（动力机械及工程专业论文）新型户式太阳能空调系统的设计及传热强化.pdf

摘要 本文提出的新型户式太阳能空调系统是一种使用太阳热能作为驱动能源， 溴化锂吸收式制冷机作为制冷设备，并具有辅助热源和蓄冷装置的节电环保空调 系统。 本文提出的太阳能空调系统中，太阳能集热器中的分离式热管直接与制冷 机发生器相连，作为制冷机驱动热源。这个设计充分利用了分离式热管的高效换 热性能、结构小巧、易安装维护等特性，提高了系统性能，减小了系统体积。 新型太阳能系统中的双筒式单效溴化锂制冷机使用了新型内外式高压筒结 构，发生器在内部，冷凝器包围发生器。这种结构下，发生器对外无散热损失， 筒体材料也不会受到溴化锂溶液腐蚀。 发生器采用双螺旋形换热管的喷淋式降膜蒸发换热，换热效率更高，体积 更小。降膜蒸发换热是一种优秀的换热方式，尤其在小温差情况下，换热效果尤 其出色。实验验证，这种结构的发生器管内凝结水回流顺畅，管外液膜稳定、覆 盖率高，整体换热效率较高。与常规的热水热源、沉浸式发生器相比，热管热源、 喷淋式发生器可以减少约6 0 的换热面积，而且泵功消耗更小。 热力计算表明，在1 2 0m 2 热管真空管太阳能集热器的驱动下，新型太阳能 空调系统可以提供2 4 0m 2 住宅的全天制冷和生活用热水。但是初投资仍然较高， 经济性仍需要进一步改善。在整体成本中，太阳能集热器占了约5 0 ，随着科学 技术的进步，这部分成本将会逐渐下降，性能会有所提高，经济性也会相应提高。 太阳能空调系统清洁、安全、省电，在当前一次能源短缺、环保要求越来 越高的国际环境下，有着非常广阔的发展前景和市场潜力。本文提出的新型户式 太阳能系统在系统设计和传热强化方面进行了一定的创新探索，对太阳能空调系 统发展有着积极的推动作用。 关键词：太阳能；空调；溴化锂吸收式制冷；分离式热管；强化传热 a b s t r a c t an e wh o u s e - u s es o l a ra i r c o n d i t i o ns y s t e mj s p r e s e n t e di n t h i sp a p e r t h i s s y s t e mi sm a d eu po fs o l a rc o l l e c t o r ，a s s i s t a n th e a tr e s o u r c e ，r e f r i g e r a t o ra n dc o o l s t o r a g es y s t e m i nt h i ss y s t e m ，t h es e p a r a t et y p eh e a tp i p ec o n n e c t st h es o l a rc o l l e c t o ra n d r e f r i g e r a t o rg e n e r a t o r ，a n d d r i v e st h er e f r i g e r a t o r t h es y s t e mh a s h i g h h e a t e f f i c i e n c y ，a n di sm o r ec o m p a c ta n de a s yt oi n s t a l la n dm a i n t a i n i nt h en e ws o l a ra i r c o n d i t i o n s y s t e m ，t h er e f r i g e r a t o ri s ad o u b l e - c y l i n d e r s i n g l e - e f f e c tl i b ra b s o r p t i o nr e f r i g e r a t o rw i t ht h en e wi n n e r - o u t e rh i g h - p r e s s u r e c y l i n d e rt h a tt h ee v a p o r a t o rc l o s ei nt h eg e n e r a t o r i nt h i ss y s t e m ，t h eh e a tl o s si s l i t t l ea n dc a nb en e g l e c t e di nt h eg e n e r a t o r ，t h ec y l i n d e rm a t e r i a li s n tc o r r o d e d i nt h eg e n e r a t o ro ft h er e f r i g e r a t o r ，af a i l i n gf i l me v a p o r a t o rh e a te x c h a n g e rw a s d e s i g n e dw h i c hh a sd o u b l eh e l i xh e a te x c h a n g et u b e s t h ef a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n h a sh i g hh e a te f f i c i e n c y ，i sae x c e l l e n th e a tt r a n s f e rm e t h o d ，e s p e c i a l l yi ns m a l l t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t ，i nt h eh e a te x c h a n g e r ，t h e c o a g u l a t i o nw a t e rr e c y c l ei sf l o w i n gi nt h et u b e s ；t h ef a l l i n gf i l mw i t hah i g hc o v e r r a t ei ss t a b l e c o n t r a s tt ot h eg e n e r a lg e n e r a t o r ，t h en e wg e n e r a t o rr e d u c e sh e a t t r a n s f e rs u r f a c ea r e aa b o u t5 0 ，a n ds a v e sp u m pe n e r g y a c c o r d i n gt ot h et h e r m a lc a l c u l a t i o n ，w i t h1 2 0 1 1 1 2h e a tp i p ee v a c u a t e dt u b u l a r s o l a rc o l l e c t o r , t h en e ws o l a ra i r c o n d i t i o ns y s t e mc o n d i t i o na2 4 0 h o u s ea n d p u r v e yt h el i v i n gh o tw a t e ra l ld a y a tp r e s e n t ，t h ec o s to ft h i ss y s t e mi sh i g h ，a n d t h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yi sl o w a b o u t5 0 o ft h ec o s ti st h es o l a rc o l l e c t o r a l o n g w i t ht h es c i e n c ed e v e l o p m e n t ，t h ec o s to fs o l a rc o l l e c t o rw i l lb ed e c r e a s e d ，t h e p e r f o r m a n c ew i l l b ei n c r e a s e d ，a n dt h ee c o n o m i c a l e f f i c i e n c y o ft h es o l a r a i r c o n d i t i o ns y s t e mw i l lb ei m p r o v e d n o w ，t h ep r o b l e mo fe n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni sa t t a c h e d i m p o r t a n c ea l lo v e rt h ew o r l d ，a n dt h es o l a ra i r c o n d i t i o nh a sag o o dd e v e l o p m e n t t r e n da n dm a r k e tp o t e n t i a l i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ri n n o v a t e sa n dr e s e a r c h si nt h e w a yo fs y s t e md e s i g na n dh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t a k e ss o m ea c h i e v e m e n t k e yw o r d s ：s o l a re n e r g y ；a i r - c o n d i t i o n ；l i b ra b s o r p t i o nr e f r i g e r a t o r ；s e p a r a t e t y p eh e a tp i p e ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：豸乏建平 日期= 卿年r 月f 矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 泶姗 日期：矽7 年广月侈日 导师签名： 日期：叼年( 月始日 1 1 课题背景 第一章绪论 随着人们生活水平的提高，空调器的使用也越来越广泛。而空调器所带来的 一些问题也逐渐表现出来了。 首先，世界上运行的空调设备绝大多数是采用氟利昂为制冷剂的压缩蒸汽制 冷循环，而氟利昂会对大气臭氧层造成极大的破坏。 臭氧层是地球生命的保护层，它大约能把太阳辐射来的高能紫外线的5 吸 收掉，使地球上的生物免遭强紫外线的杀伤。科学家指出，地球大气中臭氧每减 少1 ，就会增加5 的皮肤癌和2 的黑色素瘤疾患，并使农作物减产。 近些年，在南极和北极上空都曾出现过巨大的季节性的臭氧“空洞”，空洞 的面积有时相当于美国国土的2 倍。科学观测表明，1 9 6 9 1 9 8 6 年，北纬3 0 。 6 0 。地区上空臭氧浓度下降了1 7 3 。科学家还发现，臭氧层损耗的速度比 预想的还要快。 为拯救臭氧层，需要大量减少并最终停止生产和使用氟里昂类物质。1 9 8 5 年，联合国通过了保护臭氧层公约，1 9 8 7 年通过了蒙特利尔议定书。我国政府 批准了保护臭氧层公约，并于1 9 9 1 年宣布加入蒙特利尔议定书。1 9 9 2 年，我国 编制了中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案，将在2 0 1 0 年完全淘汰消耗 臭氧层的物质1 1 - 2 】。 其次，空调器占用了大量的电网资源，并引起电网的不稳定。 2 0 0 3 年8 月2 8 日，信息日报公布了中国国家电网公司的数据，中国各地 夏季空调用电占高峰电力的4 0 以上，引起了全国范围的电力短缺。2 0 0 3 年，我 国2 1 个省市区发生大面积电荒，这个数字在2 0 0 4 年被刷新，这年共有2 7 个省级电 网拉闸限电，仅国家电网公司系统就拉闸限电8 0 多万次，高峰时段电力供需缺 口达到2 0 0 0 3 0 0 0 万千瓦。据专家估算，如果从2 0 0 0 年开始计算，5 年来“电荒” 给国民经济造成的直接和间接损失己超过1 万亿元人民币。但是天气凉爽时空调 停机，又会导致电力过剩，从而引起电网负荷的峰谷差增大，影响电网的效率和 稳定。 非电空调的推广可以减少高峰时段空调用电，是解决“电荒”的一个很好的 途径。非电空调使用以热能驱动的吸收、吸附、喷射等方式进行制冷，其中吸收 式制冷循环技术最为成熟，应用也晟为广泛。吸收式制冷一般采用溴化锂一水等 作为工质对，有较好的经济性，且安全、清洁。直燃式溴化锂吸收式制冷机己广 泛应用于大型中央空调系统中。 1 2 本课题研究的目的和意义 太阳能是一种丰富、清洁的可再生能源，溴化锂制冷机是一种环保的制冷系 统，太阳能为热源、溴化锂制冷机为制冷装置的太阳能空调系统是一种非常有潜 力的非电环保空调。在能源供应紧张、环保要求越来越高、空调需求量越来越大 的今天，推广使用太阳能空调系统不仅会为我们带来巨大的经济效益，而且有着 巨大的社会效益，有着非常广阔的发展前景。 本课题的研究目的是提出一种经济、可行的户式太阳能空调系统的设计方 案。通过对这个方案的理论论证和实验分析，希望可以为太阳能空调小型化发展 提供一个新的构思，推动小型太阳能空调系统的实用化发展。 1 3 太阳能空调的发展 太阳能是一种非常优秀的新能源【3 j 。与常规能源相比，太阳能有着其独特的 优点： 能量丰富。每年到达地球表面的太阳辐射能约为1 3 0 t t 标准煤，即约为目 前全世界所消费的各种能量总和的1 0 4 倍。 可持续时间长。根据天文学的研究结果，太阳系还可继续存在1 0 1 1 年之 久，太阳存在就可以为地球提供源源不断的太阳能。 辐射能无需开采和运输，开发和利用都极为方便。 清洁安全，太阳能的利用不会带来任何污染和危害。 太阳能也有一些不足之处： 太阳辐射能能量密度太低，利用时需要很大的集热面积，增加了成本同时 也不利于在城市内推广。 间断性和不稳定性。由于受到昼夜、季节、气侯、地理纬度和海拔高度等 影响，太阳辐射是间断而不稳定的，降低了太阳能装置的利用效率。 太阳能装置的效率偏低，且成本较高。 2 0 世纪5 0 年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1 9 5 4 年 美国贝尔实验室研制出实用型单晶硅电池；二是1 9 5 5 年以色列t a b o r 提出选择 性吸收表面概念和理论，并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术的突破， 为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础1 4 】。 2 0 世纪7 0 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，开发 和利用太阳能成为各国可持续发展战略的重要内容。3 0 年来，太阳能的利用研 究取得了丰硕的成果 5 1 。如今，太阳能已经被广泛的应用于建筑、发电、海水淡 化等各个领域，太阳能利用技术也成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一，其 中太阳能制冷技术是近几年来太阳能利用研究的热点。 太阳能空调一般采用太阳热能驱动的溴化锂吸收式制冷机制冷。对于太阳能 空调器来说，当天气炎热、制冷量需求大时，太阳能辐射能量密度较大，集热器 2 获得的热量较多，系统制冷量也相应增大；反之，天气凉爽、冷量需求小时，制 冷量也会减少，即太阳能的间断性和不稳定性不会成为太阳能空调系统发展的主 要问题。 虽然太阳能装置成本比较高，但是由于太阳能无需开采和运输，利用方便： 能量来自太阳辐射，储量丰富且本身无需成本，所以运行费用很低，使用时间越 长，优势越明显。因此，对于可以布置足够集热器、且需要长时间运行空调的场 所，比较适合太阳能空调系统。 1 9 6 0 年，世界上首套氨一水吸收式制冷空调系统在美国问世。到7 0 年代， 随着活动式太阳能住宅的推广，太阳能制冷和空调技术也得到了很大的发展。 1 9 7 4 年在日本建成的太阳能住宅，首次配备了溴化锂一水吸收式制冷空调设备。 1 9 7 8 年之后，日本又建设了8 0 套太阳能住宅。从1 9 8 4 1 9 9 0 年，美国先后在 加利福尼亚建成了3 座太阳能住宅，配备了可储热和有辅助能量的太阳能空调系 统，其中一套的集热面积为1 4 9m 2 ，使用天然气备用能量。 7 0 年代开始，中国也在积极探索太阳能制冷和空调技术。多套小型制冰机 被制造出来，其中包括溴化锂吸收制冰机和固体吸附式制冰机。同时，太阳能空 调的试验研究阶段也建立了很多小型空调系统。此外，中国还对太阳能除湿制冷 和喷射式制冷进行了试验研究。中科院广州能源所1 9 9 8 年在广东江门建成 l o o k w 太阳能空调实验系统1 6 j ，5 0 0m 2 集热面积，备用燃油锅炉供热，采用溴化 锂一水双级吸收式制冷，收到了令人满意的效果。北京太阳能研究所桑普公司 1 9 9 9 年在山东乳山建成1 0 0 k w 太阳能空调实验系统。远大空调在2 0 0 3 年建成 2 3 l k w 的太阳能蒸汽双效吸收式制冷示范系统。 目前，国内外对太阳能空调的研究主要是以大型中央空调为主，取得了丰硕 的成果。继广东、山东以及远大的示范工程之后，2 0 0 6 年全球最大的太阳能空 调在天津海泰广场启用，同年，国内首座太阳能办公楼也通过了上海市科委验收。 这标志着太阳能中央空调逐渐进入市场。在小型家用太阳能空调的研究领域，国 内外很多学者提出的新颖设计方案，有着各自的优势，但都处在试验阶段。 2 1 概述 第二章新型户式太阳能空调系统设计 太阳能是一种清洁、丰富的能源，太阳能空调是一种节电、环保、嗓音很小 的空调系统，具有很高的推广价值。但是目前太阳能空调的推广却很难进行，制 约太阳能空调系统发展的最大障碍就是成本。 以美国的太阳能应用产业为例。2 0 世纪7 0 年代开始，美国通过投资减税的 形势鼓励和推动太阳能家庭热水系统( s d h w ) 的销售。进入8 0 年代，当联邦 减税设定在4 0 ，而一些州如加利福尼亚和纽约将减税增加到了5 5 ( 家用系 统) 和2 0 ( 商用系统) 时，这个行业才得以形成和发展起来，每年销售几千 万平方英尺的系统。但是到1 9 8 5 年联邦减税政策期满后，s d h w 的产业很快就 崩溃了，这充分反映了s d h w 与有竞争力的价格之间至少有4 0 的差距。美国 的太阳能制冷产业也是如此。在减税政策的支持下，太阳能制冷装置的销售逐渐 增加，但是1 9 8 5 年减税终止后，其销售突然下降。在补贴的5 年里，美国共售 出约1 万套太阳能制冷装置。政府资助的试验证明了他们运转的可行性。 目前，对于太阳能的应用思路主要是综合利用太阳能供暖、制冷、提供热水 等，提高系统的经济性。以广东江门的1 0 0 k w 太阳能热水系统为例，如图2 1 。 冷 虱奎钐圜匿 w l 爪 l i 烈爪 j 冷却水l i 到 r 、 午午 冷 、辅 上 却 l ，助 执 w塔l _ r _ j 燃 水 i 冷水 e 用 ( 、，0 、 摹j甲 磊 户 i 7两级吸收式制冷机 矿 空调用户 图2 1 广东江门1 0 0 k w 太阳能空调系统结构图 该系统的应用对象是一栋2 4 层综合大楼，提供大楼每天所需要的生活热水： 夏季使用热水制冷，提供其中一层空调。这个系统使用5 0 0 m 2 平板太阳能集热器 集热，以提供生活热水为主体，夏季利用过剩热量制冷，将制冷和供热结合起来， 4 充分利用太阳热能，提高了系统的经济性，约4 年就可以收回制冷部分的投资1 6 j 。 这个系统驱动热源温度较低，只需要6 5 7 5 ；适应温度范围广，在6 0 。c 的情况 下，仍能以较高的制冷能力稳定地运行；热水的利用温差大，达1 2 1 7 。 如图2 1 所示，以平板集热器收集太阳能产生热水，分别储存在制冷及生活 热水水箱中。运行中优先把太阳能输入制冷用热水箱，其温度比生活热水要高。 采用一台l o o k w 的两级吸收式制冷机，以热水作为热源驱动制冷机。采取中央空 调供冷方式，制取的9 。c 左右的冷水送到用户的风机盘管，然后返回冷水箱。天 气不好、水温不足时，用一台燃油热水炉辅助加热，保证系统能全天候运行。生 活热水则直接输送到用户。 这个系统投入使用以后，太阳能空调的节能效果突出。大楼的某些部门需要 昼夜不停地空调，如果开动中央空调的冷水机组，开销就会很高，太阳能空调系 统可以很好的解决这个问题。目前太阳能空调还不能取代常规的空调系统，但其 节能、省电的优势显示了其存在价值，也能够解决一些实际问题。 但是对于家庭用户，这个设计路线显然是不适用的。家庭用户不需要这么多 生活热水，但如果减少集热面积，则制冷量不足，达不到空调要求。而且使用平 板集热器，集热性能较差，集热温度较低，系统效率也较低。系统功能越多，结 构就越复杂，成本也就越高。 本文提出的太阳能空调系统是从实用性角度进行设计，针对太阳能资源丰 富、最利于推广该系统的环境特征对系统的功能和结构进行了简化，从而降低系 统的成本，使系统在这些地区具有一定的应用价值。 2 2 新型户式太阳能空调系统设计构想 本文提出的太阳能空调系统主要针对中国南方仅需夏季制冷区域，实现以下 功能：各种天气条件下可全天制冷、提供生活用热水。 整个系统由热管式太阳集热器、溴化锂吸收式制冷机、辅助热源、蓄冷装置、 空调箱、蓄热水箱等组成。太阳辐射强烈时，使用太阳能驱动制冷，多余的冷量 储存在蓄冷箱，供夜间使用；太阳辐射不足时，使用辅助热源( 燃气) 加热；使用 冷却水作为生活用热水。 太阳能空调系统结构如下： 5 图2 2 新型户式太阳能空调系统 系统的工作原理：太阳能集热器收集太阳能，通过热管加热制冷机发生器中 的溴化锂溶液，驱动制冷机运行；制冷机产生的冷量通过空调箱对房间进行空调， 多余的冷量储存在蓄冷装置中，提供夜间空调。使用重力分离式热管，并采用双 热源布置，配备燃气加热器作为辅助热源，保证系统全天候稳定运行。将冷凝器 出来的部分热冷却水储存在热水箱中作为生活热水。 该系统具有以下特点： 使用分离式热管直接加热制冷机发生器内溴化锂溶液： 改进的双筒式单效溴化锂吸收式制冷机； 使用冷凝器出来的热冷却水作为生活热水； 使用新型“暖冰”蓄冷材料，以及新型蓄冷装置。 2 3 集热系统 使用太阳能集热器 加热低温水( 由皇= 5 9 ，查溴化锂溶液的结晶曲线。溶液不会发生结晶，故 鸸一1 5 可行。 ( 3 ) 各状态点参数 蒸发器出口冷剂蒸汽，点1 亭= 0 ，p o 一8 7 2p a ( 6 5 4m m h g ) ，查表溴化锂溶液h 一言图得： 2 9 2 8 6 7k j k g 蒸发器冷剂水，点1 亭= 0 ，见一8 7 2p a ( 6 5 4m m h g ) ，查溴化锂溶液h 一亭图： 甩- 4 3 9 7 4 k j k g 吸收器出口稀溶液，点2 t 2 = 4 2 ，p o ；8 0 0p a ( 6 0m m h g ) ，查溴化锂溶液_ l 一亭图： _ 1 2 2 7 9 4 7k j k g 冷凝器出口冷剂水，点3 亭= 0 ，见一9 5 8 6p a ( 7 1 9m m h g ) ，查溴化锂溶液h 一亭图： 蚝一6 0 7 0 9k j k g 冷凝器进口冷剂蒸汽，点3 亭= 0 p k - 9 5 8 6p a ( 7 1 9m m h g ) ，查溴化锂溶液h 一亭图： 呜- 3 0 9 8 2 3k j k g 发生器出口浓溶液，点4 言= 5 9 ，a 一9 5 8 6p a ( 5 8 3m m h g ) ，查溴化锂溶液h 一；图： h 4 3 7 3 6 7k j k g 发生器喷淋溶液，点8 取再循环倍率，f 一1 0 等警趔殳他 皇：厶曼生二! ! 垦5 7 0 4 。 ，。+ a 一1 t s = 8 2 3 溶液热交换器出口浓溶液，点5 亭= 5 9 ，t s 一5 1 ，查溴化锂溶液h 一亭图： h 5 2 9 6 8 0k j k g 溶液热交换器出1 2 1 稀溶液，点6 由 似- 1 ) ( h 4 - h 0 - a 魄- h ：) 得： 玩。型( 4 一h s ) + h ： 其中n 为循环倍率， 口，上。l - 1 9 6 7口，l t 二二- 一 亭r 一毛 5 9 5 6 带入数值得：h 6 3 5 2 4 3k j k g ，差液相等压线得t 6 = 7 7 4 吸收器喷淋溶液点7 混合溶液的比焓吗和质量分数导，取再循环倍率正- 1 7 2 则： 见。型掣鳢172x27947+(1967-1)x29680，28849 k j k g 正+ a - 1 1 7 2 + 1 9 6 7 1 ，乞+ ( 一1 ) 晏1 7 2 x 5 6 + ( 1 9 6 7 - 1 ) x 5 9c ，i 7 c + 口一1 1 7 2 + 1 9 6 7 1 查图表得，t ，= 4 6 5 一5 7 6 0 ( 4 - 1 ) ( 4 - 2 ) ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) 表4 1 各状态参数点 温度压力浓度焓值 状态点对象 ( ) ( p a ) ( ) ( k j k g ) 1 冷水蒸发温度。58 7 2 o 4 3 9 7 4 1 冷水蒸汽 58 7 2o 2 9 2 8 6 7 2 吸收器出口稀溶液 4 28 0 05 6 o o 2 7 9 4 7 3 冷凝器中冷剂水 4 59 5 8 6o6 0 7 0 9 3 冷凝器中冷剂蒸汽 9 19 5 8 6o 3 0 9 8 2 3 4 发生器出口浓溶液 9 1 5 9 0 03 7 3 6 7 5 溶液热交换器出口浓溶液 5 15 9 0 0 2 9 6 8 0 6溶液菰交换器出口稀溶液7 7 45 6 o o3 5 2 4 3 7 吸收器中喷淋溶液 4 6 5 5 7 6 02 8 8 4 9 8 发生器喷淋溶液 8 2 39 5 8 6 5 7 0 43 5 9 8 4 4 3 设备热负荷计算 ( 1 ) 设备单位热负荷 发生器的单位热负荷 以一玛+ ( 口一1 ) ，1 4 一口j 1 6 - 3 1 4 2 3 5k j k g 冷凝器的单位热负荷 q k 一，b 一，b = 2 4 9 1 1 4k j k g 蒸发器的单位热负荷 q o 一啊一岛- 2 3 2 1 5 8k j k g 吸收器的单位热负荷 q o - ( 口一1 ) s + 乓- a h z - 2 9 7 2 7 5k j k g 溶液热交换器的单位热负荷 研一a ( 玩一1 2 ) 一1 4 3 5 1 2k j k g ( 2 ) 热平衡计算 一q j + q o - 5 4 6 3 9 3k j k g q o 。= q k + q o - 5 4 6 3 8 9k j k g 坠l 二丝1 口。 即系统处于热平衡状态。 3 1 ( 3 ) 热力系数 占。生o 7 4 口葺 ( 4 ) 各换热设备的热负荷 由蒸发器的单位热负荷吼，求得冷剂水的循环量： d ：盟3 6 0 0 ；3 1 0 1 k g h 吼 发生器热负荷： g - d x q s 一2 7 0 6 k w 冷凝器热负荷： o k d x q , 一2 1 4 5 k w 吸收器热负荷： q d x q 一2 5 6 0 k w 蒸发器热负荷： q o = d x q o 一2 0 0 0k w 溶液热交换器热负荷： q ，；d x q , 1 1 2 3 6 k w 4 4 工质的流量计算 屹鱼量一。兰旦一。3 6 0 0 ，3 4 4 m ，h ( 4 5 ) 1 0 0 0 4 1 8 6 ( t , l - t 。2 ) 1 0 0 0 x 4 1 8 6 ( 1 2 7 ) 。 冷却水量 吸收器冷却水量 k 广卫一；j 坠x 3 6 0 0 = 5 4 1 m 3 h “1 0 0 0 x 4 1 8 6 ( t 。1 一t 。) 1 0 0 0 x 4 1 8 6 x 4 5 冷凝器冷却水量 k ，卫- j 型塑；5 2 7m 3 h 。2 1 0 0 0 x 4 1 8 6 ( t 。2 - t 。1 ) 1 0 0 0 x 4 1 8 6 x 3 5 。 圪。和屹：相差不大，说明冷却水水温升的分配合理。 稀溶液循环量 k；鱼。坐2067x 3 1 0 1 0 4 6m 3 1 1 ( 4 7 ) 。 以p 4 1 3 8 4 吸收器喷淋溶液量 屹。( f a + a = - 1 一) d 。( 1 7 2 + 2 0 6 7 - 1 j ) 。3 1 一0 1 。o 7 5 m 3 h( 4 8 ) 7 r1 5 1 9 1 矿 g 为喷淋溶液密度，g 1 5 1 9 x l 矿k g m 3 正为吸收器再循环倍率，- 1 7 2 溶液泵流量 v , - v , + 等- o 拍+ 篙等- o s - 枷3 蒸发器冷剂水喷淋量( 冷剂泵流量) 4 旷。盟1 0 x 3 1 0 10 3 1k g 研3 。 1 0 0 01 0 0 0 正蒸发器再循环倍数，去厶，1 0 4 5 设备传热面积计算 k 值得选取： 除发生器采用不锈钢管外，其余换热设备均采用紫铜管。所以， 发生器：k - 1 1 6 3 k w ( m 2 k ) 冷凝器：k 一4 6 5 0 k w ( m 2 目 蒸发器：k - 2 3 2 6 k w ( m 2 。k ) 吸收器：k - 1 1 6 3 k w ( m 2 k ) 裕液热父抉器：k ，一0 5 8 2 k w ( m 。k ) 发生器 4 一面再嚣丽而以出m 2 冷凝器 4 。碲瓦高碉乩7 5 m 2 4 2 郦再盎瓦可以3 。m 2 4 i k ( t , - t ) - 0 5 0 j ( t l l - t ) - 0 6 5 ( t 7 一- t 2 ) 2 2 4 m 2 ( 4 - 9 ) ( 4 - 1 0 ) ( 4 - 1 1 ) ( 4 1 4 ) 4 。环瓦而菇与硐“0 2 m2(4-15) 4 6 集热器面积计算 全天空调总的制冷需求量： q 一2 0 x 8 x 3 6 0 0 0 7 4 = 7 7 8 3 7 8k j d 。7 7 8m j d 热管式真空管集热器日平均热效率为0 4 ；计算日每平方米集热器太阳辐射 1 9 m j d 。 则集热器采光面积s ： s - ( 7 7 8 0 4 ) 1 9 1 0 2 3 6 m 2 按3 0 。倾角安装，所需集热器面积s ： s 1 0 2 3 6 c o s 3 0 9 ：1 1 8 2 0 1 2 0m 2 4 7 本章小结 通过热力计算得到，热源温度1 0 0 t 时，单效溴化锂制冷机的热力系数可 以达到0 7 4 。使用该太阳能空调系统， 1 2 0m 的热管真空管太阳能集热器就可 以提供2 4 0m 2 住宅的全天空调及生活用热水。 5 1 实验目的 第五章降膜蒸发换热实验研究 实验以发生器内喷淋换热器的一列换热管作为研究对象，通过对这一个管排 的换热情况进行实验研究，获得有一定倾角横向布置的换热管内部冷凝换热、外 部降膜蒸发情况下的换热性能实验式。 5 2 实验装置 压 节流阀 流 量 计 泵 测温点2 测温点4 疏水阀 图5 1 实验装置示意图 如图5 1 所示，实验装置包括蒸汽发生器、换热管、喷淋管、水箱、热水泵、 压力表、流量计、疏水阀、节流阀和量简。 蒸汽发生装置是一个改装过的高压锅，增大了出汽孔，并安装了一个压力表， 监测高压锅内的蒸汽状况。 喷淋管采用的是一段o 8r f l 长的方形钢管，在一面上钻一排一2 5 r a m ，间距 l o m m 的孔，置于换热管正上方。在水箱正中，焊接有四列定位钢板，以保证喷 淋管和换热管位置固定且对正。 水箱采用2 m m 不锈钢板做成的1 0 0 0 5 0 0 7 0 0l l l m 的箱体，侧面有一扇窗 可以打开，观察及调整内部工况。另一侧面安装热水泵，进行喷淋换热。在两端 开孔，便于换热管引出。在高的一段，是一个长约2 0c m 的矩形孔，可以调节 换热管倾角。 换热管使用妒2 5 m m ，6 2 r a m 不锈钢管，呈日字形结构。 在实验过程中发现由于制造工艺不够精细，喷淋水无法准确的落在每一根 换热管上，即流过一个管子换热后，无法落在下一个换热管上，喷淋水对换热面 的覆盖率太低。因此，在第1 、2 根管下方，增加2 个由塑料窗纱做成的导液面， 将上根管子上的喷淋水导向下一根管子。这一措施的效果非常明显，喷淋水的 换热面覆盖率有了很大的改善目测覆盖率在9 5 左右。 5 3 实验方案 通过测量容器中凝结液体的体积，计算出换热器的换热总量；然后根据四个 测温点的温度，计算出液体和管壁的平均换热温度，从而得出装置的换热系数及 换热器的努塞尔系数。 由于管内是蒸汽冷凝换热，理论上换热面各点温度相等，因此将测温点1 、 4 温度相差不大于2 c ，1 0 分钟内读数变化不大于1 ，且疏水阀处有少量蒸汽 定为管内稳定运行状态 理论上稳定运行状态下，2 、3 点处的喷淋水温度应该相等，为该压力下的 饱和温度。但是由于各处的散热损失，实际喷淋水温度略低于底部热水，温差由 各部分散热情况决定。因此以2 、3 处温差不大于3 ，且1 0 分钟内读数变化不 大于1 定为喷淋水稳定运行状态。 5 4 实验步骤 实验采取以下几步完成： 向水箱中注入一定量的喷淋水，高度盖过热水泵抽水口；向高压锅内加 入适量水，打开疏水阀，点燃煤气灶，开启测温仪表。 调整节流阀，使喷淋水流量达到预设数值。 使管内和喷淋水均进入稳定运行状态。 清空量筒中的水，然后开始记录数据。 每5 分钟测量1 、2 、3 、4 点温度五、五、五、l ，高压锅上压力表读数 p 和箱内环境温度e ，喷淋水流量g ，然后清除量筒中收集的凝结水，重复1 0 次。 调整喷淋水流量，重复步骤5 。 关闭蒸汽发生器、泵、测温仪表，降温后排出换热箱中水和高压锅中剩 余的水，整理实验设备，结束实验。 5 5 实验结果 表。 本次实验换热管水平倾角为8 。即换热管两端高度差为1 0 c m ，实验结果如附 ( 1 ) 实验数据整理 计算装置的换热系数： h ， ! 爿( i c ) 其中，a 一一换热管外表面积，m 2 ； 一一喷淋覆盖率，设一0 9 5 ； i 一一换热管表面温度，一( 五+ t 4 ) 2 ，k ； 互一一喷淋水的温度，t 一( 瓦+ 五) 2 ，k ； 中一一系统换热功率，中= m r 3 0 0 ，k w ； m 一一每次测量的凝结水量k g ； r 一一该压力下水的汽化潜热，k j k g 。 喷淋密度厂。靠k g ( m 。s ) g 一一喷淋水流量，k g s ； 一一喷淋水第一次喷到的管子数； 卜一一喷淋到的管子长度，m 。 努塞尔数n u ：竺 其中，h 一一实验所得换热系数，w ( m 2 目； d 一一换热管外径，m ； a 一一喷淋水导热系数w ( m k ) 。 3 7 ( 5 - 1 ) 本次实验数据整理如下： 表5 1 实验数据 目喷淋密度换热系数 r ep rn u 次茇 k g ( m s )k w ( m k ) 1 o 1 1 9 03 6 9 1 01 4 6 0 1 21 9 11 3 5 7 0 20 1 3 1 0 3 8 3 7 1 1 6 0 7 3 61 9 2 1 4 1 0 7 30 1 4 2 9 3 9 7 6 8 1 7 5 3 3 71 9 3 1 4 6 2 1 4 o 1 5 4 84 1 5 3 81 8 9 9 3 91 9 31 5 2 7 1 5o 1 6 6 74 2 7 2 22 0 4 5 4 01 9 21 5 7 0 7 60 1 7 8 4 4 3 8 6 52 1 8 8 9 61 9 21 6 1 2 7 70 1 9 0 5 4 5 7 0 3 2 3 3 7 4 21 9 2 1 6 8 0 3 ( 2 ) 用最小二乘法拟合厂一h 关系曲线 根据经验，喷淋密度和换热系数线性相关，故选择拟合成直线 h - a + b f 令( 厂) 一1 ，( 厂) ；厂，则 慨，) 。荟1 ( ，) 一( ，) 一厂l 一1 0 8 3 3 h 瓴，砚) 。善厂f 2 1 0 1 7 1 6 瓴，r ) 2 荟 础脚7 瓴，) 一厂j 吩“5 1 8 6 ( 黝嬲胁( 豁) 可得方程组： f 7 a + 1 0 8 3 3 b 一2 8 8 8 7 7 1 1 0 8 3 孙+ 叭7 1 酗一4 5 1 8 6 解得：a = 2 2 5 3 3b t l 2 1 0 6 2 即拟合直线为：h 一2 2 5 3 3 + 1 2 1 0 6 2 f ( 5 - 2 ) g 一 星 至 电 籁 帕 最 辎 0 1 0 1 20 1 30 1 40 1 5 0 1 50 1 70 1 80 1 90 2 0 喷淋密度厂k g ( , - s ) 图5 2 厂一j i l 拟合曲线 ( 3 ) n u 与尺e 、n 的无量纲公式 通过实验求取换热过程的实验关联式，仍然是传热研究中的一个重要而可靠 的手段。利用相似原理，我们可以将一种工况下所得到的实验关联式推广到其他 工况，从而得出一个通用性的结果。 刘振华【6 4 。6 7 】在水平管排外降膜蒸发换热特性的研究表明，管径对胁对有一 定影响，但是影响不大；供液方式或管排中各管位置对该管的n u 影响很小，可 以忽略不计；管排中各管间距对n u 影响很小，可以忽略。 在此基础上，对表5 1 中帆、尺e 、尸r 进行拟合，就可以得到一定倾角下、 管外降膜蒸发换热的无量纲公式： n u = 3 3 2 r e ”p r “ ( 5 - 3 ) r 其中，r e 一兰，一一喷淋密度，弘一一喷淋液体粘性系数，p 为喷淋水密度； p i p r 一二，y 一一运动粘度，a 一一温度扩散率。 a 由于表5 1 中，p 厂的变化很小，拟合过程中无法得到准确的指数，因此参照 刘振华所得的无量纲公式，取p r 的指数为0 6 6 。 1 7 0 主” 籁1 5 5 蛹御 诮1 4 5 骚r ， 5 6 试验结果分析 1 8 0 02 雷诺数r e 图5 2 无量纲公式拟合曲线 从实验结果中可以看出： 喷淋式降膜蒸发换热系数比对流换热高很多。喷淋水在9 1 ，加热面温 度在9 5 c 时，换热系数可以达到4 k w ( m 2 目左右，而相同情况下，自然对流 换热系数约为1k w ( m 2 - k ) 。 通过实验我们得到了一定倾角下，内部冷凝换热、外部降膜蒸发换热的 模拟喷淋式热管换热器的换热系数h 、j 1 实验关联式，并得到了n u 与胎、尸r 的 无量纲公式。这样，我们就可以对相似结构下的喷淋式发生器的换热情况进行较 为精确计算和分析。 5 7 本章小结 本章通过实验对系统中的双螺旋换热管喷淋换热进行了模拟，获得了换热系 数h 、喷淋密度厂之间的实验关联式，以及倾斜换热管降膜蒸发换热m 、黜、 p r 的无量纲公式。由于没有简单实用的倾斜管降膜蒸发换热计算公式，式5 - 2 、 5 3 对工程实际有很好的应用价值。 4 0 结论与展望 太阳能是一种优秀的新能源，有着储量大、清洁、无需运输等优点。太阳能 空调使用溴化锂制冷机作为冷源，环保、省电、噪音小，且综合利用太阳能，提 供制冷同时也提供日常生活用热水，有着巨大的经济效益。 本文中提出的新型户式太阳能空调系统，系统的换热效率更高，结构更紧凑， 并且成本更低。在文中，对系统进行了详细的说明，并对其中一些设计进行了实 验分析。 ( 1 ) 文章内容总结 本文的内容主要有以下几点： 根据对国内外太阳能空调研究的调查和分析，确定出户式太阳能空调系 统的初步设计方案，采用热管真空管太阳能集热器集热，单效式溴化锂吸收式制 冷机制冷，气化水合物内置式换热外置式促晶式蓄冷装置，提供制冷、蓄冷和 生活热水功能。 根据太阳能空调的具体工况，对集热器、制冷机进行改进。 在热管真空管集热器中，热管采用分离式热管，蒸发段布置在集热器中， 凝结段布置在制冷机发生器中作为加热管。这样，热管就将集热器和发生器连接 起来，集热器采集到的热量通过热管直接输送至发生器。由于热管优秀的传热特 性，这个改进措施不仅可以提高传热效率，而且还可以减少系统体积、减少泵功 消耗、提高换热面温度、使发生器加热面温度更加均匀等。 - 在制冷机中，高压筒采用新型内外式结构一一冷凝器包围发生器，可以降 低溴化锂溶液对简体的腐蚀，降