（动力机械及工程专业论文）太阳能驱动的1x级溴化锂吸收式制冷循环研究.pdf

东南人学坝i j 学位论文 太阳能驱动的1 x 级溴化锂吸收式制冷循环研究 摘 环境与能源是人类生存和发展的基础， 要 正成为全世界关心的热点问题。近年来由于 空调的大量使用，加剧了能源供应紧张和环境污染问题。太阳能是洁净的巨大能源宝库。 随着太阳能热水器性能的提高和应用的普及，太阳能空调的研究已成为热点研究课题之 一，对于节省常规能源，减少环境污染，提高人们生活水平有着重要意义，也符合可持 续发展战略的要求。 太阳能制冷的方式主要有吸收式制冷、吸附式制冷、除湿制冷和喷射式制冷等，其 中以溴化锂吸收式制冷最为普遍、技术最成熟，并在实践中已得到应用。现有已应用于 太阳能制冷的溴化锂循环是单效循环和两级循环，但存在着前者的工况变化范围小而后 者的能量转换效率低等缺点。 本文在前人的研究成果的基础上，特别是在一种s e d l 循环基础上，提出了一种新 型的1 x 级溴化锂吸收式制冷循环，该循环具有热源可利用温差较大、工况变化范围较 宽、能量转换效率较高等特点。考虑到该循环的换热器较多，比较复杂，为简化系统和 降低成本，设计了采用强化传热的板式或板壳式换热器和无泵化的流程。 本文通过编制程序计算分析了中间压力变化、热源进出口温度变化、冷媒水进口温 度变化和冷却水进口温度变化对1 x 级溴化锂吸收式制冷循环的性能的影响；讨论了冷 却水串联和并联方式的优劣；比较了热源温度在8 0 9 5 。c 下，单级、1 x 级和两级溴化锂 吸收式制冷循环的c o p 值、总传热面积和冷却水流量等指标，为1 x 级澳化锂制冷循环 的优化设计和运行提供依据。 计算结果表明：在热源温度为8 0 9 5 c 下，1 x 级溴化锂吸收式制冷循环比单效、两 级循环更有优越性。1 x 级溴化锂吸收式制冷循环将对太阳能空调的快速发展起到积极推 动作用。 关键词：1 x 级循环；溴化锂；太阳能：优化分析；吸收式制冷 东南人学硕十学位论文 s t u d yo n1 xl i f tl i b ra b s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o nc y c l ed r i v e nb ys o l a re n e r g y a b s t r a c t e n v i r o n m e n ta n de n e r g ys o u r c e so r et h ef o u n d a t i o no f h u m a n ss u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t , a n dn o wt h e ya r em a i ni s s u e sw h i c ha r ec o n c e r n e db yp e o p l et h r o u g h o u tt h ew o r l d b u ti n r e c e n ty e a r s ，w i t l lt h ew i d eu s eo fa i r - c o n d i t i o n i n g ，t h ec o n t r a d i c t i o no fe n e r g ys u p p l ya n dt h e p o l l u t i o no fe n v i r o n m e n th a v eb e e ni n t e n s i f i e de v e nm o r e s o l a re n e r g yi sar a d i a n te n e r g y w i t h o u ta n yc h e m i c a l sa n dc a ns u p p l yt h em o s tc l e a na n dd e p e n d a b l eg i a n te n e r g y w i t ht h e d e v e l o p m e n ta n dw i d es p r e a do fs o l a rw a t e r - h e a t e r s ，t h er e s e a r c ho fs o l a ra i rc o n d i t i o n i n g b e c o m e so n eo ft h em a j o rc o n c e r n so fe n e r g yc o n s e r v a t i o n ，p o l l u t i o nc o n u o la n dl i v i n g s t a n d a r di m p r o v e m e n t i tc a na l s os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t s t r a t a g e m t h er e s e a r c ho fs o l a ra i r - c o n d i t i o n i n gi n c l u d e s a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ，a d s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n ，d e h u m i d i f i c a t i o nr e f r i g e r a t i o na n de j e c t o rr e f r i g e r a t i o n a m o n gt h e mt h es o l a r a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ni st h em o s tc o m m o na n ds o p h i s t i c a t e dt e c h n o l o g y , w h i c hi sa l r e a d y u s e di np r a c t i c e 1 1 1 ee x i s t i n gc y c l e sa p p l i e di ns o l a r a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n a r e s i n g l e ，e f f e c t i v ec y c l ea n dd o u b l e l i f tc y c l e t h ef o r m e rh a st h ed e f i c i e n c yo fn a r r o w e r o p e r a t i o nr a n g ea n dt h e1 a r e rh a st h ed e f i c i e n c yo fl o w e re n e r g yt r a n s f o r me f f i c i e n c ye t c o nt h eb a s i so f t h ee x i s t i n ga c h i e v e m e n t se s p e c i a l l yt h es e ，d lc y c l e t h i sp a p e rd e v e l o p s an e wt y p e1 xl i f tl i b ra b s o r p t i o nc y c l e i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g e ra v a i l a b l e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo ft h eh e a ts o u r c e ，w i d e ro p e r a t i o nr a n g ea n dh i g h e re n e r g yt r a n s f o r m e f f i c i e n c y i na c c o u n to ft h ec y c l eh a sm o r eh e a te x c h a n g e r sa n dt h es y s t e mi sr e l a t i v e l y c o m p l e x ，t h ep l a t ea n dp l a t e s h e l le x c h a n g e r sa r ea d o p t e dt oe n h a n c et h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e ra n da l s ot h en o n - p u m ps c h e m ei sa d o p t e dt os i m p l i f yt h es y s t e ma n dr e d u c et h ec o s t t h ee f r e c to fv a r i a t i o no fm e d i u mp r e s s u r e i n l e ta n do u t l e tt e m p e r a t u r e so fh e a ts o u r c e i n l e tt e m p e r a t u r e so f b o t hc o o l a n tw a t e ra n d c o o l i n gw a t e ro nt h ep e r f o r m a n c eo f1 x l i f ti 。i b r a b s o r p t i o nc y c l eh a sb e e nc o m p u t e da n da n a l y z e dw i t hc + + p r o g r a m s t h ec o m p a r i s o no ft h e s e r i a lp a t t e r nw i t hp a r a l l e lp a t t e mo fc o o l i n gw a t e ri sc o n d u c t e d t h ep e r f o r m a n c ei n d e x e s s u c ha sc o p ，t o t a la r e ao fh e a te x c h a n g e r sa n df l o wr a t eo fc o o l i n gw a t e ro f1 xl i f ts y s t e ma r e c o m p a r e dw i t ht h o s eo fb o t hs i n g l ee f f e c t i v ea n dd o u b l el i f ts y s t e m so nt h ec o n d i t i o nt h a tt h e i n l e tt e m p e r a t u r eo fh e a ts o u r c ei sb e t w e e n8 0 a n d9 5 t h er e s u l t sp r o v i d er e f e r e n c e c r i t e r i at oo p t i m i z et h ed e s i g na n do p e r a t i o no f t h es y s t e m t h er e s u l t so fc o m p u t a t i o na n da n a l y s i ss h o wt h a tt h e1 xl i f tc y c l es y s t e mi sm o r e s u p e r i o rt ob o t hs i n g l ee f f e c t i v ea n dd o u b l el i f is y s t e m sa tt h ea b o v em e n t i o n e dt e m p e r a t u r e s p a no ft h eh e a ts o u r c e t h e1 x1 i f tl i b ra b s o r p t i o nc y c l ew i l la c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to f s o l a rd r i v e na i r c o n d i t i o n i n ga p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：1 xl i f tc y c l e ；l i t h i u m b r o m i d e ；s o l a re n e r g y ；o p t i m u ma n a l y s i s ；a b s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n 东南大学学位论文独创。性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：王竞彩 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公机( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：圣童塞 导师签名： 东南人学坝i 学位论文 希腊字母 口 r 刁 f 主要符号表 总传热面积m 2 各设备的传热面积 m 2 循环的性能系数 热源单耗，单位制冷量的热水消耗量k g ( k w h ) 冷剂流量 k g s 溶液流量，流量 k g s 太阳辐照度w m 2 焓值kj瓜g 传热系数 w ( m 2 k 1 压力m p a 或p a 制冷量；热负荷k w 温度k 或 冷却水的流量m 3 h 级值 溶液的循环倍率 热源可利用温差 效率 溶液的质量分数 蒸发参数 冷媒水参数：集热器参数 吸收器的参数：稀溶液：环境参数 发生器的参数 热水参数 冷凝器的参数 中间参数 中间稀溶液参数 中间浓溶液参数 浓溶液 热交换器的参数：总体参数 冷却水参数 i 7 女 爿4卿办d g函芷城q)碱k h 粝 lz：o。a g h k m m舭，。w 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景介绍 环境和能源是人类赖以生存和发展的基础，也是目前倍受人们关注的重大问题 之一。随着社会经济的发展，夏季空调制冷所消耗的能量已占到较大的比例，冬季 采暖系统也同样消耗大量能量部分地区己显现电力紧张局面。我国以煤为主的能 源结构，造成的环境污染同趋严重，c 0 2 排放量位居世界第二，此外还面临化彳l 厶 源枯竭问题。因此，开发可再生能源是中国乃至世界可持续发展能源基本战略的重 要组成部分【l 】，其中利用太阳能制冷空调将成为必然趋势。 太阳能是一种辐射能，不带任何化学物质，是最洁净，最可靠的巨大能源宝库。 太阳能释放出相当于3 7 5 1 0 玎k w 的能量，而每年辐射到地球表面的能量，虽然只 有它2 2 亿分之一，但也相当于全世界目前发电总量的八万倍。人类利用太阳能主要 有三个途径：光热转换、光电转换和光化转换 2 1 。光热转换即用各种集热器把太阳 能收集起来，然后用收集到的热能来制取生活热水、供热或供冷：光电转换即将太 阳能直接转换成电能；光化转换即先将太阳能转换成化学能，再转换为其他能量， 这是植物和一些微生物靠光合作用实现的过程。前一种方法成本太高，应用较少。 后一种方法属于生物质能源。本文研究的太阳能空调系统是一种通过光热转换的系 统。这种系统利用集热器产生热能，然后用溴化锂吸收式制冷机制取冷量。 近年来，太阳能热水器的应用发展很快。这种以获取生活热水为主要目的的应 用方式其实与大自然的规律并不完全一致。当太阳辐射强、气温高的时候，人们更 需要的是空调降温而不是热水，这种情况在我国南方地区尤为突出。随着经济的发 展和入民生活水平的提高，空调的使用越来越普遍，由此给能源、电力和环境带来 很大的压力。因此，利用取之不尽、清洁的太阳能制冷空调，对于节省常规能源， 减少环境污染，提高人们生活水平有着重要意义，符合可持续发展战略的要求1 3 1 。 在多种利用太阳能的制冷方式中，溴化锺吸收式制冷系统的能量转换效率较高， 且是目前最成熟的方式1 3 - 6 ，溴化锂是绿色工质，没有损害臭氧层的o z d 效应，国 内已有2 座利用太阳能的溴化锂吸收式制冷机系统装置作为样板工程在广东和山东 示范运行t 3 3 1 。尽管如此，从技术经济性角度目前太阳能溴化锂吸收式制冷系统离普 及推广尚有距离。特别是针对利用太阳能制冷的特点和与蓄能或辅助能源匹配的溴 冷机循环流程优化，换热器传热传质强化和结构紧凑化，降低成本和优化控制等方 面还有不少基础性问题有待解决。 东南人学硕l 学位论义 1 2 国内外太阳能制冷空调技术研究与发展的现状 利用太阳能可有效缓解世界范围内的能源紧张和环境污染，而太阳能制冷正是 太阳能利用的一个重要方面。迄今为止，人们在太阳能制冷这一领域已进行了大：i f l ： 的研究工作，提出了各种不同的制冷方法，取得了一定的进展。太阳能制冷研究主 要在四个方向上进行，即吸收式制冷、吸附式制冷、除湿制冷和喷射式制冷，其中 吸收式制冷和喷射式制冷都已经进入了应用阶段，除湿制冷与吸附式制冷还处在研 究阶段。下面对四种制冷方法分别介绍。 1 2 1 太阳能吸收式制冷 在工业生产和生活中，常用的吸收式制冷机有氨水吸收式与溴化锂吸收式两种。 氨水吸收式以氨为制冷剂，水为吸收剂，可用来制取o c 以下的低温。但氨有刺激 性臭味，对人体有毒，而且系统热力系数较低、装置复杂、体积庞大、金属和冷却 水的消耗星较大，除工业工艺过程外，一般很少应用，主要应用与化工行业。目前 应用最为广泛的是以水为制冷剂、溴化锂溶液为吸收剂，以制耿o c 以上冷媒水为 目的的溴化锂吸收式冷水机组。 氨吸收式制冷是最早出现的人工制冷方式，起源于1 9 世纪8 0 年代，但因成本 高，效率低，没什么商业价值。制冷行业几乎是后起的氟利昂压缩式制冷机一统天 下。由于2 0 世纪7 0 年代世界性能源危机的影响，以及发现了氟利昂对臭氧层的破 坏作用，吸收式制冷才逐步受到一些发达国家的重视，吸收式制冷产业也得到了较 大的普及和发展。 溴化锂吸收式制冷机最早出现在美国，1 9 3 0 年阿克拉公司生产了小型单效燃气 空调机，1 9 4 5 年开利公司试制成功了第一台双筒溴化锂吸收式制冷机，1 9 6 1 年斯太 哈姆公司制成第一台双效溴化锂制冷机【8 】。 溴化锂吸收式制冷机在工作过程中，由于溴化锂与水的沸点相差达1 1 6 5 度，制 冷剂与吸收剂分离时无需精馏装置，因而结构紧凑。同时在o c 以上制冷温度范围 内，其热力系数比氨水吸收式制冷机高，工作压力低，所以在大量节约空调用电和 利用工业余热节能方面得到了推广应用。溴冷机因其能充分利用废热，节电，运行 安静，制冷量调节范围广，其所用工质无臭，无毒，对臭氧层没有破坏作用等优点 得以迅速的发展。目前已发展成多种形式：以结构分有单筒型、双简型、三筒型； 以循环系统分有单效型、双效型、两级型等；按使用的工质泵数目可分为三泵、两 泵，单泵和无泵系统：按热源种类分，则有蒸汽、热水、燃气、燃油等。按功能分 有单制冷型、冷温水两用型、以及热泵型等。 2 第一帝绪论 最早出现的溴化锂吸收式制冷系统的流程是单效流程，单效溴化锂吸收式冷水 机组是溴化锂吸收式制冷机的基本型式。这种制冷机通常采用o 0 3 o ，1 5 m p a ( 表) 的饱和蒸汽或8 5 1 5 0 的热水为热源。但机组的热力系数较低，约o 6 5 0 7 5 。因 而专配锅炉提供驱动热源是不经济的，利用余热、废热、生产过程中的排放热等为 能源，特别在热、电、冷联供中配套使用则有着明显的节能效果。 为了充分利用高品位的能源。在单效溴冷机基础上，又开发出了双效溴化锂吸 收式冷水机组。双效溴化锂吸收式冷水机组有较高的热力系数( c o p 约为1 1 1 2 ) ， 但需要较高品位的热源，通常采用o 2 5 0 8 m p a ( 表) 的饱和蒸汽或15 0 以上高温 热水为驱动热源。直燃型溴冷机通常也采用双效流程。 为了利用低品位热源，又发展了两级溴化锂吸收式冷水机组。这种机组可使用 7 0 8 0 的热水为热源，是一种节能型的机组。但与单效溴冷机组相比较，热力系 数更低，仅0 4 左右，冷却水耗量也增大，而且设备成本增加。 在目前的空调市场上，溴冷机仍然无法和压缩式制冷机相抗衡。其主要原因是： 溴冷机在能源的有效利用方面有明显的不足，节电不节能。单效机的c o p 约为o 7 ， 双效机也仅有1 2 。而压缩式制冷的c o p 可达4 5 ，考虑从一次能源到电能的转换 效率o - 3 后也有1 2 1 5 。由于环保的原因，大中城市都在禁止使用分散的小型燃煤 锅炉，因此蒸汽型溴冷机市场减小；直燃型溴冷机可同时提供冷媒水和生活热水， 并符合环保的排放要求，在前些年电力紧张的背景下得到较大的发展，但目前的双 效直燃型溴冷机出于效率偏低，而油价上涨，与电压缩式制冷相比经济上己没有什 么优势。由于三效制冷机的c o p 可达1 6 左右，因而三效直燃型溴冷机的研制成为 热点。由于高温腐蚀问题，目前三效制冷机尚未实现商业运行f 。另一方面，太阳 能或余热型溴化锂吸收式制冷空调的开发正方兴未艾。 进入9 0 年代，溴化锂吸收式制冷机在国内已成为成熟的产品，形成了一个颇具 规模的产业。太阳能吸收式制冷由于热源温度低，其制冷循环方式都是采用单效和 两级两神方式。国外太阳能吸收式制冷空调系统普遍采用高温运行的方式，有的甚 至在1 2 0 1 3 0 下运行，需要采用昂贵的聚光式集热器，这种方式可能并不适合 国内太阳能制冷空调的推广使用。国内目前主要有2 种意见，中国科学院广州能源 研究所马伟斌等人主张采用两级循环( 3 】，并对两级溴化锂吸收式制冷机进行了理论 分析和初步的实验研究。指出两级吸收式制冷有两个显著的特点，一是所要求的热 源温度低，在7 0 到8 6 之间都可运行，当冷凝水温为3 2 时，c o p 值可达到o 3 8 ； 二是热源的可利用温差大，热源出口温度低。此系统有利于制冷机在较低的太阳辐 射强度和不稳定的太阳能输入情况下实现稳定的运行。浚研究所在1 9 9 7 年，为国家 3 东南大学硕：i ：学位论义 “九五”科技攻关项目“太阳能空调及供热示范系统”研制了一台1 0 0 k w 的两级吸 收式制冷机，在广东江门市的一座2 4 层高楼上安装，这套系统，采川丁5 0 0j 1 1 2 改 进后的平板式集热器，制冷和供应生活热水联合运行，运行效果良好，系统的热源 温度甚至低到6 5 时仍能运行，实测的制冷量最高达1 0 8 k w ，c o p 的实测值为o 4 左右【3 j 。另一种意见是以北京太阳能研究所何梓年为代表，主张采用单级吸收式制 冷机循环，他们利用该所研制的高温真空管集热器，并于1 9 9 9 年在山东乳山也建立 了一座有5 4 0 m 2 集热器面积，制冷功率为1 0 0 k w 的示范性的工程项目。该系统集热 器提供的热水温度为8 8 c ，制冷功率实测值为5 0 9 0 k w ，c o p 的实测值为0 5 0 。7 1 ， 日平均值为0 5 7 t ”。 上述2 种热水型溴化锂吸收式制冷循环各有特点，但也都存在缺点，单效循环 的热力系数c o p , 虽然比两级循环的高，但采用单效循环的前提是要使集热器出口热 水温度保持在8 5 9 5 以上，且在发生器内的热水温降通常仅为5 左右。这样的条 件将大大限制机组实际利用太阳能的运行时间，集热器的能量转换效率或所吸收的 热量也会因进水温度偏高而降低，温差小还导致热水流量增大而使循环水泵功耗增 大。而两级循环则因其c o p 较低而降低经济性，在热水温度较高的时段将造成浪费， 并且因效率低就需要更多的集热器面积，从而将增加设备费用。因此，设计一种能 够利用较大热水温差，且具有较高的热力系数和较宽的变工况性能的循坏是有重要 现实意义的其c o p 虽然因平均吸热温度降低而比单效机组有所降低，但其总体能 量利用效率和经济性将优于单效循环和两级循环。 陈光明等人【lo 】提出了一种采用热变换器原理的单效循环。新循环比传统循环多 了一个压缩机。其循环如下：从发生器出来的制冷剂蒸汽分为两路，一路送入冷凝 器，一路经压缩机压缩后，又回到发生器换热，再进入冷凝器。这里压缩机实际上 起到了热变换器的作用。由于进入冷凝器和发生器的热负荷降低，所以系统的c o p 值增加了。但这种循环是以增加电能消耗为驱动力的，可能以作为辅助方案为宣。 朱玉群等提出了一种被称为s e d l 的循环【l i i ，但由于该循环流程比较复杂，屏 蔽泵( 或磁力泵) 较多，且回热路线不尽合理，没有提出相应的解决对策，因而很难 付诸实用【1 2 j 。 1 2 2 太阳能吸附式制冷。 吸附式制冷作为环境友好的制冷方式近年来也受到了广泛的重视。吸附式制冷 依靠固体吸附剂在白天吸收太阳能解吸，晚上则吸附制冷。它的组成部分主要有吸 附器发生器、冷凝器、蒸发器、阀门、贮液器。工作过程如下：白天吸附床被太阳 能加热，制冷工质开始脱附，当制冷工质压力达到饱和压力时，进入冷凝器冷凝， 4 第一章绪论 冷凝下来的液体进入蒸发器。晚上吸附床被冷却压力下降到蒸发温度下的饱和压 力。蒸发器中的液体因压力骤降而沸腾，开始蒸发制冷直到第二天早晨。吸附式制 冷循环方式的研究有基本型、连续型、连续回热型、热波型和对流热波型，前三种 已有样机研制成功，后两种尚处在理论模拟和实验室阶段。最简单的连续型循环是 采用双床结构，一个床吸附，同时另一个床解吸，这样就得到了连续制冷，避免了 传统吸附式制冷白天解吸，夜间吸附的间歇性制冷的缺点，因而可应用于余热制冷。 发生器( 吸附床) 的研究主要是强化它的传热，方法有采用高导热性能的复合吸附 剂。如沸石粉与聚苯胺复合吸附剂的导热性能和吸附性能均远优于沸石颗粒【3 i 。如 果将颗粒状的吸附剂嵌入膨化的石墨板中，会得到更高的导热系数，旯值高达 5 w ( m k ) t 1 4 】，同时其传质性能也有很大提高。由于现今国内外的太阳能吸附制冷 装最大多以水或甲醇等低饱和蒸汽压液体作为制冷剂，如何长期保证系统较高的真 空度是太阳能吸附制冷技术走向应用的一个难题【l2 1 。 1 2 3 太阳能除湿制冷空调 太阳能除湿空调系统是利用吸湿剂( 例如氯化锂、硅胶等) 对空气进行减湿， 然后加湿蒸发降温，对房间进行温度和湿度的调节，用过的吸附剂被加热进行再生。 该方法有利于保护大气环境，还有利于改善室内空气品质。 除湿制冷空调分为固体除湿和液体除湿。固体除湿的换热器通常采用热轮，常 用的固体除湿剂包括硅胶、氧化铝、分子筛等。分子筛在湿空气相对湿度较低时， 吸附率很高，相对湿度增加，水分吸附率增长缓慢；硅胶的吸附率与空气相对湿度 的关系接近线性。 液体除湿机的几何构造相对简单，没有大的运动部件，可以通过改变液体浓度 来调节出口空气的相对湿度，具有蓄能潜力。氯化锂、氯化钙以及三甘醇是最常用 的液体除湿剂。氯化锂性质稳定但价格比较贵。氯化钙较便宜，但性质不够稳定【m l 。 1 2 4 太阳能喷射式制冷 喷射式制冷是利用太阳能集热器获得温度较高的热水，使低沸点工质汽化，产 生一定压力的蒸汽，通过喷射方法来完成制冷。喷射式制冷系统较简单，但制冷系 数较低，因而出现了用电能辅助提高喷射器的引射压力以提高系统性能的方法，被 称为太阳能增强型喷射制冷系统。除此之外，s b r i f f a t 和a h o t 提出了一种非常新 颖的制冷系统一热管喷射式制冷系统【1 7 】。基本的热管喷射式制冷系统有热管、喷射 器、蒸发器、节流阀或毛细管组成，发生段的工质吸收太阳能蒸发，通过喷嘴成为 高速气流，吸引来自蒸发段的蒸汽，混合升压到冷凝段，凝结成液体，一部分通过 毛细作用流向发生段，一部分通过节流阀到蒸发段，整个装置依靠工质在蒸发段蒸 5 东南人学硕，l 学位论文 发吸热达到制冷效果。此外还有把喷射式制冷与吸收式或吸附式制冷复合的方法， 以得到更好的制冷性能。 1 3 本文研究的主要工作 由于随着中国入世以后，国内制冷空调行业要遵循世贸组织的规定，中国是“蒙 特利尔协定”的缔约国，所以对于臭氧层有严重破坏的传统制冷工质终将被取缔。 除了替代工质方面的研究外，探索新的制冷技术、采用新的循环和方法势在必行。 我国的太阳能资源比较丰富，把清洁的太阳能作为空调的重要能量来源是一条比较 可行的途径。符合现代社会所推崇的人和自然和谐统一的思想。因此开发具有实用 价值的1 x 级溴化锂吸收式制冷系统具有重要意义，本文在以下方面进行研究。 1 、完善了一种新的循环 在前人的研究成果的基础上，完善并提出一种介于两级循环和单级循环之间的 1 x 级溴化锂吸收式制冷循环。 2 、编制了溴化锂吸收式制冷机的热力设计程序和优化分析程序 包括溴化锂水溶液的物性计算程序、热力计算程序、优化分析计算程序等。 3 、参数变化对循环性能的优化分析 分析了中间压力变化、热源进口温度变化、冷媒水进口温度变化和冷却水进口 温度变化对1 x 级溴化锂吸收式制冷循环的性能的影响；讨论了冷却水采用串联或 并联方式对1 x 级循环性能的影响；讨论了热水温度、冷媒水温度、冷却水温度对 1 x 级溴化锂制冷循环性能的影响：比较了热源温度在8 0 9 5 下，单级、1 x 级和 两级溴化锂制冷循环的c o p 值、总换热面积和冷却水流量等指标。为1 x 级溴化锂 制冷循环的优化设计和在太阳能空调中的实际应用提供依据。 4 、太阳能驱动的无泵型1 x 级溴化锂制冷空调系统的设计 原则性地设计了一种采用真空管太阳能集热器和无泵型1 x 级溴化锂吸收式制 冷机结合的新型太阳能吸收式空调系统的流程。 第二章溴化铡吸收式制冷帆循环简介 第二章溴化锂吸收式制冷机循环简介 溴化锂吸收式制冷循环流程是溴化锂制冷机设计优化的基础。本章介绍 的单效溴化锂吸收式制冷循环和两级溴化锂吸收式制冷循环是两种用于低温 热源的吸收式制冷循环；也是现实中已应用于太阳能制冷空调的吸收式循环。 此外本章还将介绍s e d l 溴化锂吸收式循环和混合吸收式循环等改进型循 环。 2 1 单效溴化锂吸收式制冷机循环 单效溴化锂吸收式制冷机循环是最简单的、最基本的溴化锂吸收式制冷 循环。该循环系统的热力系数约为o 6 5 0 7 5 ，在利用余热、废热、尘产工艺 过程中产生的排热为能源，特别在热、电、冷联供中配套使用，有着一定的 节能效果。 单效溴化锂吸收式制冷系统是由制冷剂回路、溶液回路、热源回路、冷却 水回路和冷媒水回路构成的。对于实用的单效溴化锂吸收式制冷机来说，它 由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器四大件，以及溶液泵、溶液热交换器、 管道等附属设备构成。其工作原理和流程可参照图2 - i 单效溴化锂吸收式制冷 循环流程图和图2 2 的焓浓图简述如下： 图2 - i 单效溴化锂吸收式制冷循 环流程图 热变 换器 图2 - 2 单效溴化锂吸收式制冷循环 焓浓图 东南人学删l 学位论义 从吸收器出来的溴化锂溶液首先由发生泵经过溶液热交换器送入发生 器。在发生器中受到管内的热源( 蒸汽或热水) 加热，直至沸腾，使溶液中 的低沸点组分即水蒸汽析出，溶液则被浓缩。产生的冷剂水蒸汽进入冷凝器， 出冷凝器管簇中的冷却水冷却，凝结为冷剂水。冷剂水积聚在冷凝器下部的 水盘内，经过减压后进入蒸发器。由于蒸发器内压力比冷凝器内压力低，为 防止蒸汽由冷凝器串入蒸发器破坏正常操作，要求冷凝器与蒸发器间有减压 密封装置( 如u 型管) ，以维持冷凝器与蒸发器之自j 的压差。 冷剂水进入蒸发器后，压力降低，部分水分开始蒸发，由于蒸发器为一 喷淋式热交换器，喷淋液有一定量的要求，故大部分冷剂水则先聚积在水盘 中，然后以数倍于蒸发量的冷剂水量用蒸发器泵将其送入喷淋管中，经喷嘴 喷洒到蒸发器的管簇上，冷剂水蒸发吸热，蒸发管内的冷媒水由于放出热量 而被冷却到所需的温度，供生产工艺或空调使用，再返回蒸发器。蒸发器内 生成的冷剂蒸汽通过挡液板将其中携带的液滴进行分离后进入吸收器，被喷 淋在吸收器传热管簇上的吸收液吸收，在吸收过程中放出的热量则被吸收器 管簇中的冷却水带走，溶液吸收水蒸汽后成为稀溶液，聚积在吸收器的底部， 再由发生器泵经溶液热交换器送至发生器，如此循环不已。 吸收器在整个溴化锂吸收式制冷机中是一个非常重要的设备。吸收效果 的好坏直接影响制冷效果。 2 2 两级溴化锂吸收式制冷机循环 两级溴化锂吸收式制冷机循环是在单效溴化锂吸收式制冷循环基础上， 为了更有效的利用低品位的热源而开发的循环。 对于溴化锂水溶液来说，影响其吸收能力的因素主要有溶液的浓度、吸 收压力和吸收温度【l 引。溶液的质量分数越高、温度越低或吸收压力越高，则 溴化锂水溶液的吸收能力也就越强。在单效溴化锂吸收式制冷系统中，其吸 收器中吸收压力是由蒸发器中的压力决定的，而蒸发器的压力由设计条件中 冷媒水出口温度确定：吸收器中的吸收温度由环境提供的冷却水决定。所以 在单效流程中吸收器中的吸收压力和吸收温度变化的空阳j 不大，能影响溴化 锂水溶液的吸收能力的只有溶液的质量分数。当采用低品位热能时，由于热 源温度较低，导致单效溴化锂吸收式制冷循环发生终了状态的浓溶液质量分 数降低，即放气范围缩小，因而浓溶液对蒸发器冷剂蒸汽的吸收能力降低， 使单效循环无法正常工作。 压缩式制冷系统在制取较低温度的冷量时，单级压缩机因工质压缩比增大 而无法正常工作时需要引入两级压缩，使每一级压缩机的压缩比降低，从而 笫二章演化钝吸收制冷机循环简介 可以稳定工作。以此类似，在吸收式制冷系统叫| ，为解决热源温度较低叫出 现的问题，引入两级发生、两级吸收的概念，使每一级循环的发生和吸收负 荷降低，保证系统可以在低温热源下正常工作，这就发展出了两级溴化钊! 吸 收式制冷循环系统。 在单效流程的基础上，在发生压力和吸收压力之间选定一个中间压力， 两级溴化锂吸收式制冷循环流程由两部分组成高压循环和低压循环。高压 循环在发生压力与中间压力之间进行，由高压发生器出来的发生终了的浓溶 液经溶液热交换器回热后进入高压吸收器，吸收来自低压发生器的冷剂水蒸 汽：低压循环在中间压力和吸收压力之问进行，在低压发生器中，虽然热源 温度较低，但由于发生压力也较低，所以发生后浓溶液的浓度较高，在低压 吸收器中可以正常地吸收来自蒸发器的冷剂水蒸汽，使吸收过程可以顺利的 进行。 赫 尘撒 z 图2 - 3 两级溴化锂吸收式制冷循环 流程图 图2 - 4 两级溴化锂吸收式制冷循环 焓浓图 图2 - ：3 给出了两级溴化锂吸收式制冷系统的工作原理图，图2 - 4 为两级循 环的焓浓图。由图可见，两级溴化锂吸收式制冷系统发生器、吸收器、溶液 热交换器各有两只，溶液泵也相应增多。由于只有高压循环发生的冷剂水蒸 汽才被凝结成冷剂水后进入蒸发器制冷产生冷量，低压循环发生的冷剂水蒸 汽并不产生冷量；同样也仅有低压发生器出口的浓溶液，进入低压吸收器吸 9 东南大学顽i 。学位论文 收蒸发器中生成的制冷剂熬汽，使蒸发压力保持恒定。凶此效率较低，但u j 以利用低温热源。 由于要将两级循环作为对比方案计算，需要了解两级溴化锂吸收式制冷 循环的热力计算。与其他溴化锂吸收式制冷系统流程一样，首先确定该流程 的设计条件，包括：制冷量q o ，冷媒水进口温度f 。l ，冷媒水出口温度，c 2 ，冷 却水进口温度t 。热源参数。然后利用设计条件，考虑到流程的特点没定运 行参数。由于中间压力是构成两级流程的高低压循环的结合点，两级流程的 热力系数由构成该流程的高、低压循环自身的热力特性决定，所以中阳j 压力 是两级循环的一个重要的运行参数，它的选取对于两级循环的热力系数影响 很大。 已知设计条件后，要合理的确定各运行参数，它包括：冷凝器出口冷却 水温度“l ，低压吸收器出口冷却水温度，心高压吸收器出口冷却水温度“3 ， ( 本文中冷却水采用串联流程) ，冷凝温度“，蒸发温度f o ，高压发生器出口 浓溶液温度t 4 ，低压发生器出口浓溶液温度t 4 ( 本文为了比较两级循环和1 x 级循环，两循环的低压发生器出口浓溶液温度选取相同) ，低压吸收器出口稀 溶液温度t 2 ，高压吸收器出口稀溶液温度t 2 。 已知设计参数和运行参数后，就可以确定循环的各运行状念点，然后根 据热量守恒和质量守恒方程就可求出各设备的热负荷，循环的性能系数。 在各设备的热负荷和传热系数已知的情况下，各设街的传热而积也就可 以求出。 2 3 单效两级( s e n ) l ) 溴化锂吸收式制冷机循环 虽然溴化锂吸收式制冷是太阳能空调中运用最成熟的一种技术，但由于 太阳能的间断性，太阳能集热器加热热水所能达到的温度只在较短的时段内 能满足单效循环对热源温度的要求，影响了机组效能的发挥：而两级溴化钝 循环的效率又太低，造成在太阳光强烈、温度较高的时段却不能多制冷的情 况。为此人们又提出了多种改进的溴化锂吸收式制冷循环。其中以朱玉群等j 提出了种单效两级( s e d l ) 溴化锂吸收式制冷循环最具代表性。 单效两级循环的原理图如图2 5 所示，图2 - 6 是其在焓一浓度图上的表示。 其工作过程如下： l i b r 溶液回路1 3 4 5 6 7 8 1 线是一个低压回路和附加高压回路复合 的溶液回路。从低压吸收器出来的浓度为f 。l 的中间稀溶液在溶液泵的输送 下，先后进入溶液热交换器h e l 和h e 2 l ，分别被低压发生器g i 和附加高压发 生器g 2j 出来的溶液的加热；中间稀溶液进入附加高压发生器g 2 i 中后，被管 0 苕 第二章溴化锂吸收武制冷机循邛简介 内热源加热，温度升高并达到发生器工作压力只下的汽波相状态平衡点4 h ， 然后沸腾，产生点l 状态的水蒸汽。溶液的温度、浓度升高至点5 。经热交换 器h e 2 1 将热量传给稀溶液，再在低压发生器g i 中被加热，发生出点3 状念的 水蒸汽，温度和浓度升高至7 点，然后经溶液热交换器h e l 进入低压吸收器 中，吸收来自蒸发器e o 的冷剂蒸气，温度和浓度不断下降直至过程终点1 。 1 2 一1 4 - 1 5 1 6 一1 2 线表示另一高压循环回路。浓度为f 。2 的稀溶液经溶液泵 提升后经热交换器h e 2 2 进入高压发生器g 2 2 被热源加热，发生出点2 状态的 冷剂蒸汽后在热交换器h e 2 2 中的冷却，再进入高压吸收器a i ，吸收来自低压 发生器g i 的冷剂蒸汽，从而完成一个循环。 图2 - 5单效两级溴化锂循环流程图圈2 - 6单效两级溴化锂循环的焓浓图 冷剂回路2 个高压发生器g 2 l 和g 2 2 中发生出的冷剂蒸汽都进入冷凝器 c 中，被冷却水冷凝至压力p ，对应的点9 状态的冷剂水再经过节流阀v 降压 降温后进入蒸发器e o ，在压力p 。下吸收冷媒水热量而制冷，同时自身蒸发为 点1 1 状态的冷剂蒸汽。其中附加高压发生器g 2 l 产生的冷剂水蒸汽可视为单 效循环部分的贡献，高压发生器g 2 2 产生的冷剂水蒸汽则可视为两级循环部分 的贡献。 热源回路加热热源自点1 7 处起，串联依次通入附加高压发生器g 2 i 、 高压发生器g 2 2 和低压发生器g ，中，对其中的溶液加热使其发生冷剂蒸汽。 冷却水回路 冷却水并联接入低压吸收器a o 、高压吸收器a i 和冷凝器c 东南大学倾 | 学位论文 q 1 完成列工质的冷却过程。 该循环的不足之处是在较复杂的流程下，未采取相应措施来简化系统和 降低成本；回热流程也仍可从强化附加高压发生器的作用的们度进步完辫。 2 4 太阳能混合吸收式制冷循环 n 万忠民等【i9 】提出的太阳能混合吸收式制冷循环系统原理图见图2 。7 ，其 中，a h g 为附加高压发生器，h g 为高压发生器，h a 为高压吸收器，l g 为 低压发生器，l a 为低压吸收器，h e 为溶液热交换器。 其溶液的循环回路为：将低压吸收器吸收后的l i b r 稀溶液与高压发生器 发生后的较浓l i b r 溶液混合，混合后的l i b r 溶液进入附加高压发生器，发生 得到的冷剂水蒸汽直接进入冷凝器冷凝；附加高压发生器发生后的l i b r 溶液 分为两路，一路进入高压吸收器吸收来自低压发生器发生的水蒸汽；另一路 则进入低压发生器发生，发生得到的l i b r 溶液进入低压吸收器吸收来自蒸发 器的冷剂水，吸收后的稀溶液与高压发生器的较浓溶液混合，实现l i b r 溶液 的循环。 冷剂水的循环回路为：将附加发生器与高压发生器发生得到的水蒸汽都 引入冷凝器中冷凝为冷剂水，共同进入蒸发器蒸发，得到的水蒸汽进入低压 吸收器被浓溶液吸收；而低压发生器产生的冷剂水蒸汽进入高压吸收器。可 见该循环的性能也将高于两级循环。 图2 7太阳能混合循环的流程图图2 - 8太阳能混合循环的焓浓图 第二二章溴化锉吸收武制冷机循环简介 从循环的流程图和焓浓图可以看出，此混合循环的流程很不合理；低压 回路没有设置回热的溶液热交换器；采用了5 个工质泵，增加了设备成本： 高压发生器出口的溴化锂溶液先去加热高压吸收器出口稀溶液，降温后又和 低压吸收器出口的稀溶液混合被附加高压发生器出口的浓溶液加热升温，再 进入附加高压发生器，陡然增加了不可逆损失。不过该循环中把高压发生器 出口的那部分流量引入附加高压发生器中进一步发生的做法是值得肯定的， 这有利于发挥单效循环部分的作用，提高循环效率。 东南人学硕i 学位论史 第三章1 x 级溴化锂吸收式制冷循环系统 3 1 1 x 级溴化锂吸收式制冷机循环流程 本课题组在深入研究了单效溴化锂和两级溴化锂循环，特别是朱玉群和 万忠民的循环方案基础上，对漠化锂溶液的回热流程加以改进，提出了图3 1 所示的无泵型