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传热传质分离吸收器及其溴化锂 吸收式制冷系统的研究 中文摘要 溴化锂吸收式制冷以热能为驱动能源，具有系列优点：对环境无污染、可 以回收利用废热、节电，噪音小等。近年来随着环境污染不断加剧，人们的环保 观念不断加强，对绿色制冷也日益重视，溴化锂吸收式制冷显示出更广阔的应用 前景。 在吸收式制冷系统中，吸收器是体积和重量最大的部件，原因是传统吸收器 的传热传质效率不高，并且对安装水平度要求极为严格，限制了吸收式制冷在船 舶等特殊场合上的应用。本文对传热传质分离吸收器进行了研究，该吸收器体积 小、效率高，并且对安装水平度没有严格要求，具有很大的前景。 对该吸收器和相应的双效吸收循环建立了热力计算模型，编制了计算模拟程 序，通过计算结果的分析，确定了吸收器和整个循环的特性，以及适合该循环的 各个参数。该循环的热力系数约为i 0 5 1 1 5 ，耗电量约占制冷量的1 7 2 o ， 具有使用价值。 设计并加工制作了实验装置，对该吸收器进行了实验研究，确定了其性能。 对实验数据和理论值之间的差距进行了分析，提出了改进方案和进步研究的方 向。 关键词：吸收器，传热传质，传热传质系数，制冷 s t u d y o nh e a ta n dm a s st r a n s f e r s e p a r a t i o n a b s o r b e rw i t hi t sl i t h i u m b r o m i d e a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t l i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t o r su t i l i z eh e a te n e r g ya sd r i v i n gp o w e r t h e r ea r em a n yg o o df e a t h e r so ft h i st y p eo fc h i l l e r , s u c ha sn op o l l u t i o nt ot h e e n v i r o n m e n t ，r e u s i n g w a s t eh e a t ，l o we l e c t r i c a l p o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wn o i s e b e c a u s et h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o nk e p tg r o w i n gw o r s ei nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n d m o r ep e o p l eb e g a nt od e d i c a t et h e m s e l v e sp r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n t a sat y p eo f g r e e nr e f r i g e r a t o r s ，a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns h o u l db em o r e a n dm o r ew i d e l yu s e di n t h el a s t i n gy e a r s n em o s te x p e n s i v ea n db i g g e s tc o m p o n e n to fa na b s o r p t i o ns y s t e mi s t h e a b s o r b c r t h i si s m o s t l y d u et ot h el o wh e a ta n dm a s st r a n s f e re f f i c i e n c yo f c o n v e n t i o n a la b s o r b e r , w h i c h f u r t h e rm o r e ，m u s tb ei n s t a l l e dw i t hs t r i c t l yh o r i z o n t a l d e g r e e ：t h i sf e a t u r eg r e a t l yl i m i t e dt h eu s eo fa b s o r p t i o nc h i l l e r s ，e s p e c i a l l y i ns h i p c h i l l e r s a f t e rc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n ge n o u g ha r t i c l e s a b o u ta b s o r p t i o nc h i l l e r sa n d a b s o r b e r s ，w ep u tf o r w a r dan e wk i n do f a b s o r b e r ：a b s o r b e rw i t hs e p a r a t i n gh e a ta n d m a s st r a n s f e rc o u r s e s t h e r ea r em a n ya t t r a c t i n gf e a t u r e sa b o u tt h i sk i n do fa b s o r b e r ， s u c ha sm o r ec o m p a c t h i g h e re f f i c i e n c y ，l o wn e e dt ob ei n s t a l l e dh o r i z o n t a l l y w e b e l i e v et h a ti ti sw o r t ht ob es t u d i e d at h e r m o d y n a m i c sc a l c u l a t i o nm o d e lw a sm a d ef o rt h i sn e w k i n do fa b s o r b e r b a s e do nt h i s ，w ed e s i g n e dad o u b l e - e f f e c tl i t h i u m - b r o m i d ew a t e ra b s o r p t i o nc h i l l e r w i t ht h i ss e p a r a t i n gh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s sa b s o r b e r t h es i m u l a t i o nm o d e l f o r t h i sc h i l l e rw a sm a d ea sw e l l t h ec o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c eo f t h i sc y c l ei sb e t w e e n 1 0 5 1 15 t h ee l e c t r i c a le n e r g yc o n s u m p t i o ni sa b o u t1 7 - 2 o t or e f r i g e r a t i o n o h t r ) u t ， a n e x p e r i m e n t a ld e v i c ew a s c o n s t r u c t e df 6 rt h es t u d yo f t h i sn e wa b s o r b e r a f t e r as e r i e so fe x p e r i m e n t s t h ew o r k i n gf e a t u r e so ft h i s a b s o r b e rw e r ee n s u r e d n e d i f f e r e n c eb e t w e e ne x p e r i m e n t a la n dc a l c u l a t i o nw a sc o n s i d e r e da n da n a l y z e d s o m e i m p r o v e m e n t m e a n sa n df u r t h e rs t u d yd i r e c t i o n sw r sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：a b s o r b e r , h e a t t r a n s f e r , m a s st r a n s f e r , r e f r i g e r a t i o n 第一章前言 第一章前言 1 1 概述 1 1 1 吸收式制冷的特点和现状 随着工业的发展和人们生活水平的不断提高，制冷和空调得到越来越广泛的 应用，在提高人们生活水平和工业生产中扮演越来越重要的角色。目前主要的制 冷方式有压缩蒸汽式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷等，其中应用最多的是 第一种，但是这种制冷方式要消耗大量电能，并且主要采用的制冷工质氟氯烃 ( r 1 1 和r 1 2 等) 不但对大气臭氧层有很大破坏作用，又是促进温室效应的气体， 近年来由于人们的环保意识不断增强，已经于1 9 8 7 年签订了关于臭氧层衰减 物质的蒙特利尔协定以及后来的伦敦修正案和哥本哈根修正案，这些协议规定 c f c s 类物质将限期禁用，作为c f c s 的过渡产品的h c f c 也将最终被禁用，人 们于是开始大力研究新的替代制冷工质以及发展环保型的制冷机m 。 吸收式制冷是一种对环境无污染的制冷方式，其主要工质为溴化锂水溶液或 者氨水，以低品位热能为驱动力，只消耗很少的电能，尤其在有可利用的余热、 废热的场所更具有不可替代的经济性，因而在近年越来越受到人们的重视，用以 解决制冷行业对环境的污染问题和电力紧张问题。国际上对吸收式制冷的研究非 常重视，如美国、日本、德国、俄罗斯等，尤其是日本，由于国家鼓励燃气的政 策，使吸收式制冷在日本发展很快，产量已经稳居世界第一，为年产6 0 0 0 台左 右。在蒙特利尔协定签署以后，世界各国对吸收式制冷更加重视，吸收式制冷机 组产量也不断增加。“1 。 我国是个能源紧缺的国家，尤其是电力持续紧张。制冷空调是造成夏季用电 高峰的一个重要因素，解决这些矛盾的一个办法是推广吸收式制冷技术，由于其 用电量仅为压缩蒸汽式制冷的5 左右，所以可以大大减少制冷空调系统的用电 量，使用电矛盾得到缓解。 相比电动压缩蒸汽式制冷，吸收式制冷还有运动部件少、运行噪音低、负荷 可以在2 0 1 0 0 之间无级调节等优点，采用吸收式热泵对一次热能利用率大 大高于锅炉的，对供热行业具有变革性的意义，在日本，吸收式热泵已经得到广 泛应用，在我国也正在研究之中，相信很快会推向市场。 吸收式制冷机由于适合我国国情，并且在特定场合其有不可替代的节能优 势，所以在我国发展很快，目前已经有了很多专业厂家，产量达到世界前列，有 了一系列机型，如热水型、直燃式等，吸收式机组已经成为我国大中型中央空调 设备的主要机型之一，市场仍有进一步扩大的潜力。 1 1 2 吸收式制冷的历史和发展趋势 1 发展历史 最早的吸收式制冷机于1 8 5 9 年由f e r d i n a n dc a r r e 设计制造并获得了美国专 第一章前言 利”1 ，该制冷机采用水氨作为工质对，主要用来制冰和储藏食物。 到1 9 4 5 年美国开利公司试制成功第一台制冷量为5 2 3 k w 的溴化锂吸收式制 冷机组，几年以后，双效溴化锂吸收式制冷机又问世，与单效溴化锂吸收式制冷 机相比，其耗用蒸汽量下降4 0 ，使能源利用率大大提高。 两级吸收式制冷机的出现，使温度较低的热源用于制冷剂成为可能，地热( 如 7 5 左右的温泉水) 、太阳能、柴油机冷却水等低势热能均可用于空调。 燃气、燃油双效溴化锂吸收式冷温水机组的研制成功，可以不用锅炉而直接 利用燃料燃烧的热能达到制冷的目的，从而简化了设备，并大大提高了燃料的利 用率，它既可用于夏季的制冷，又可以用于冬季的采暖，使溴化锂吸收式制冷机 的应用更加广泛。6 3 7 1 日本在二次世界大战后，大量引进美国技术，于1 9 5 9 年成功的生产了制冷 量为6 9 8 k w 的溴化锂吸收式制冷机。由于日本天然气资源丰富，和鼓励使用吸 收式制冷机的政策，日本的吸收式制冷机技术发展很快，在很多方面居于世界领 先。 原苏联在研制和发展吸收式制冷机方面，从实验室到理论探讨都做了大量的 工作，提出了采用低势热源( 如7 5 的热水) 而机组效率仍然保持了高水平的 措施。对利用废热、提高热设备的效率、强化机组中的热质交换过程等课题进行 了研究，并制定了相应的发展规划e 8 。 我国自1 9 6 6 年上海第一冷冻机厂等单位合作研制成功第一台1 1 6 0 k w ( 1 0 0 万千卡小时) 的溴化锂吸收式制冷机组以来，经过二十多年的探索和实践，这 种类型的制冷机性能得到不断改进提高，从而获得了很快的发展和广泛的应用。 目前，全国已有二十多个专业厂家如上海第一冷冻机厂、开封通用机械厂、江阴 双良、长沙远大等，据统计，目前我国大型吸收式机组的产量已经达到世界总产 量的3 5 ，超过日本3 0 和韩国2 0 ，居于世界前列，我国已经是世界上吸收 式制冷机组的生产大国。 2 目前吸收式制冷的研究热点： ( 1 ) 三效及多效机组的研究“。 吸收式制冷机组具有节电、无环境公害、可回收低品位热能等优点，是公认 的绿色环保制冷设备，但目前除日本外的各个国家中，电动压缩式制冷机组仍占 主导地位，这是由于电动压缩式制冷在能源利用率方面仍高于吸收式机组，在一 次能源利用率方面，电压缩式制冷机为0 1 2 2 k g k w h ，而双效蒸汽溴化锂制冷机 组为0 1 7 2k g k w h ，单效溴化锂制冷机仅为0 3 4 4k g & w h ，可见电动压缩式制冷 仍占明显优势。因此，如何提高吸收式制冷机组的效率，提高其热力性能，是今 后吸收式制冷机组的发展的重要方向。 采用三效或多效溴化锂吸收式制冷技术，将使溴化锂制冷机效率超过电动压 缩式机组。三效溴化锂制冷机的热效率可比双效机高3 0 以上，三效机在对次 能源的有效利用方面，已经可以达到或超过压缩式制冷机。如果溴化锂吸收式 制冷机的热力系数达到或超过了电压缩制冷机组，加上其环保和绿色的优点，无 疑将会使溴化锂吸收式制冷机在整个制冷行业胜出电压缩式制冷机组，因此，该 技术虽面临一些没有解决的问题，但具有广阔的前景。 ( 2 ) 新的吸收工质对的研究2 1 目前广泛采用的的吸收式制冷循环采用的工质对是水溴化锂和氨水，这 第一章前言 些工质对都有一定缺点：采用水溴化锂工质对的缺点是采用水作为制冷剂，使 其制冷温度的适用范围受到限制，并且溴化锂溶液容易结晶，在高温下对碳钢等 材料的腐蚀性较强；采用氨水工质对的缺点是氨的毒性和腐蚀性，使得使用场 合受到限制，并且需要精馏装置。为了提高溴化锂吸收式制冷的性能，很多学者 新型吸收工质对的研究，如在水溴化锂溶液中按一定比例添入其他物质，如 c a c l 2 、l i i 、乙醇( c 2 h 6 0 2 ) 等物质，形成三元或多元工质对，可以明显增加溴 化锂的溶解度，避免结晶，并提高循环性能；采用有机物t f e n m p 及t f e e 1 8 1 ， 具有适用温度范围广、无腐蚀、不结晶等优点，也是很有前途的工质对。 ( 3 ) 吸收式制冷循环方式的研究3 1 为了提吸收式制冷循环的性能，降低能源消耗，许多国家都在研究新型的吸 收式制冷循环方式，如采用复叠式吸收制冷循环、复合式吸收式制冷循环、g a x 吸收式制冷循环、辅助制冷剂吸收式制冷循环等，这些吸收式制冷循环具有各自 的特点和优势，其研究和进展对推动整个吸收式制冷循环都具有很大的意义。 ( 4 ) 强化传热传质的研究 溴化锂吸收式制冷机主药由热交换器组成，因此换热效率的高低直接影响着 整个机组的性能。提高传热和传质性能一直是吸收式制冷机组的研究重点。目前 强化传热传质效果的主要途径是采用高效传热管“4 【”】和使用添加剂“”“。高 效传热管具有不同的截面形状和波纹形式，如花瓣管、纵槽管、低肋管等，相比 光管不仅具有更大的换热面积，而且更重要的是使溶液在管子表面产生涡流等扰 动，增强了传热和传质。目前高效传热管已经被国内外各厂家广泛采用，并取得 良好的效果。另一种方式，加入添加剂，对吸收器的传热和传质具有明显的强化 作用，能使整机制冷量提高约3 0 ，目前也在溴化锂吸收式制冷机中普遍使用。 最常用的添加剂是正辛醇 c h 3 ( c h 2 ) 3 c h ( c 2 h 5 ) c h 2 0 h 和异辛醇 c h 3 ( c i q 3 ) 6 c h 2 0 h ，这些物质能够明显降低溴化锂溶液的表面张力，产生马 拉各尼效应，使得溴化锂溶液在传热管表面产生强烈的扰动，因而增强了传热和 传质，但值得注意的是，添加剂的具体强化机理仍未研究清楚，因此，对吸收机 理的研究也是很重要的研究内容。 1 2 吸收器的现状和研究 1 2 1 传统吸收器和几种新型吸收器 吸收式制冷的吸收器是最重要的部件之一，其性能对机组性能影响很大。目 前吸收式系统均采用降膜式吸收器，其结构如图1 1 所示，其换热部件采用铜 管束，管内为冷却水，管外为自上而下流动的溴化锂水溶液或氨水液膜，溴化锂 溶液在吸收水蒸汽过程中所产生的热量通过铜管传递给冷却水，并被冷却水带 走，使溴化锂溶液总处于比较低的温度，能够使溴化锂溶液继续吸收水蒸汽，直 至达到溶液汽液平衡状态，然后在吸收器下部的液囊中积聚，并排出吸收器。 第一章前言 喷淋溶液布液装置 图1 1 降膜式吸收器结构简图 为了提高吸收器内的传热传质性能，降低吸收式制冷机的成本，国内外许多 学者对降膜式吸收进行了研究，这些研究对降膜式吸收过程建立了各种数学模 型，采用了新型的高效传热管提高了传热传质效率，采用添加剂( 如正辛醇和异 辛醇) 引发马兰格尼对流效应促进传热传质过程。通过这些措施，虽然使得吸收 器性能有所提高，但仍不够理想，吸收器仍然占到吸收系统4 0 的重量，是造 成吸收式制冷系统成本高、重量大的重要原因。 造成降膜吸收器性能不理想的原因是其中溴化锂溶液侧的流动仍以层流为 主，而层流中的传热和传质系数远远低于湍流的。由于吸收器的结构，很难实现 传热传质效率的大幅度高，因而国外提出了一些新的吸收器方案，试图使吸收器 的性能得到根本性的提高，下面列举一些： ( 1 ) 旋转圆筒型吸收器。 如图1 2 所示，该吸收式制冷系统采用采用运动的圆筒结构，筒外为冷却 水，筒内为溴化锂溶液，水蒸气自筒轴线处的管道通入筒体内部，吸收过程中筒 体以一定速度旋转，使得筒内的溴化锂水溶液处于高度的湍动状态，不但能加强 和简体内外的传热，也可以使筒内的吸收溶液和冷剂蒸气充分混合，这必然使其 效率大大高于传统的降膜吸收器。但是该吸收器面临的困难是运动部件带来结构 问题以及密封问题。 旋转吸收简体 7 半i 7 一、 仰一万斗 心互逊功一蝴憔气j ? 二鲨蓝心j j 图1 2 旋转圆筒型吸收器的结构图 第一章前言 ( 2 ) 泡状吸收器2 4 1 该吸收器模型采用氨一水为吸收工质，吸收器结构如图1 3 所示： 扳两侧 冷却水 图1 3 泡式吸收器结构图 在该吸收器中，自上而下流动的溶液和自下而上流动氨气泡在两个扳之间相 遇并吸收，板外侧为冷却装置。由于气泡和溶液相对流动能使二者充分混合，吸 收过程又产生充分扰动，能够强化传热和传质。理论计算和实验结果证明该吸收 器的体积更紧凑，效率也优于降膜吸收器。但是其缺点是需要气泡发生装置，增 加了系统的复杂程度。 ( 3 ) 板翅式吸收器“ 我国上海理工大学的别士军等人研制的板翅式吸收器，如图1 4 所示，该 将板翅式换热器用于吸收式制冷系统中各个部件，如发生器、吸收器、冷凝器等， 在吸收器方面，由于换热系数高于传统管壳式吸收器，因而结构紧凑，体积小， 重量轻，并且采用不锈钢材料，无腐蚀，具有传统吸收器无法比拟的优势。该吸 收器的研究仍在进行中，其实用化还需要时间。 冷却水出口 挎却水 口 图1 4 板翅式吸收器的结构图 第一章前言 ( 4 ) 板壳式吸收器2 6 1 我国东南大学的陈亚平等人研究了板壳式换热器在吸收式制冷系统的应用， 他们研究认为，该换热器可以在吸收式制冷系统内各个部件中得到应用，具有体 积小，重量轻，采用很薄耐腐蚀材料，可以大大提高吸收式制冷系统的性能。该 吸收的结构如图1 5 所示。 1 板外流体进出口：2 板内流体进出口：3 导通口：4 壳体；5 板内通道：6 板外通 道 图1 5 板壳式吸收器的结构图 上面列于了几种新型的吸收器，它们具有结构紧凑、成本低、能大幅提高吸 收器效率等特点，但是其结构仍存在一些不够成熟的地方，因而离实际应用还有 一定距离。相比而言，具有传热传质分离特点的喷雾吸收器则兼有性能可靠、结 构紧凑、高效、灵活性等的优点，值得我们研究，其原理在下节介绍。 1 2 2 传热传质分离吸收器原理简介 1 传热传质分离吸收器的原理 传热产热分离的吸收器原理图如图1 6 所示：自发生器而来的浓溶液和来 自吸收器的再循环溶液混合后，经板式换热器冷却，增加了过冷度，具有了更大 的吸收能力，然后在吸收腔内喷雾，溶液液滴与冷剂蒸气充分混合，微小的溶液 液滴具有极大的表面积，这对吸收很有利，液滴吸收冷剂蒸气，产生吸收热，并 被自身所吸收，因而温度升高，随着液滴的下落，吸收完成，最后达到汽液平衡 状态，并在吸收器下部聚集后排出。由于该吸收器的传热过程和传质过程是分开 进行的，因此被称为传热传质分离，同时又由于吸收过程中溶液和外界不存在热 交换，又称为绝热喷射吸收( a d i a b a t i cs p r a ya b s o r p t i o n ) 。 喷淋装置 图1 6 传热传质分离吸收器结构原理 第一章前言 2 优点和不足： 该吸收器具有的优点 ( 1 ) 高效，体积小，成本低 采用传热传质分离，可以很方便的采取措施分别提高传热和传质的效率，传 热采用板式换热器，其溶液侧传热系数可达2 1 0 k w m 2 k ，远远高于降膜吸 收器的o 5 2 5 k w m 2 k ，体积可以大大减小。同时，传质可以采用喷雾吸收 或喷淋吸收，由于其表面积很大，其传质效果非常好，因而体积小，并且结构简 单。这样，这种吸收器便具有体积小、结构简单、重量轻、成本低廉的优点。 ( 2 ) 对船用溴化锂吸收式制冷很有意义 船舶等交通工具的动力装置会产生大量废热，这对吸收式制冷丽言可谓条件 得天独厚。如目前船舶动力普遍采用的柴油动力的效率约为4 0 。产生大量热 量只能经透平增压和锅炉得到部分回收，仍有大量热量排放到外界，尤其在夏天 无法利用这些热量，采用吸收式制冷正好能解决这些矛盾。但由于传统的降膜吸 收器在颠簸摇晃状况下难以正常、高效运行，其原因是吸收器中溶液下落和流动 不均匀，并且很容易进入蒸发器造成冷剂水污染等问题。这严熏限制了吸收式制 冷在船用制冷的发展，目前船用空调仍然主要为蒸气压缩式制冷，消耗船舶上紧 缺的电力，资源利用很不合理；并且电动压缩式制冷采用的制冷剂还面i 临蒙特 利尔协定和京都议定书所规定的限期禁用问题，环保要求不能令人满意。 相比而言，采用传热传质分离技术的吸收器则完全可以适应这种摇摆和倾斜的状 况，发展这项技术，必将大大促进吸收式制冷在船舶等交通工具上的应用，充分 回收动力的废热，满足船舶夏季制冷和冬季采暖需求。相关专家均认为船舶制冷 空调采用吸收式十分合理迫切“7 1 z g 9 在国外许多国家如美国、日本等已经开始 加紧研究吸收式制冷在船舶上的应用，提出了热电冷三联供等经济性非常好的方 案，因此，采用传热传质分离技术的吸收器在船用制冷上很有发展前途。 ( 3 ) 结构简单，可行性高，没有实质性技术障碍。 这种吸收器的结构简单，就目前的吸收式制冷加工技术而言，并不存在任何 困难，运行可靠，实用性强，这对于其研究和开发十分有利。 这种吸收器也有不足之处，主要是吸收器再循环倍率很高，因而其耗电量较 相同工况下降膜吸收器大，因而对各种场合的使用需要经济性计算分析。 3 传热传质分离吸收器在国内外的研究现状 近年来，传热传质分离吸收器技术在国内外引起相当一部分学者的兴趣，国 外已经有人对吸收器的传热传质分离进行了一定研究，如1 9 9 6 年德国慕尼黑技 术大学的f r a n zs u m m e r e r “”等人对氢氧化物水作为吸收工质对的喷雾吸收器 进行了研究，通过新的吸收工质对来发展该技术，以求取得更好的传热和传质效 果；1 9 9 8 年德国的m 。f l a m e n s b e c k ”1 等人设计了以氢氧化钠水溶液为工质对 的双效吸收式热泵，吸收器采用绝热喷射式，吸收溶液采用板式换热器冷却，使 吸收器具有更高的效率和更小的换热面积；1 9 9 5 年美国伊利诺斯理工学院的 第一章前言 w i l l i a ma r t h u rr y a n 。”等人对以l i b r h ：0 为吸收工质对的喷雾吸收器的吸收特 性进行了研究，提出了喷雾吸收在两种不同情况下的计算模型n e w m a n 模型和 k r o n i g b r i n k 模型，并进行了实验验证和分析，提出喷雾吸收和降膜吸收相结合 的吸收器方案，具有更高的效率和更紧凑的结构；1 9 9 9 年美国伊利诺斯大学的 w a m a k u l a s u r i y a 口2 1 也对采用几种新的吸收工质对的喷雾吸收器进行了理论和实 验研究。在国内，浙江大学制冷与低温工程系的郑飞”“等人也对传热传质分 离吸收器进行了初步的研究，他们采用绝热降膜吸收的方式，建立了吸收过程数 学模型并求解，进行了实验，提出了采用填料吸收器的改进方案。 本人认为采用传热传质比较理想的方式是采用喷淋或喷雾方式吸收器与板 式换热器相结合的方式，近年来国外均用这种方式来研究，国内尚无人进行研究。 板式换热器的换热系数远高于管壳式换热器，并且采用的很薄的不锈钢板片作为 换热装置，因而重量很轻，耐腐蚀；喷淋和喷雾吸收使吸收溶液和被吸收冷剂蒸 气更加充分的混合，并且液滴直径越小，就具有越大的传质面积，传质效率就越 高。 1 3 本研究的主要工作和该技术前景 1 主要研究内容 1 1 对溴化锂溶液为工质的传热传质分离吸收器的热力过程进行计算，一分析该吸 收器在不同条件下的性能； 2 1 对使用该吸收器的双效循环进行计算模拟，编制计算程序，分析该循环的性 能，寻找适合该循环的系统参数； 3 1 设计并加工使用喷淋吸收器的双效溴化锂吸收式制冷循环的实验台，对其中 的吸收器部分进行实验研究，记录相关数据，并进行处理和分析； 2 前景与展望 全球能源紧张的问题是一个持续性的问题，目前的能源方式至少在数十年以 内并没有真正革命性的替代方式，因而节能是值得每个国家重视的课题。同时， 臭氧层的破坏和温室效应等环保问题日益受到世界所有人的重视。溴化锂吸收式 制冷可以回收利用低品位废热和余热，并且所使用工质对对环境无任何污染和破 坏作用，因而该技术受到人们充分的重视。我国是个人口大国，能源和环境问题 是制约我国发展的不可轻视的因素，因此发展溴化锂吸收式制冷技术是利国利民 的课题。本课题研究的传热传质分离吸收器技术，使吸收式制冷机能够在不水平 和摇摆状况下运行，如船舶等，克服了传统降膜式吸收器只能在静止条件下工作 的不足，大大扩宽了吸收式制冷机的适用范围，为进一步开拓吸收式制冷机的市 场创造机遇。我国船舶目前仍主要采用制冷工质为r 1 2 和r 2 2 等制冷剂，这些 物质都是限期禁用的产品，如果在大量船舶上采用本文所提出的新型溴化锂吸收 式制冷技术，不但避免了环境污染，而且又能够利用船舶动力所产生的丰富的废 热，具有很大的经济效益和环保价值。 我们相信，该技术如果走向市场，必将进一步节约宝贵能源，并发挥绿色制 冷的优势，为世界经济的发展作出有力的支持。 第二章传热传质分离吸收器原理与热力计算模型 第二章传热传质分离吸收器原理与热力计算模型 吸收器是溴化锂吸收式制冷机中的最关键部件之一，在目前市场上的机组 中，吸收器通常占到机组总重量的4 0 ，总换热面积的4 0 ，是溴化锂机组中 成本最高的部件，它的性能也对机组影响至关重要。 目前溴化锂吸收式制冷机所普遍采用的吸收器形式是降膜吸收器，其中传热 和传质过程是同时进行的，但是这两个过程是两种不同的过程，具有很多不同点， 因此往往不能较好的匹配。在这两个过程中，对吸收效果影响最大的因素是传质 过程，因为传质过程进行的速度仅为传热过程的1 1 0 0 左右。虽然国内外许多 学者采用各种方法来强化吸收过程，但吸收器的传热传质性能依然没有得到本质 的提高，吸收器的性能仍然不令人满意。 本文采用吸收器的传热传质分离方法，将吸收器中的传热传质过程分开处 理。将冷却传热过程放到吸收器以外，采用板式换热器来充分提高换热效率；同 时吸收器内采用喷淋、喷雾等方法，提高溴化锂溶液和吸收器内冷剂蒸气的接触 面积，这样便可同时提高传热和传质效率。采用传热系数高的板式换热器代替铜 管管束，可使整机的体积更小，重量更轻，成本更低。该方案将在下面进行具体 描述并进行相应的热力计算。 2 1 传热传质分离吸收器的结构和吸收过程的热力计算 2 1 1 传热传质分离吸收器的结构 传热传质分离采用喷雾或喷淋的方式进行吸收，首先浓溶液在换热器( 板式 换热器) 中得到冷却，低于溶液在吸收器压力下的饱和温度，因此便对冷剂蒸气 具有吸收能力。然后这些过冷溶液在绝热的吸收器壳体中喷淋，溶液液滴在下落 过程中不断吸收冷剂蒸气，并自身吸收所产生的吸收热，温度升高，浓度降低， 直到达到对应的饱和状态。最后溶液在吸收器底部汇集，一部分被溶液泵输送到 溶液换热器和发生器，另一部分进行再循环吸收。图2 1 是传统的吸收器结构 示意图，图2 2 是传热传质分离吸收器结构示意图。 由图可见，采用传热传质分离，增加了一个板式换热器，而不用铜管管束， 采用喷淋方式，使溴化锂水溶液能尽可能的在吸收器内均匀分布，吸收冷剂蒸气。 这样，传热和传质过程分开进行，所有吸收热量均在溶液进入吸收器前带走。 如果假定吸收器出口溶液均为对应状态下的饱和溶液，即假定溶液充分吸 收，则可以将吸收器作为一个整体来考虑。具体吸收过程涉及到复杂的传质过程， 需要另外进行研究。我们这里只考虑总体效果，采用集总参数的方法建立该吸收 器的热力计算模型，对采用该吸收器的循环进行研究。 第二章传热传质分离吸收器原理与热力计算模型 自发生器 至发生器 图2 1 传统吸收器示意图 图2 2 传热传质分离吸收器示意图 置 2 1 2 喷淋吸收的原理和热力计算模型 1 计算所需的假设条件 ( 1 ) 吸收过程中吸收器与外界没有热交换。 ( 2 ) 吸收器出口溶液状态为饱和状态，冷剂水蒸汽为饱和状态。 ( 3 ) 吸收器与蒸发器之间压力差在吸收过程中均保持不变。 2 热力计算原理： 吸收过程中主要符合质量守恒和能量守恒原理，同时考虑溴化锂溶液状态方 程式和其余关系式： ( 1 ) 吸收器进出口溶液和冷剂蒸汽总质量符合质量守恒： m + ：m ，( 2 1 ) ( 2 ) 吸收器进出口溶液中溴化锂的质量保持平衡 置】= 以m 0 6 2 ( 2 2 ) 第二章传热传质分离吸收器原理与热力计算模型 ( 3 ) 冷剂水的质量平衡关系： + ( 1 一五6 i ) m a b l = ( 1 一如2 ) m a b 2 ( 4 ) 能量守恒： h 础1 肌曲l + h 日v m d = h 曲2 + m 酏2 ( 5 ) 流出吸收器的溶液为饱和状态： 匕= p ( x a b 2t 2 ) ( 6 ) 吸收器冷却器的换热计算( 溶液侧) ： q 0 = ( 一k 2 ) 州 ( 7 ) 吸收器冷却器的换热计算( 冷却水侧) ： q a b = c 。( t c 2 - t 。1 ) m 。 ( 8 ) 蒸发器和吸收器之间压力差取为8 0 p a ： e 0 6 = 只。8 0 ( 9 ) 蒸发器压力为对应饱和水压力： 只v = r ( t 。，) ( 1 0 ) 吸收器循环倍率a 。： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) 3 溴化锂水溶液物性计算方程 对循环进行热力计算，必须用到溴化锂水溶液的物性拟合关系式。国内外不 少学者对溴化锂水溶液物性进行了不少研究，国内主要是复旦大学于1 9 6 9 年出 版国产溴化锂水溶液物性图表集口”，对溴化锂水溶液的比重、结晶曲线、沸 点、饱和蒸汽压、粘度、比热等参数进行了系统的测定，但其测量温度不超过 1 3 0o c ，对于双效循环和正在研究中的多效循环要用到更高的温度范围，则需要 进行扩展。国外很多学者口鄹口”也对溴化锂水溶液物性进行了更加充分的研究， 所提出的拟合方程式具有更宽的温度范围和更高的精度，完全可以满足各种计算 需要，得到广泛的应用。本研究主要采用国外学者提供的溴化锂溶液物性拟合关 系式。 ( 1 ) e t 本学者k a i t a 踟总结了许多学者的研究成果，提出的拟合方程具有更高 的温度范围和准确性，为本计算所采纳，其溴化锂水溶液平衡方程式如下： 23 f = 爿。，一4 0 ) f ( 2 1 1 ) f = 03 = 0 其中：a o , o = 9 1 3 3 1 2 8 爿n = o 9 4 3 9 6 9 7爿n i 一- 7 3 2 4 3 5 2 e 一5 墨三至壁! 堡巫坌塞堕些塑堕里皇垫垄生苎壁型 一，。5 - 0 4 7 5 9 7 2 4aj ，一2 8 8 2 015 e 3 a z o = - 5 ，6 3 8 1 7 1 e - 2 2 ，= 1 3 4 5 4 5 3 e - 4 爿i 0 2 1 1 0 8 4 1 8e - 3 a j 一5 8 5 2 1 3 3 e 7 上式中： f 一溶液温度( ) ， a 1 2 z - 1 5 5 6 5 3 3 e 5 a 2 ? = 1 9 9 2 6 5 7 e 。6 爿i 2 = 一3 9 2 4 2 0 5e 一8 f 一溶液对应的饱和水温度( ) ， 并一溶液浓度( ，w t ) 。 该公式的适用范围为：2 0 t 2 1 0 。c ，4 5 x 6 5 饱和蒸汽压力p ( k p a ) 可以按照m c n e e l y 啪1 提供的关系式计算 l o g p 喃+ 志+ 两k 2 式中：，一水的饱和温度( ) 系数： k 萨1 0 5k 产1 6 0 3 5 4 k z = 1 0 4 0 9 5 5 ( 2 ) 溶液焓可参照a s h a r e 手册提供的焓一浓度方程蚰 ： h = a ；x 其中： a o = 一2 0 2 4 3 3 a z = 1 6 3 3 0 9 a e = 4 8 816 1 a s = 6 3 0 2 9 4 8 e 2 a 4 = 一2 9 1 3 7 0 5 e 一4 b o = l8 2 8 2 9 口尸一1 1 6 9 1 7 5 7 b e = 3 2 4 8 0 4 1 e - 2 b s = - 4 0 3 4 1 8 4 e 4 b 4 = 1 8 5 2 0 5 6 9 e 一6 式中，厅一溴化锂溶液的比焓，k j k g ： 卜一溴化锂水溶液的温度， 该公式的适用范围：1 5 t 1 6 5 。c ，4 0 x 3 1 0 1 5 时 o o 2 6 6 1 8 4 7 ， “l = 一0 0 6 5 0 4 4 ，a 2 2 2 0 0 4 5 6 e 一4 ( 2 1 5 ) 4 吸收过程热力计算模块 吸收器出口状态溴化锂溶液的热力状态计算不能用传统的查图的办法直接 得到，需要根据吸收过程所符合的各种关系式( 式2 1 到2 1 0 ) 编制程序计 算，计算方法主要是一维搜索。热力计算模块采用v b 语言编制，计算流程如图 2 3 ： 输入参数：冷媒水温度、 入口溶液浓度、温度 求得蒸发器和吸收器压力 初步假设吸收器出口浓度 修正出口 溶液浓度 否 求得出口溶液饱和温度 吸收过程是否符合 延竺竺三笋 是i 计算并输出各个参数 图2 3 喷雾吸收过程热力计算流程图 2 2 喷淋吸收计算结果及分析 喷淋吸收器工作条件为：取喷淋溶液浓度为6 0 ，温度为4 0 c ，冷媒水温度 为6 c ，为了便于计算，将吸收器入口溶液流量固定为l k g s ，通过程序计算了 不同入口状况和吸收器压力下性能。通过热力过程计算，我们可以确定一些对喷 淋吸收器的影响较大的参数，这对其应用和经济性分析很重要。 第二章传热传质分离吸收器原理与热力计算模型 2 2 1 喷淋溶液浓度影响 图2 4 到2 9 反映了在相同入口温度和冷媒水温度下，喷淋浓度对喷淋吸 收器各个参数的影响。可见，喷淋浓度越大，越有利于吸收过程的进行。由图2 - - 4 ，喷淋溶液压力和吸收器压力之差随入口浓度增大而增大，该压差可以认为 是传质驱动力，因而该图说明喷淋浓度增大十分有利于喷淋吸收过程的进行。同 时，该图中，当溶液浓度小于约5 8 时，压差变为0 ，说明该温度为对应吸收器 压力下的饱和温度，低于该温度的溶液进入吸收器不具有吸收能力，接近该浓度 的溶液，其吸收能力也很微弱。图2 5 反映了出口浓度和入口浓度的关系，由 图可见二者基本上是线性关系，因而，随着浓度的增加，二者之差也基本上呈线 性增加，反映了吸收蒸汽量有所增加，这也可由图2 6 直接反映，可见浓度增 加可以增加溶液对冷剂蒸气的吸收量，也就是增加制冷量。同样，当浓度较低时， 由于吸收能力差，因而吸收蒸汽量变得很小，失去使用价值。 图2 7 反映了出口溶液温度随入口浓度的变化，当浓度增加，吸收冷剂蒸 汽量增加，溶液温度便增加。图2 - - 8 反映了进出口溶液的比焓，当溶液浓度低 于5 8 时，由于不能发生吸收，因而进出1 2 1 溶液状态相同，当溶液浓度高于5 8 时，随溶液浓度增加，二者差值也在增加。图2 9 反映了对应吸收器压力下， 进1 3 溶液的饱和温度相对于进1 3 溶液浓度的关系，浓度增加，饱和温度也增加， 这说明溶液在吸收器内能够升高更多的温度，具有更高的吸收能力。 图2 1 0 反映了溶液循环倍率随着入口溶液的浓度变化的关系。在这里，吸 收器循环倍率6 定义为吸收一千克冷剂蒸气所需要流入吸收器的溶液量。由图 可见，当溶液浓度降低，循环倍率将迅速增加。循环倍率过大，意味着消耗过多 的泵功，将直接影响到系统的经济性，因而应合理选择循环倍率，在条件允许的 情况下，应尽可能选择更小的循环倍率。由图可见，当溶液浓度小于6 0 ，吸 收器循环倍率增加的很快，所以我们取该吸收器入口溶液浓度为6 0 ，以此为 基础进行研究。 勺 邑 剁 最 蚓 鲻 蚀 口 一 5 75 8 5 96 06 16 2e 36 46 5 吸收器入口溶液浓度( ) 图2 - - 4 吸收器入口溶液吸收压差随入口浓度的变化 第二章传热传质分离吸收器原理与热力计算模型 鬟 v 憾 避 疑 肄 口 若 吸收器入口溶液浓度 图2 5 吸收器出口溶液浓度随入口浓度的变化 0 堂 v 日删 襄 撼 裾 史 5 75 85 96 06 t b 2 吸收器入口溶液浓度 图2 6 吸收器吸收冷剂蒸气流量随入口浓度的变化 p v 龆 赠 摧 蜂 口 羽 吸收器入口溶液浓度( ) 图2 7 吸收器出口溶液温度随入口浓度的变化 ：窨 舱 们 珀 辐 娃 的 柏 蚰 孙 第二章传热传质分离吸收器原理与热力计算模型 5 b e o6 1 b 26 36 4e 5 e e 吸收器入口溶液浓度( ) 图2 8 吸收器进出口溶液比焓随入口浓度的变化 5 75 8 5 9 6 0e 16 2e 3e 4 e 5 8 b 吸收器八口溶波浓度( ) 图2 9 吸收器进l i 溶液饱和温度随入口浓度的变化 料 班 旨 姆 髓 # 管 6 e5 9 6 0 6 1 6 2 e 36 4b 5 吸收器入口溶液浓度( ) 图2 1 0 吸收器循环倍率随入口浓度的变化 1 6 - = ； 曲 拍 = = 一堂f尝蛙譬群瓣 pv趟赠娶g饕臻 啪 啪 枷 m 。 第二章传热传质分离吸收器原理与热力计算模型 2 2 2 入口溶液温度影响 在喷淋浓度和冷媒水温度不变的情况下，入口溶液温度对喷淋吸收器的影响 的计算结果如下图所示。溶液温度升高，无疑对吸收是不利的，当溶液温度高于 对应溶液浓度和吸收器压力下的饱和温度时，吸收过程将无法进行，在本例中， 饱和温度为4 4 0 3 。 在图2 1 1 中，随入口溶液温度升高，吸收压差不断减少，直至到4 4 0 3 时 压差降为零，不再发生吸收。图2 一1 2 中，溶液出口浓度也随入口温度升高而里 线性上升，直至饱和温度升高至入口浓度，不再吸收冷剂蒸气。图2 一1 3 中，溶 液进出口温差随进口溶液温度上升而下降，说明吸收热不断减少，吸收蒸汽不断 减少，这在图2 1 4 中可以看到。图2 一1 5 中，进出口溶液比焓均随入口温度升 高而增加，二者之差为吸收过程的吸收热，可以看到，随入口温度上升，吸收热 不断减少，直至到达饱和温度后不存在吸收热。 图2 1 6 中，溶液循环倍率随入口温度升高而不断加速增加，当入口温度