20KW制冷量直燃式氨吸收式制冷机组发生器的设计

20KW制冷量直燃式氨吸收式制冷机组发生器设计 摘要:吸收式制冷因其具有耗电少、能源适应性强、制冷工质对环境无影响等优点而成为制冷空调领域近几年的研究焦点。天然气作为一种清洁能源,在能源消费结构中的比重将有较大提高。因此对直燃型户式空调系统的研究有重要的理论和现实意义。本文主要对一种新型吸收式制冷系统-直燃式氨吸收式制冷系统进行了研究,目标主要是满足直燃型户式空调系统的小型化、风冷条件,并具有较高的性能系数。关键词:氨水溶液,吸收式制冷系统,风冷冷却,直燃型。20KW cooling capacity direct-fired generator ammonia absorption chiller designAbstract：Absorption refrigeration energy because of its less power consumption, strong adaptability, cooling the advantages of no impact to the environment and become the focus of research of the refrigeration and air conditioning field in recent years. Natural gas as a clean energy, in the proportion of energy consumption structure will have improved greatly. Therefore studied household air-conditioning systems research has important theoretical and practical significance. This paper on a new type of absorption refrigeration system of a medium voltage double effect cascade absorption refrigeration system is studied, the target is mainly to meet the miniaturization of direct household air conditioning system, air condition, and has a higher coefficient of performance.Key words：ammonia-water solution, absorption refrigeration system, air-cooling, gas-fired.目录1绪论11.1吸收式制冷技术的研究现状11.1.1吸收式制冷技术的发展11.1.2吸收式制冷技术的国内外研究现状22 氨吸收制冷循环概述62.1 吸收式制冷原理62.2氨吸收制冷循环72.3循环流程72.4系统的热力计算83 直燃式氨吸收式制冷机组发生器设计103.1 发生器的构成及工作原理103.1.1 直燃式气体发生器组成系统103.1.2 直燃式气体发生器的工作原理103.2 直燃式气体发生器的优势103.3直燃式发生器的主要组成部分113.3.1燃烧器113.3.2风机123.4直燃式发生器换热系统及其工作原理123.5发生器系统传热过程分析123.5.1燃烧室内的换热过程分析133.5.2烟气对燃烧室壁面的辐射传热分析13I3.5.3烟气对燃烧室壁面的对流传热分析153.6换热器内的换热过程分析163.6.1直燃式发生器管内外流场分析163.6.2直燃式发生器管内外传热分析174 直燃式发生器的设计计算194.1.直燃式发生器的热力计算194.2各状态点数值计算选取204.3发生器的设计234.3.1发生器的相关计算244.4系统中泵的选择26总 结27致 谢28参考文献29II1绪论能源与环境问题目前己成为制约全球可持续发展的两大主要难题。能源是指为人类生活提供能量和动力的物质资源。它是国民经济发展的物质基础，也是人类赖以生存的物质基础。随着社会生产力的迅速发展和人口的急剧增长，世界能源消耗量迅猛增加，近35年中世界能源消耗量翻了一番，到2050年全球人口将是现在的2倍，全球能耗也将再翻翻。因此，为了保证经济的持续发展，世界各国都在寻找各种方法以便更加有效地开发和利用能源。臭氧层的破坏，对人类健康和人类所依赖的生态环境造成了巨大的有害影响。保护臭氧层己经成了世界各国义不容辞的迫切任务。我国人口众多、各行业正处在迅速发展阶段，人均能源存储量不高，能源短缺和环境污染日益严重的问题在我国尤为突出。从环保要求来看，导致我国大气污染的排放物中，90%的, 85%的,67%的及95%的烟尘来自煤的燃烧。因此推广使用天然气等清洁能源，对改善我国大中型城市的环境状况有着特别重要的意义。也为研究新型燃气设备提出了更高要求和提供了市场机遇。采用天然气直接燃烧的直燃型吸收式制冷机组可以提供制冷、采暖、生活热水等，具有电压缩空调机无可比拟的优点。直燃型吸收式制冷机组不需要耗电量极大的压缩机和专用电气设备，一般直燃机比电力制冷机组省电95%以上。直燃机比电力制冷机组运行费用低，一般是电力制冷机组的5O%左右。而且整套装置基本上是热交换器的组合体，除了泵以外基本没有运动部件，振动、噪音小，运行平稳。结构简单，制造方便，安装灵活。燃烧产物符合环保要求。因此直燃型吸收式制冷机组已成为公认的很有前途的发展方向，将成为燃气小型户式中央空调的主要形式。目前的技术关键是提高其设备紧凑度和运行效率。当前我国对吸收式制冷新技术、新产品的研究与开发还落后于世界发达国家，尤其是在对环境无破坏作用的新型吸收式制冷循环和制冷工质对的研究与开发能力还比较薄弱，重点研究高性能系数的新型吸收式制冷系统，在节约能源、保护环境等方面具有重要的理论和实际意义。1.1吸收式制冷技术的研究现状1.1.1吸收式制冷技术的发展从利用天然冰等自然冷源过渡到人工制冷，是制冷技术发展的初始阶段。在这个阶段，吸收式制冷技术的研究和开发曾风光一时。标志性的事件有1777年，Nairne E.Geral的硫酸吸水制冰试验;1810年，J.Leslie的硫酸一水吸收式制冰装置;E.Carre设计、生产的小型硫酸一水间歇式制冰机:1859年，F.Carre制成以燃煤炉为驱动热源的直燃型氨-水吸收式制冷机，并于1860年申请专利，这是一个很大的进步，己具备现代吸收式制冷机的基本特点。以后，C.Munters和B.Von Platen制成氨-水-氢扩散吸收式冰箱，于1920年取得专利，在20世纪2030年代流行于世。长期以来，氨-水吸收式制冷机只是作为食品加工和化工生产流程中的制冷装置得到应用，氨-水-氢扩散吸收式冰箱只在一些特殊场合应用。以后，美国Arkla公司在1969年向市场推出Servel牌号的小型燃气氨吸收式空调机:1996年至今，日本的日立造船、大金等公司向市场推出氨吸收式制冷机组。20世纪60年代，美国、日本和前苏联能够利用廉价的天然气，而我国则能利用丰富的煤资源，采用溴化锂吸收式冷水机组缓解电力供应不足的困难。当时，美国和日本相继制成了蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组，还开发了直燃型溴化锂吸收式冷热水机组。近30年来，吸收式制冷技术进入了蓬勃发展的阶段。1973年中东石油危机推动了能源利用技术的发展，使利用低品位热能的吸收式热泵技术、热-电-冷联产技术等吸收式冷热源设备的研究，进入了实用化的开发阶段。1987年，关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书签订以后，由于吸收式制冷技术可采用对环境无破坏作用的天然制冷剂，而氨作为一种天然工质，其臭氧层损耗潜能值(Ozone Depletion Potential即ODP)和全球变暖潜能值( Global Warming Potential即GWP)均为零，价格低廉，是HCFC-22的30%，机组能效高，运行费用低等，氨-水工质对得到了科技界的重新认识和推广应用。直燃型多效吸收式制冷机、高效氨水GAX回热循环吸收式制冷机、小型氨水吸收式制冷机进入了商业化开发阶段，蒸汽型和热水型吸收式机组在余热利用、总能系统和区域集中供热供冷方面得到了进一步的推广应用。1.1.2吸收式制冷技术的国内外研究现状当前，国内外对吸收式制冷技术的研究都在不断深入，主要集中于吸收式制冷系统的研究。为了充分发挥吸收式制冷系统的优势，提高循环的性能系数，扩大其应用范围，目前世界各国都在积极研究各种新的吸收式制冷循环系统，以提高性能系数，降低能源消耗。就小型吸收式循环系统而言，比较有前途的是GAX循环，这是目前国际上研究的焦点，国内学者也有这方面的报道。GAX (Generator-absorber heat exchange的缩写)是指吸收式机组中发生器与吸收器进行内部回热，将吸收过程中放出的吸收热回收，并送至发生器以供发生之用，从而提高机组的热效率，改善循环性能。GAX概念最早有Altenkirch于1913年提出，直至80年代才逐步受到重视。1982年，美国能源部准备开发高效吸收式热泵，期望环境温度8.2时的供热COP=1.6, 35时的供冷COP=0.7。共资助了三项研究，评估各种循环的性能。其中的两项研究均推荐GAX回热循环作为高效吸收式热泵的理论基础。在产品开发方面，Phillips公司1984-1985年制造出家用或小型商用GAX循环燃气吸收式热泵的实验样机，其COP其范围0.7 -0.9，供热COP其范围1.6-1.8； 1989年，美国Trane公司完成了80KW基本GAX循环商用制冷机的实验样机测试；1990年，Battelle研究所进行了替代的吸收器设计，并建立了吸收器动态性能的实验系统；1993年初，荷兰一台250KW基本GAX循环热泵投入运行;1993年8月，美国Alaska州的Kotzebue镇的一台VX循环制冰机投入使用，该机的热源为70的柴油发电机冷却水，冷量为50KW, COP=0.350基本GAX循环 phillips于1990年提出了较为成熟的GAX循环方式，称为基本GAX循环。图1.1基本的GAX循环图1.1中，吸收器与发生器均被分为三部分。吸收器包括GAX吸收器GAXA,溶液冷却吸收器SCA(或AHX)及外部冷却吸收器ECA，发生器包括GAX发生器GAXG、溶液加热发生器SHG(或GHX)及外部加热发生器EHG。状态为1的溶液在EHG中被加热发生出蒸汽10后，温度达到最高，浓度(氨)状态为2;溶液2进入SHG，加热温度稍低的溶液，自身温度降低，出口状态为3达到最低，出口然后进入GAXA进行吸收过程，吸收热由GAX部件的传热介质(如冷却水)带走，溶液吸收后，浓度升高，出口状态为4;状态为4的溶液进入SCA，进一步吸收蒸汽，浓度升高，出口状态为5，然后进入ECA，在ECA中吸收蒸发器出来的氨蒸汽，浓度至最高，温度降至最低，出口状态为6，这样的溶液再进入SCA带走其中的吸收热后，与精馏器流出的溶液8混合，进入GAXG，利用GAXA中的吸收热(通过传热介质回路)进行发生，浓度降低，温度升高，出口状态为9，然后进入SHG，被高温溶液加热发生后，出口状态为1。这样就完成了溶液循环。发生器中产生的蒸汽经精馏器REC后，依次进入冷凝器COND,蒸发器EVAP，最后进入吸收器被吸收，完成冷剂循环。Engler研究了GAX循环供冷COP与基本单效循环(BSEC)、有预冷单效循环(SECP)、吸收器发生器自回热循环(AHE)及有溶液热交换器的AHE循环(AHE-HEX)的对比，研究表明，随着环境温度的升高，由于溶液温度、浓度范围的减小，GAX循环内部回热减弱，在出口温度为550时，吸收器与发生器之间的温度重叠消失，GAX循环的COP与AHE循环的相等。随着研究的深入，GAX循环出现了不同的种类，比如:分支GAX循环、 VXGAX循环、半GAX循环及多分支GAX循环等。基于热交换思想的另一种制冷循环是复叠式循环。如图1.2所示，该制冷循环是由高温高压和中温中压两个氨水吸收式制冷循环复叠而成。高温热源加入到高压发生器内，产生高压饱和氨蒸汽，因饱和压力的提高，使氨蒸汽的冷凝温度随之提高，这样就可利用氨的冷凝热来作为中压发生器的热源。冷凝后氨液经减压进入蒸发器内蒸发，吸收低温环境的热量。蒸发后的氨蒸汽在吸收器内被低浓度氨水所吸收，所产生的吸收热也作为中压发生器的热源。图1.2氨水复叠式吸收制冷循环在中压发生器内，利用高压级循环中冷凝器和吸收器所排出的热量使发生器内的氨水分离，经中压冷凝器冷凝后，减压进入同一台蒸发器内吸收低温环境的热量。蒸发后的氨蒸汽在吸收器内被较高浓氨水所吸收。在该级制冷循环中冷凝和吸收过程的热量被冷却水带走。采用复叠式吸收制冷循环可以大幅度地提高制冷系统的性能系数。研究表明，当高、低压循环的放气范围在6%以上时，上图所示循环的COP能达到1.0以上。但是该循环中发生器和冷凝器的工作压力很高，不利于设备的制造与加工，不利于降低设备的成本，也不利于系统运行的安全。然而，在双效机组中冷凝热、吸收热等热量还是没有得到充分利用。为了进一步提高COP，人们在双效循环的基础上，又提出了三效吸收循环。这些三效循环一般是通过多次利用驱动热能来达到提高COP的目的。主要方法有:多次利用冷凝热;多次利用吸收热;利用冷凝热的同时又利用吸收热。图1.3所示为多次利用吸收热的三级吸收循环，由三个单级循环叠加而成，低温级发生器:分别以上一级的吸收器放热为热源。由于该循环的工作压力较小，但循环所允许的浓度差较大，适合于氨-水等工质。图1.3利用吸收热的三级三效吸收循环在国内，对氨水吸收式制冷的研究主要集中在利用低品位热源，比如太阳能或废热的利用等。北京航空航天大学制冷研究所对低温热源驱动的氨水吸收式制冷循环进行了分析研究，它在原有循环的基础上使用了一个内部的吸收-蒸发器(低压吸收器)，增大了循环的放气范围，可以在100以下的低温热源的驱动下获得零度以下的低制冷温度，其COP值大约为0.248左右。东南大学研制的具有两级发生、两级吸收流程的双级氨水吸收式制冷机也是以工业余热为动力的制冷装置，其特点是可以用低品位的工业余热来制取较低温度的冷量。有关这些循环的研究方法主要是从热力学的角度分析各种循环的优劣。这方面的研究大致有三个方面:a)鉴于一些循环，比如双效、三效循环，总是可以看作由一些单级循环叠加而成，采用一些较合理的假设，以各单级循环的COP为变量简单而又方便的计算出系统的COP。b)根据循环所采用的特定工质及给定的设计工况，进行计算机编程，对系统进行详尽的模拟计算。这一方面国外学者进行了广泛而深入的研究。这种方法的优点是全面综合分析循环，在研究循环静态特性的基础上可以对循环的动态特性进行进一步研究并据此考虑系统的优化;缺点是计算的复杂程度和难度大，要求工质的物性计算精度高。c)以整个吸收循环为对象，用热力学第二定律进行分析。由于吸收循环中各部件的吸、放热是在不同温度范围内进行的，品位有高低，因此仅以性能系数(COP)来描述是不够的。能效率和热力学完善度的提出可以不仅从量上，更从质上分析循环中能量的消耗及转换，评价循环的优劣，同时以此为依据对循环进行热力学优化。2 氨吸收制冷循环概述2.1 吸收式制冷原理吸收式制冷是液体气化制冷的一种，它和蒸气压缩式制冷如图2.1一样，是利用液态制冷剂在低压低温下气化达到制冷的目的。所不同的是:蒸气压缩式制冷是靠消耗机械功(或电能)使热量从低温物体向高温物体转移:而吸收式制冷则是靠消耗热能来完成这种非自发过程。目前常用的吸收式制冷是氨吸收式制冷和溴化锂吸收式制冷，下面具体说明吸收式制冷的工作原理。如图2.2所示，吸收式制冷机主要由四大换热设备组成，即发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器。它们组成两个循环环路:右半部分的制冷剂循环和左半部分的吸收剂循环，在热力学上制冷剂循环属逆循环，吸收剂循环属正循环。在工作时，来自发生器的高压制冷剂蒸气在冷凝器中冷凝成液体再经膨胀阀节流后在蒸发器中蒸发，从而达到制冷的效果;蒸发器中产生的低压蒸气在吸收器中被浓溶液吸收，产生的稀溶液由溶液泵升压后到发生器再被高温热源加热再次产生高压蒸气。在整个工作过程中左半部分起到了蒸气压缩制冷中的压缩机的作用;右半部分则与蒸气压缩制冷中的冷凝器、蒸发器作用相当。压缩制冷原理和吸收制冷原理区别可对比图2.1和图2-2氨吸收制冷是以氨作为制冷剂，以水作为吸收剂构成溶液循环系统的制冷装置。由于采用氨作为制冷剂，因此氨吸收制冷适用于蒸发温度为5060的制冷工况。氨吸收制冷的加热热源，通常为蒸汽，最好利用生产过程中散发的各种余热(如高温水、高温气体)，有时可采用直接燃烧气体加热发生器。而我们所研究的就是直燃式氨吸收制冷发生机组发生器。 图2.1 压缩制冷循环图2.2 吸收式制冷循环2.2氨吸收制冷循环图2.3 氨吸收制冷循环流程2.3循环流程氨水吸收式制冷系统一般由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液换热器等五部分组成，此外，还有节流阀、溶液阀、溶液泵等辅助设备。图2.3表示的是氨吸收制冷循环流程。氨吸收制冷过程由浓、稀溶液的浓度变化以及氨气、氨液的相态变化这两个基本循环所组成。从冷凝器流出的饱和氨水溶液经节流阀降压降温，形成干度很小的湿饱和氨蒸汽。进入蒸发器从冷库吸热，定压汽化，成为干度很大的湿饱和氨蒸汽或干饱和蒸汽，送入吸收器。与此同时，蒸发器中由于氨蒸发而浓度降低的氨水溶液经减压阀后也流入吸收器，吸收由蒸发器中带来的饱和氨蒸汽，生成浓氨水溶液，吸收过程中放出的热量由冷却水带走。浓氨水溶液由溶液泵加压送入蒸汽发生器并被加热。由于温度升高，氨在水中的溶解度降低，氨蒸汽逸出液面形成浓溶液平衡的较高压力、较高温度的氨蒸汽。氨蒸汽进入冷凝器，放热凝结成饱和氨，完成循环。2.4系统的热力计算（1）已知参数制冷量20KW，冷凝器冷却水进口温度12;稀溶液浓度氨=50% 。（2）设计参数的选定蒸发温度Te=13 ;冷凝温度Tk=20 ;冷凝压力Pk=2400Pa;低压室压力2700Pa;高压室压力6000 Pa;放汽范围(水-氨)=2% 。（3）各状态点参数值的确定根据上述所选的参数，查氨水溶液的h焓图，可确定制冷循环中各状态点的焓值以及温度、压力和质量分数。 (2-1) (2-2)其中一制冷量m一冷剂氨蒸汽质量流量一13时氨的汽化潜热M一稀溶液循环量一进入发生器时浓溶液的焓值一流出发生器时稀溶液的焓值一浓溶液质量分数一稀溶液质量分数根据公式（2-1）和（2-2）可求得冷剂氨蒸汽质量流量为m=4kg/s，稀溶液循环量M=1048/s。1.发生器各状态点参数值的确定氨水溶液进入发生器温度为20 , =85氨蒸汽出口温度由低压室压力确定为=25 稀溶液出口温度由低压室压力和溶液的质量分数确定为=45。2.冷凝器各状态点参数值的确定冷凝器冷却水出口温升6为=18冷凝器冷剂水出口温度由冷凝器压力确定为=20 3.混合器各状态点参数值的确定混合器冷却水出口温升5为=3 5 混合器稀溶液出口温度降5 为=40 4.溶液热交换器各状态点参数值的确定热水出口温度降15 为=80溶液出口温升45 为=85 系统各状态点参数如表2.1所示表2.1系统各状态点参数（4）系统热平衡计算进入系统的热量：40KW系统排放的热量：40KW+5KW25%（5）系统制冷系数的计算=0.53 直燃式氨吸收式制冷机组发生器设计分析3.1 发生器的构成及工作原理3.1.1 直燃式气体发生器组成系统直燃式气体发生器由六部分构成。20KW制冷量直燃式氨吸收式制冷机组发生器设计气体发生器本体:包括燃烧室和蒸发段。高压空气供给系统:包括空气压缩机、空气滤清器、调节阀门及管路。燃油供给系统:包括油箱、油泵、油滤清器、调节阀门、管路及喷油嘴。供水系统:包括水箱、水泵、水滤清器、调节阀门、管路、喷水嘴及水垢清除仪。其目的是向燃气中喷高压雾化水。点火系统:在冷启动时将燃油引燃，使其稳定燃烧。它包括高压发生装1、高能电嘴和导线。测量控制和安全保障系统:包括对进口压缩机空气压力、供油压力、供水压力、出口压力、出口温度、点火电压的测量;控制电源、电动机的启动与停止、点火开、关;电源、电动机、油滤、水滤、水垢清除仪等信号灯;控制箱本体、仪表板、电器导线及元件。它保证系统的测量、调控和安全。3.1.2 直燃式气体发生器的工作原理该设备采用直接换热的方式，在炉体顶部分别布置空气喷嘴、油喷嘴及点火元件。内壁采用抗高温、抗氧化材质，壁内设冷却水套。设备工作时，给水首先泵人冷却套，冷却内壁，使其温度保持在680C，同时将给氨水预热。根据雷诺数(Re)、普朗特数(Pr)、努谢尔数(Nu)等一些参数的综合作用，实现壁温与流量的匹配。预热过的氨水溶液通过换热管燃烧室上缠绕的换热管经过高温烟气加热，升温汽化产生氨蒸汽。3.2 直燃式气体发生器的优势直燃式气体发生器不仅可以节约能源、避免环境污染，而且可以提高采收率，节约燃料。(1)节约能源直燃式气体发生器，以直燃式蒸汽-气体发生器为例：其数据为，生产1t压力为0.41 MPa,温度为144，水蒸气干度为80%的混合气体需要燃油28kg，耗水485kg，消耗空气48kg，而且前现场采用蒸汽锅炉生产同样状况的蒸汽却需要燃油52kg耗水1000kg，消耗空气852吨。这意味着每生产1吨气体，可以节约燃油25kg，节水51kg。(2)提高热效率对于油田用的蒸汽锅炉而言，其热损失主要是排烟热损失和设备外表面热损失(即对流散热损失和辐射散热损失)。而对直燃式气体发生器而言，其排烟热损失为零，普通热采蒸汽锅炉的排烟热损失约为10%一20%，另外，由于其外表面积远小于普通蒸汽锅炉外表面积，因而，其外表面热损失也远小于普通蒸汽锅炉。(3)提高采收率据第三届中加稠油技术研讨会(1995年11月召开)加方研究报道，加拿大Alberta研究院对复合热载体(即烟道气和蒸汽的混合物)开采稠油作了较系统的室内试验。室内试验结果表明:注相同体积的复合热载体比只注蒸气原油开采效果好，其原油采收率提高20%以上，采收速度提高一倍;另外，在蒸气的充分利用方面亦有较明显的效果，如胜利油田1996年全局共烧掉原油31.25万吨，产气500万t，采出原油230万t。共排放气体461.25万t(其中为99.06万t，水蒸气为30.31万吨，为331.88万t)，根据数值模拟结果和国外现场试验结果预测，仅排放气体就可多采出105万t原油，其经济效益是非常客观的。(4)减少了环境污染由于直燃式气体发生器将燃烧产物注人地层，避免了环境污染，同时也避免了采用堆积式涤气器(用于除去硫化物、氮化物)而发生的费用。此外，由于直燃式气体发生器无换热钢管，不存在爆管现象，可以节省该方面的大量资金。3.3直燃式发生器的主要组成部分3.3.1燃烧器燃气热水器使用的燃烧器一般分为两类:大气式燃烧器和预混式燃烧器。在燃气快速式热水器中普遍应用的是大气式燃烧器，其结构原理见图2.3。其工作过程是:燃气从喷嘴高速喷出后，引射四周的静止空气(一次空气)一起进入引射器，在引射器内，燃气与引射进入的一次空气实现完全混合，并经扩压减速进入燃烧器头部，燃气与空气的混合气从头部火孔流出被点燃生成本生火焰。在燃烧过程中，燃烧器周围的空气(二次空气)不断补充进来，以保证燃气充分燃烧。图3.1大气式燃烧器图3.2 JSQ-B燃烧器3.3.2风机风机在强鼓式燃气热水器中的作用有两个:一是将烟气强制排出热水器，另一个作用是为燃烧器提供助燃空气以保证燃气的充分燃烧。鼓风机排烟过程中，排烟阻力主要来自于以下几个方面:通过燃烧器的压力损失、通过燃烧室的压力损失、换热器内的压力损失等。在热水器设计中，一般是以这几部分的压力损失之和来确定风机出口的设计压力。强鼓式燃气热水器的燃烧器是全密封结构，燃烧所需助燃空气完全依靠风机鼓入，通过燃气组成、燃烧方程式、过剩空气系数等条件可以确定风机的供风量。3.4直燃式发生器换热系统及其工作原理如图3.3所示，发生器的换热系统主要由板翅式换热器、换热盘管和燃烧室组成。板翅式换热器为直燃式发生器的气-水换热系统的核心部件。发生器与燃烧室表面的换热盘管相连。工作时，高温烟气经由燃烧室从底部进入铜基钎焊不锈钢制作的发生器，氨水经换热盘管预热后从侧面接管进入板翅式换热器，升温汽化产生氨蒸汽。图3.3直燃式发生器换热系统3.5发生器系统传热过程分析热能的传递有三种基本方式:热传导、热对流与热辐射。热传导，简称导热，是指物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递方式，导热过程可以在固体、液体及气体中发生。热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而热对流必然伴随有热传导现象。导热、对流这两种热量传递方式只在有物质存在的条件下才能实现，而热辐射可以在真空中传递，它是通过电磁波来传递能量的一种方式，它的特点是:在热辐射过程中伴随着能量形式的转换;不需要冷热物体直接接触;不论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能，相互辐射能量，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体向高温物体辐射的能量，总的结果是热量由高温传到低温。该发生器的换热系统的传热过程包含热能传递的三种基本方式，以下作详细分析。3.5.1燃烧室内的换热过程分析燃气在燃烧器燃烧后产生高温烟气，高温烟气在强制排气式燃气热水器风机的作用下上升流经换热器，与此同时将氨水加热成氨蒸汽。高温烟气首先经过燃烧室，通过辐射和对流方式把热量传递给燃烧室壁面。壁面把这些热量中的一部分传给其上的盘管，经由盘管预热进口流水，另一部分热量辐射给机壳。下面分别对辐射和对流换热过程进行分析计算。3.5.2烟气对燃烧室壁面的辐射传热分析1）燃烧温度的确定一定比例的燃气和空气进入燃烧器燃烧，如果忽略燃烧过程中的热损失，则可认为该过程是绝热过程，燃烧的所产生的热量全部用于加热烟气本身，烟气达到的温度可按燃气燃烧热平衡方程式计算: （3-1）在己知燃气组分的情况下，可以对其产生烟气进行理论计算。在标准状况下（273.15K, 101325Pa）， 1干燃气燃烧所需要的理论空气量可按下式计算: （3-2）烟气的成分可按以下式子计算： (3-3) (3-4) (3-5) (3-6)过剩空气系数可按下式计算： (3-7)式中、燃气中各组分的容积成分；本研究所采用燃气为液化石油气(20Y，其组分主要含75%丙烷及25%丁烷。测出烟气中含量就可以算出过剩空气系数，然后按上面式子确定烟气的组分，根据燃气燃烧热平衡方程式算出烟气温度。2)烟气对燃烧室壁面的辐射传热计算气体辐射传热不同于固体和液体，它们具有如下两个特点:（1） 气体辐射对波长有强烈的选择性。在燃用气体燃料时，烟气组分中具有辐射能力的主要是和等三原子气体。（2） 气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的。由于气体容积辐射的特点，辐射力与射线行程的长度有关，而射线程长取决于气体容积的形状和尺寸。由于烟气中三原子气体所占比例较小，且直燃式发生器的燃烧室尺寸很小，其射线程长很小，故气体辐射能力很弱。在燃气热水器中烟气通过辐射方式对燃烧室壁面的传热量可按下式计算: (3-8)式中温度为的烟气对来自温度为的燃烧室壁面辐射的吸收率;由(2-12)计算。 (3-9)式中考虑到和的吸收光带有部分重叠的修正值，其值由传热学水蒸汽、二氧化碳混合气体发射率修正曲线查得 (3-10)式中 ：在混合气体总压为标准大气压下的发射率，其值与气体分压力p和平均射线程长.的乘积成正比，可由传热学中二氧化碳发射率的图线查得;:考虑到混合气体总压不是标准大气压时对发射率的修正值，其值由传热学二氧化碳气体修正系数图线查得; (3-11)式中、的意义与的相同。 (3-12) （3-13） （3-14） （3-15）在查找图表获取气体发射率时，涉及气体的射线程长和分压，气体分压可由烟气组分求算，而气体的射线程长，对非正规形状可用下式计算: （3-16）式中：气体所占体积，。这里计算燃气压力为额定压力(Pg=2.8kPa)时的工况，此时燃气流量为0.774烟气中氧含量为8.74%;根据上述烟气组分计算方法可以算出过剩空气系数为1.71，实际烟气总量为45.51；本文所研究的发生器的燃烧室大小为cm，则辐射受热面为1.633;根据燃气燃烧热平衡方程式算出额定燃气压力下烟气平均温度为1300;壁面温度是不均匀的，它与燃烧室的大小、加工质量、结构形式等有关，但由于壁面温度一般在100 左右，相对于烟气温度较低，因此计算时可近似认为是均匀的，可在80-120之间进行选取，本次计算取100 ;按上述烟气对燃烧室壁面辐射传热计算公式，代入各个参数，算出辐射传热量约为12kW，即667.2kJ/min。3.5.3烟气对燃烧室壁面的对流传热分析燃气燃烧产生的烟气在浮力的作用下上升流经燃烧室壁面，可简化看作常物性不可压缩流体外掠平壁流动。其流动处于层流还是湍流通过雷诺数来判断。这里计算燃气压力为额定工况(Pg=2.8kPa)时的雷诺数，此时烟气总量算得为45.51，烟气平均温度为13 00 根据理想气体的特性应考虑烟气体积的温度修正。烟气上升的平均流速为: （3-17）烟气上升流动的雷诺数为： （3-18）烟气的运动粘度，参考传热学附表6取值为。将称和代入得为2808.51。由此可见，在发生器上，燃气燃烧产生的烟气在自身浮力的作用下上升流经燃烧室壁面时其流动处于过渡流状态。对于流体纵向流过平板的热交换计算公式有比较成熟的研究。按平板的全长进行积分，平均换热系数的关系式: （3-19） （3-20）采用以上两式进行计算，以作定性分析。雷诺数取前计算出的值，定性尺寸取燃烧室壁高。其他参数参照文献。得到对流换热系数a为25.2 W/（）。烟气向燃烧室的传热量按式(2-21)计算。 （3-21）将各参数代入以上公式可计算出烟气通过对流换热传递给燃烧室壁面的热量约30kW，即1500kJ/min 。通过以上的分析和计算可知，对流换热量是辐射传热量的3倍，占燃烧室内全部传热量的3/4。由此可得，高温烟气与燃烧室壁面的热量传递主要通过对流方式传递。本研究考虑到燃烧室的散热损失，以计算值的80%作为燃烧室盘管的吸热量，可算出水在流经盘管段时温升约为4 ，烟气进入换热器的初温约为1050 。3.6换热器内的换热过程分析在发生器气一液换热系统中，气体的对流换热系数一般比水的换热系数小1至2个数量级，所以要使换热系统中气液两侧具有相当的换热量，气体一侧的换热表面就得提供足够的换热表面来平衡换热系数小的影响。整个气一液换热过程主要就是烟气所产生的热量通过导热方式传给不锈钢管，再由不锈钢管内壁通过对流方式将热量传给流动的水。3.6.1直燃式发生器管内外流场分析在发生器管内外流道中，流体的流动和换热是相互关联的，流体的流动状态对传热有着重要的影响，而描述流体流动的重要参数为雷诺数，以下进行计算分析。1）烟气侧流场计算。经计算，本实验用样机烟气进入换热器时的温度约为1050 。烟气进入换热器时的流速可用下式计算:1) (3-24)雷诺数为： (3-25)由换热器结构参数计算得;取前述计算值。将各数值代入以上两式即可计算出烟气进入板间流道时的雷诺数为1842.5。烟气在板间流道内处于层流状态下流动，因此在板间布置翅片，增加其换热面积，使烟气侧换热效果增强是十分必要的。2）水侧流场计算。水在板道内的流速计算式为: (3-26)水侧流体雷诺数为： （3-27） 由前述所研究强排式燃气热水器标况下的参数可知水的体积流量为10L/min，即，定性温度可取此体积流量下氨水进出换热器的温度代数平均值约为42.5 ，并查得此温度下水的运动粘度为。当量直径参照换热器的结构参数算得。将以上数值代入式(3-26)和式(3-27)得雷诺数为718.4，处于低雷诺数流动状态。3.6.2直燃式发生器管内外传热分析1）翅片表面效率。板翅式换热器传热过程是在一次传热面和二次传热面同时进行，传热总量等于一次传热面传热量和二次传热面传热量之和。对于两股流板翅换热器，当一个热通道和一个冷通道间隔排列时，可以用下式表示: （3-28）一次传热面和二次传热面的传热系数可视为相等，而在引进二次传热面的翅片效率概念以后，两者的传热温差也就统一起来，所以对于板翅式换热器的总传热方程式，可以设想这样一个传热面A=A1+A2和综合的表面效率，从而可以表达如下的形式: （3-29）由上两式可以得到 （3-30）所以表面效率为 （3-31）表面效率的物理意义是:把二次传热面和一次传热面等同看待(总的传热面等于一、二次传热面相加)，而传热温差等于一次传热面的传热温差时，对总传热面积所需要打的折扣。由于总是小于1，所以表面效率总是大于翅片效率。同理，翅片效率越高，则表面效率也就越大。2）烟气侧与水侧的给热系数。在板翅式换热器中，流体无相变时的给热系数可通过下式计算： (3-32) （3-33）本文研究换热器的翅片类型为平直翅片，其传热特性因子j可通过资料查得，代入各个参数计算得烟气侧。、约为42.1 W /（），水侧约为2752.7 W /() 。3）换热器总传热系数。板翅式换热器传热方程与一般换热器传热方程类似，差异在于考虑表面效率，烟气侧传热方程简述如下: （3-34）氨水侧传热方程: （3-35）隔板导热方程: （3-36）则板翅式换热器的热阻方程为: （3-37）由式(3-23)及(3-31)算得表面效率，再代入各参数，可得KA=19.92W/K，并可算得烟气侧翅片热阻约占总热阻的95.6%，为换热器的控制热阻，而水侧及隔板的热阻相对较小。4 直燃式发生器的设计计算4.1.直燃式发生器的热力计算1.已知参数1）制冷量Q我们所研究的是20KW制冷量的氨吸收制冷机组 Q=20KW2)蒸发器出口氨水温度氨水温度根据制冷机组要求选定，氨吸收式制冷机组氨水为716。氨水出口温度过低，从安全角度讲，随蒸发器出口温度降低，蒸发温度也降低，氨水溶液的浓度升高，容易产生结晶;从节能角度考虑，随蒸发温度降低，机组热效率下降。因此，在满足制冷量要求前提下，尽可能采用温度较高的冷媒水。在吸收式制冷机设计规范中，氨水出口温度分为7、 10、13 三种，本例中取=13 。3)冷却水温度低温热源水型机组的吸收器和冷凝器的冷却水通常是并联使用，而高温热源水型机组一般是串联使用。采用低温热源水型机组的冷却水温差为:当冷冻水是7出水时为4, 10-15 出水时为56.取。4)加热热源温度我们采用的是直燃式蒸汽发生器，因此加热源温度一般在1300左右，因此我们取热源温度=1300。2.选取参数1）蒸发温度蒸发器出口氨水温度与蒸发温度之差查饱和水与饱和水蒸气表得蒸发压力=9.2mmHg=1230Pa2）吸收压力,取3）吸收器和冷凝器出口冷却水温度冷却水采用串联形式 取4）冷凝温度冷却器出口冷却水的温度与冷凝温度之差5）发生压力5）发生器出口浓溶液的温度， 为加热热源温度与发生器出口浓溶液的温度差7）吸收器出口稀溶液的温度为吸收器出口稀溶液温度与冷却水出口温度差8）放气范围（）=3.5%9）溶液热交换器出口浓溶液温度为溶液热交换器出口浓溶液与进口稀溶液的温度差，应比时的结晶温度10以上。10） 吸收器喷淋溶液的焓值和浓度:浓溶液和稀溶液混合喷淋吸收器的再循环倍率，取值范围=20-50，要根据喷嘴的结构