氨液过冷器 E-蒸发器 F-溶液热交换器 P-氨水泵 V-节流阀2.3氨水吸收式制冷机工作循环的热力循环 图2.2 氨水吸收式制冷机工作过程在图上的表示氨水吸收式制冷循环由如下的热力过程组成：1a-1为进入精馏塔的浓溶液在提馏段被加热的过程。1-2为浓溶液在发生段的加热气化过程。该过程中大量氨气和部分水蒸气被蒸发出来，溶液浓度有降低为。其开始蒸发出的蒸气状态和蒸发终了的蒸气状态分别为点和点的状态。因此在发生段内蒸气状态为点和点的平均状态点，其浓度为。-为提馏段的热质交换过程。点状态的蒸气上升与点状态的溶液进行热质交换，使溶液中的氨蒸发。点状态的氨蒸气浓度有提高到，达到点状态。-为精馏段热质交换过程。溶液浓度进一步提高到。-6为冷剂氨蒸气在冷凝器中的冷凝过程。-为冷剂氨蒸气在过冷器中的过冷过程。-为点状态的过冷液体经节流阀节流到压力，其湿蒸气达到点7状态的节流过程。由于该过程焓值不变，浓度不变，故两点重合。7-8为蒸发器中的蒸发过程。点8通常为湿蒸气状态，以利于限制蒸发温度的波动范围。此外，点2状态的饱和稀溶液，由发生段引出后要经历如下热力工程。-为发生段底部引出液在溶液热交换器中的降温过程。-为降温后的引出液的节流过程（因前述原因点3与点重合）。-为稀溶液进入吸收器后的吸收过程。3点状态的饱和液体吸收经过冷器其温度从点8状态上升到点状态的蒸气，最后形成点4状态的浓溶液。点4状态的浓溶液经溶液泵提升到压力，达到点状态。升压过程其浓度和焓值均不变，点和点4重合。经溶液热交换器后达到点，再回到精馏塔的发生段，重新投入循环。3 氨吸收式制冷机组的热力循环3.1单级氨水吸收式制冷循环的热力计算在已知制冷量、冷凝温度和蒸发温度的情况下，可根据氨水溶液-图进行热力计算。3.2蒸发器单位制冷量（单位为/）： =- (3-1)3.3冷凝器单位热负荷（单位为/）： =- (3-2)3.4发生段单位热负荷（单位为/）：由精馏塔的热平衡关系可得： =+（-）+- (3-3) (3-4) =-+ (3-5)式中，为溶液的循环倍率，即产生1氨蒸气所需的浓溶液量。可根据精馏塔的质量平衡计算，式4中，令，称作放气范围；为分凝器热负荷，用式（3-5)计算。3.5吸收器单位热负荷（单位为/）：根据吸收器热平衡关系可得： =+（-1）- =-+ (3-6)3.6溶液热交换器热负荷由浓溶液侧计 = (3-7)由稀溶液侧计算有 = (3-8)式中，通过和在-图上查到，其中=+（58），=+（48）。热交换器出口溶液比焓值由下式确定： (3-9)式中，0.95为溶液热交换器损失系数。3.7分凝器单位热负荷（单位为/）根据精馏段氨的质量平衡系数可得分凝器中冷凝回流液数量： (3-10)式中，为塔板回流液浓度。假定在理想情况下塔板数无穷多时，蒸气呈平衡状态，使与1点重合，则式1.5.10可改写为： 又根据分凝器的热平衡的关系： 得： (3-11)3.8过冷器单位热负荷（单位为/）： (3-12)式中，和的确定应先选定一个端部温差后，在图上查出其中一个比焓值，然后根据过冷器的热平衡关系求出另一个比焓值。3.9循环系统的热平衡关系 (3-13)3.10循环的热力系数 (3-14)一般在0.30.4范围。 4发生器的结构设计 4.1发生器形式 为了提高热力系数和制冷量，在氨水吸收式制冷机的发生器中所发生的蒸汽，通常总要进入精馏装置，以便将其中的水蒸气分离出来。因此发生器的地位和作用就如同其它化工设备中精馏塔的再沸器或塔斧一样。所以在原则上，各种形式的再沸器都可用做发生器，当然具体的形式和结构应根据热源的种类和精馏的气化要求(如负荷、流量与温度等)来选定。最常用的热源为低压水蒸气，此外还有热水、热液和热气体等。根据工质在其中流动路线的不同，发生器可分为两类：图4.1单向流动发生器流程示意图1.精馏塔；2.发生器；3稀溶液4.1.1单向流动式或称一次通过式发生器图 由底层塔板流下来的全部液体都流向发生器的入口，在发生器内受热后所形成的处于平衡状态的气液两相又都进入塔底空间，这个空间为气液分离提供了条件，经分离后的蒸汽上升至底层塔板，而浓度变稀了的液体则经由塔底连接管排出。由此可见，这种发生器起着一块完全的理论塔板的作用，所以当采用这种类型时，再算出提馏段所需的理论塔板后，可以减少一块。这种发生器的另一优点为：有底层塔板来的氨水溶液在经过发生器时温度显著升高，从而可较好地利用变温热源如热水、热气等余热资源，并可缩小传热温差，减少传热过程中的不可逆性。图4.2立式降膜式发生器1. 填料环；2.分布头；3.降膜管；4.稀溶液储槽；5.精馏塔板； 6.分凝器； 7.稀溶液；8.浓溶液；9.去冷凝器图4.2是目前采用较多的立式降模式发生器，是单向流动式的一种。在结构上，它是一台壳管式发生器，装于精馏塔的下部。加热蒸汽在管间放热冷凝，由塔的提馏段底层留下的氨水溶液则在经过分布头后成膜状沿各管的内壁成螺旋状流下，降膜沿途受热气化，所产生的蒸汽沿管内上升，与下降的膜液不断接触，起着精馏作用。而最后的稀溶液则流到底部空间排出。由此可见，这种降膜式发生器起着一块完全理论塔板的作用，蒸汽产生时，只要透过液膜，所以没有压力损失，此外，发生器内不需装储大量溶液，因而启动过程很快，当负荷改变时也能迅速适应。4.1.2循环式发生器这种发生器相当于沉浸在精馏塔下的沸腾溶液池内的一个加热发生器。最常见的有斧式和热虹吸式两种结构。 图4.3釜式发生器1.水蒸气；2.稀溶液；3.蒸汽斧式发生器可直接连于精馏塔之下或塔的内部，也可置于塔身之外，并另以管道将两者连接起来。直接相连的发生器，可以制成卧式或立式。但对于大型装置而言，立式很难布置，所以一般多采用卧式，如图所示，加热管沉浸在提馏段底层塔板下来的溶液之中，溶液由塔底进入发生器下部，流经加热管外受热后，所产生的蒸汽穿过液层返回底层塔板，则溶液超过一定液位后经堰排出器外，溶液流入发生器时可以是依靠重力的自然循环或强制循环。不难看出，由底层塔板流下来的较浓溶液与受热气化后剩余的较稀溶液混合在一起，它与所产生的蒸汽并不处于平衡状态，因此这种发生器并不能理论起到一块塔板的作用，其次，像图那样的布置，因为液层有相当的高度，再底部所受到的压力将较液面上的为大，从而 提高了较稀溶液的浓度Xa，对装置性能产生不利影响。第三，因为发生器内要保持较多量的溶液，所以所需启动的时间长，当制冷工况需要改变时，其适应性也较差，但由此带来的优点是运行比较稳定，不因热源温度和流量变化而迅速反应出来，这种发生器也可设计成采用废热气体作为热源。图4.4热虹吸收式发生器1.水蒸气；2.稀溶液热虹式发生器是化工生产中蒸发和精馏过程中所经常采用的设备，这种发生器都设置在塔体之外，如图所示，它利用塔底溶液和发生器内气液混合物的密度不同所产生的静压头差来驱使溶液流动，推动气液混合物上升回到塔中，形成自然循环，这种形式成为热虹吸。该系统也可设计成用泵进行强制循环，倘若在图所示的热虹吸发生器中，上升的溶液全部变成蒸汽，那么蒸汽与塔底液体的浓度将相同，如果加热到不使全部气化，则返回塔底的稀溶液部分将和较浓溶液混合，不论哪种情况，发生器都不能起到一块完全理论塔板的作用，如果设计成图所示那样，溶液由底层塔板直接进入发生器底部，则就将成为单向流动的发生器了。（围内运行的民用热泵和空调系统所需要的匹配能力，无论以空调或供热方式运行，都能提高系统的性能。特别是在低于60hz转速下运行的空调系统，它可以明显调高系统运行的效率。而对于供热情况，在高于60hz下运行，它可以明显的提高系统的供热能力，这对于系统也是非常重要的。回转式压缩机在很宽的压缩比范围内都具有最佳效率，一般应用于容量小于3.5kw的系统。超过这个范围，无论是制冷或供热系统，变速往复式和涡旋式压缩机系统在实际应用的压缩比条件下，通常具有较高的能效比。提高效率的另一途径，则是改动驱动电机和变频器，供电机的输出和压缩机的负荷更好的匹配，以及改进变频器的输出以获得最佳电机效率，这些可能性都是存在的。）4.2发生器传热计算 传热计算的主要目的在于确定设备的传热面积f。有传热基本方程式知：F=Q/Tm (4-1)式中Q-发生器热负荷，W，已于系统的热力计算中求得；Tm -平均传热温差，。K-传热系数，W/当传热面为平板或管壁厚度与直径相比很小时，可表示为（未计污垢系数）： (4-2)式中加热介质侧的换热系数，W/传热面壁厚，入壁的导热系数，W/沸腾溶液侧的换热系数，W/为算的传热系数起见，应先分别求出传热面两侧的换热系数。4.2.1 溶液侧的换热系数现仅就上述几种常用形式发生器内溶液发生侧的沸腾换热的计算方法予以介绍。（）釜式发生器釜式发生器中的发生过程一般都按大容器沸腾来考虑，从传热学原理知道，在一定压力下，根据壁面温度与液体主体温度之差的不同，沸腾可有三种状态，即自然对流（表面蒸发），核态沸腾和膜态沸腾。费拉特金曾对在大容器内放置，水平加热管的氨水系统进行了实验研究，实验的压力范围为：0.491.37Pa，热流密度范围为W/，得出下列关系式： (4-3)式中C及指数n是浓度、压力p和热流密度q的函数，当q5815 W/时，转入核态沸腾，所产生的蒸汽泡将起扰动作用，使换热增强，n值就可根据溶液的浓度在0.540.7的范围内选取，中等浓度时取小值，接近纯水或纯氨时取大值。这是因为在=0.10.5范围内，氨水溶液较纯工质有高的多的粘度值，大大的影响了换热系数。费拉特金将实验结果制成了计算图，如图所示，这个结果是在沸腾氨水溶液中放置水平单管的情况下得到的，当溶液内放置的是水平单管时，由于上面各排管受下层加热面上产生的上升气泡的扰动，使换热增强，因而换热系数较式（3）或图5算的为大。据文献介绍，平均要大20%60%，沸腾温度越低，温度T越小，则换热系数的提高越显著。 图4.5氨水溶液中放置水平加热管时沸腾换热系数的计算图（b）立式降膜发生器西德borsig公司曾对图2的立式降膜式发生器用的直径为50mm，长度为1800-2500mm的垂直管子，用氨水溶液在其中进行了降膜沸腾的实验研究，溶液所处压力范围为0.7851.37mpa，所用加热饱和水蒸汽压力在0.0980.392mpa范围内变动，得出了溶液侧换热系数随壁温tw与溶液温度tlm之间的温度差T的变化关系，并以热流密度为参变量，如图所示，可以看到随着T的增大，换热系数将不断降低，这是因为在0.781.47mpa的压力下，氨水溶液沸腾的临界温度Tc在4以下，图6所表示的过程已处于膜态沸腾范围内的缘故，不过在这个图中并未表示出溶液压力和喷淋量以及浓度等对换热系数的可能影响。 图4.6 氨水溶液在立管中降膜沸腾时的换热系数 以后苏联学者符尔戛夫特与戛里莫娃对管径为38X3.5mm，长度为3500mm的管子进行了实验，试验是在下列范围内进行的：热流密度：141000281000 W/，喷淋密度：0.0890.144kg/s.m;压力：0.61.4mpa；浓度:0.30.5kg/kg。并将结果整理成下列关系式 （4-4）Q-热流密度,W/-溶液的喷淋密度，kg/s.mP-系统内压力，mpa式（4-4）表明，换热系数将随着热流密度增加而增加，这是因为当q增大时，受热面上产生的蒸汽泡会使膜的紊流程度增大。而溶液的喷淋密度则对换热系数起着相反的作用，这是由于增大喷淋量时会导致膜内产生不稳定沸腾的工况。因此沸腾时，喷淋密度应维持为保证管壁表面被完全覆盖所必须的最小值。在所研究的范围内没有发现换热系数随浓度变化的明显迹象，这一点与前述大容器内沸腾情况不同，研究结果还表明，溶液在立管模式沸腾时的换热系数较大容器沸腾时的数值提高30%。后来上述二位学者又对沿膜式发生器的立管高度的温度变化进行了研究，将换热系数表示成与温差的关系式， (4-5)式中t-管壁温度tw与溶液温度tl之差，G-进入管内的溶液量，kg/sP-压力，pa研究表明，随着液膜沿管壁下降，溶液温度将因浓度变稀而上升，设加热介质为饱和水蒸气，管壁温度基本保持不变，则温差T将不断减小，使下部管段的换热效果迅速恶化，因此管子的高度应选择适当，不宜过长。（c）立式热虹吸式发生器图4.7 立式热虹发生器1.液面；2.蒸发段 立式热虹吸式发生器的布置通常如图所示，溶液由塔流入发生器的底部，受热沸腾产生的气液混合物由发生器顶部返回塔底，发生器传热管内溶液的沸腾过程，大体可分为如图所示的预热段B-C和蒸发段C-D两部分，在预热段内溶液被加热的沸点，这时的换热过程遵循单相对流传热的规律。从C点开始，由于沸腾气泡的产生，形成了气液两相流动，并随着加热过程的进行，历经泡状流，塞状流、环状流、雾状流等阶段，总称之为蒸发段。蒸发段内的换热系数不仅与预热段不同，而且段内各处的数值也相差甚大，虽然迄今尚未见有针对氨水溶液在立式热虹吸式发生器中的实验数据和计算方法的报道，但是可以借鉴化工设备中热虹吸式再沸器通用的设计方法，此法的基本过程是，先分别计算出预热段的换热系数a1和蒸发段的平均系数，然后再算出在给定压力下预热段的长度Lbc和蒸发段的Lcd，这样就可由下式算出溶液侧的换热系数aL （4-6）4.2.2 加热介质侧的换热系数 （a）以水蒸气为加热介质水蒸气是迄今应用最多的加热介质，蒸汽放热后凝结成液体，其换热系数可在努谢尔特公式计算的基础上提高20%得到。对于竖壁和竖管外的冷凝换热 （4-7）-沿竖壁的平均换热系数，W/.-液膜的导热系数，W/.-液膜的密度，kg/m r-汽化潜热，j/kgg-重力加速度，9.8m/s -液膜的动力粘度，kg/m.sL-竖壁或竖管高度，mt-水蒸气在相应压力下的饱和温度ta与壁关温度tw之差，摄氏度。对于在水平管外的膜状凝结，平均换热系数为： （4-8）式中 -由式（4-7）算的的竖壁上的换热系数，W/. L-竖壁高度，m对于蒸汽在水平管内的研究仍然很不充分，因为水蒸气在水平管内凝结产生的液体将和蒸汽一起流动，形成两相流。随着凝结过程的进行，蒸汽量不断减少，而冷凝液则相应增加，气液量之比不断改变，因而换热过程比较复杂，文献【6】认为这种情况仍可采用，单向流体在管内轴向流动时的公式，即 （4-9）其中 （4-10） 只要根据Re范围和流动状况，应用恰当的常数C和指数m与n值即可，但Nu。和Re中的特性直径的定义与单向流体流动时不同，对于层流和紊流膜状凝结，如果凝膜流动是由于重力引起的，则为： （4-11）式中： v-运动粘度，/s u-动力粘度，kg/m.s p-密度，kg/m 显然这里的特性直径纯粹是流体的物性参数，但具有长度的量纲，在大雷诺数时（Re2000）液膜的流动主要由蒸汽流动所产生的剪切力驱动，这时的特性直径由液气密度pl和pv的相对值来确定，即： （4-12）式中： （4-13）其中 d-管子内径，m在水平管的冷凝情况下，式（4-9）中的常数和指数值如表一所示。表1常数或指数cmnRe20001.180.024-1/30.800.4图4.8图4.9 通过壁面传热时的温度分布（b）以其他热液体或气体为加热介质热液体也包括各种压力下的热水在内，这些热介质在放出热量时没有相变，只有自身温度的降低，他们在各种不同条件下的换热系数的计算公式很容易从一般传热学教材或手册中查到。 4.2.3 传热系数在以水蒸气为加热介质的发生器中，通过加热面的传热过程应满足下列关系，如图所示。 （4-14）式中各符号的含义见图，因为在求ac和ab时都需知道壁温tw，所以是相互制约的，壁温不能任意选取，要用是凑法来确定，一般可以消掉式（4-14）中的twb，并解出twc： （4-15）这样，壁温twc的选取必须满足式（4-15）。其选择的步骤可为：（a） 先在tstwctl的范围内选择三个以上不同的壁温twc，用来分别计算各个ac和ab值；（b）再代入式（4-15）求得不同的twc；（c）将这些点画在图上，连成一条曲线，如图所示，这条曲线与45对角线相交之点的温度即为满足式（4-15）的壁温tw。（b）图4.10壁温Twc的确定在此壁温下的ac和ab，即为待求的换热系数，在适当考虑污垢系数后，就可先后由式（4-2）和式（4-1）算的传热系数k和传热面积f。常用形式发生器的传热系数数值范围如表2所示。发生器型式加热面热流密度传热系数具有加热蛇管或管束的立式或卧式釜式发生器232602675014002300立式降膜式175003140014002800套管式约10500930图4.11图4.114.2.4已知参数制冷量 Q0=20kw 4.2.5选取参数蒸发器入水口冷媒水温度tc1=12蒸发器出水口冷媒水温度tc2=7冷却水温度 tw=32加热蒸汽压力ph=0.1MPa（表压）加热蒸汽温度th=119.62吸收器出口冷却水温度 tw1=tw+tw1=38 取tw1=6冷凝器出口冷却水温度 tw2=tw+tw2=38 取tw2=6冷凝器冷凝温度 tk=tw2+tk=38+5=43冷凝器压力 pk=64.8mmHg 由tk查饱和水蒸气表蒸发器蒸发温度 t0=tc2-t0=5 取t0=2蒸发器蒸发压力 p0=6.54mmHg，由t0查饱和水蒸气表蒸发器吸收压力 pa=p0-p0=6.54-0.54=6mmHg 取p0=0.54mmHg发生器压力 pr=pk=71.9mmHg吸收器出口稀溶液温度 t2=tw1+t2=38+4=42吸收器出口稀溶液浓度a=59.5% 由f（pa，t2）查溴化锂溶液h-图确定发生器出口浓溶液浓度r=a+=59.5+4.5=64% 由f（pr，r）查溴化锂溶液h-查得th=109发生器出口浓溶液温度 t4=th-t2=109-14=95热交换器出口浓溶液温度 t8=t2+t8=42+15=574.2.6各状态点参数蒸发器中冷剂水焓 i1=105.03kcal/kg，由t0查饱和水蒸气表蒸发器中冷剂蒸气焓 i1b=699.5kcal/kg，由t0查饱和水蒸气表吸收器中稀溶液焓 i2=66.8kcal/kg，由f（pa，）查溴化锂溶液h-图确定冷凝器中冷剂水焓 i3=145kcal/kg，由tk查饱和水蒸气表冷凝器进口冷剂蒸气焓 i3b=738kcal/kg，由f（pk，）查溴化锂溶液h-图确定发生器压力 pr=pk=64.8mmHg发生器出口浓溶液焓 i4=92kcal/kg发生器中稀溶液开始沸腾温度t5=89发生器中稀溶液开始沸腾焓 i5=88kcal/kg系统溶液循环倍率a=r(r-a)=64/(64-59.5)=14.2热交换器出口稀溶液焓i7=i2+(a-1)/a(i4-i8)=66.8+(14.2-1)/14.2 (92-74.5)=83kcal/kg吸收器喷淋溶液循环倍率 取fa=17.2查相液等压线，得t7=82热交换器出口浓溶液焓 i8=74.5kcal/kg吸收器喷淋溶液焓 i9=(fai2+(a-1)i8)/(fa+a-1)=(17.266.5+(14.2-1)74.5)/(17.2+14.2-1)=705kcal/kg吸收器喷淋溶液浓度9=(faa+(a-1) r)/(fa+a-1)=17.259.5+（14.2-1）640/(17.2+14.2-1)=61.5%吸收器喷淋溶液温度t9=48.5，由f（9，i9）查氨水溶液h-图确定。4.2.7各换热设备的单位热负荷qg=i31b+(a-1)4-ai7=738+(14.2-1)93.4-14.283=757.9kcal/kg4.2.8热平衡加入系统的热量 qg+q0=757.9+554.5=1312.4带出系统的热量 qk+qa=593+734.4=1327.4kcal/kg(1327.4-1312.4)/1327.4=0.0101% 符合要求4.2.9热力系数=q0/qg=556.5/757.9=0.734.2.10各热设备的热负荷Qg=Dqg=927757.9=704847kcal/kg4.2.11各工作介质的流量1）、加热蒸汽流量 加热蒸汽的汽化潜热 rh=526.1Gh=1.05704847/526.1=1406.74kg/h2）、冷媒水流量 V0=Q0/1000（tc1-tc2）=515880/（100（12-7）=103m3/h3）、冷却水流量吸收器冷却水流量 Vma=Qa/(1000(tw1-tw)=680788.8/（10006）=113.46 m3/h冷凝器冷却水流量 Vmk=Qk/(1000(tw2-tw)=549711/(1006)=91.6 m3/h4)、稀溶液循环量 稀溶液比重 rg=1700kg/m3 查氨水溶液密度图Vg=aD/rg=14.2927/1700=7.74 m3/h5)、吸收器喷淋溶液流量 喷淋溶液的比重 r9=1728kg/m3Vg=(fa+a-1)D/r9=(17.2+14.2-1)927/1728=16.3 m3/h6)、蒸发器冷剂水喷淋量 蒸发器喷淋冷剂水循环倍率 取 f0=10V0=f0d/1000=10927/1000=9.27 m3/h4.3发生器的传热系数k值得选取及传热面积Kg=930kcal/m2.h.传热面积：Fg=Qg/(Kg（th-t5）-0.65(t4-t5)=704847/(930(119.62-89)-0.65(101-89)=33.18m24.4氨水发生器的结构计算4.4.1各换热设备的传热管根数 在本例中各换热设备均采用161的紫铜管，管长设为L=4m，有效长度L0=3940mm每米传热管的外表面积为f0=d0=0.016=0.0502 m2/m每根传热管的有效传热面积 fn=f0L0=0.05023.94=0.197788 m2/根发生器 ng=fg/fn=33.18/0.197788=168根冷凝器 nk=Fk/fn=37.47/0.197788=190根蒸发器 n0=F0/fn=71/0.197788=359根吸收器 na=Fa/fn=97.75/0.197788=464根热交换器 nt=Ft/fn=43.3/0.197788=219根4.4.2各换热设备的管程数每根管子的截面积s=d2/4=3.140.0162/4=0.0002m2 1）、发生器 发生器分为2管程，冷却水管数约为发生器总管数的1/10 为1681/10=16.8取16根，则蒸汽管数为168-16=152根2）、蒸发器取管内水的流速为2m/s则每管程管子数为 n=V0/(sv0)=103/（0.000223600）=71.5 管程数 359/71.5=5.02 因设计结构需要取管程数为6每管程为60根 共360根3）、吸收器取管内水流速为2m/