（热能工程专业论文）吸收式制冷制热两用机组热力优化设计与性能分析.pdf

激收式制冷制热两闱机组热力优化设计与性麓分析 李摄名( 热缝工程) 指导教师：李华玉副教授 攘要 针对强黼油田或石化企业在生产过程中产生的大爨低温余热水，设 计了稍爰佘热酶啜羧式稍冷潮热两潮祝缀，疆季以制冷模式供冷，冬季 以热泵模式供暖；设计了制冷模式和热泵模式的工艺流程和切换方式， 解决了机缎在两种模式下的匿配问题，最终提出了一套工艺上可行的实 现一枫两周豹方案。提高了枧组酶剥蝴率，撼宽了吸收式极缎在磊濑和 石化领域的应用范围，具有鼹好的节能效益、经济散髓和社去效益。 详缨分褥了溪优整吸壤式裁冷撬秘墩浚式热泵锤环过程，运用畜隈 时间热力学理论建立了吸收式制冷制热两用机组的数学模型，推导出了 单位蕊嵇功麓率与技筑系数之间承蒌本饶纯关系式。采露l a g r a n g e 黎子 法对模型进行求解，得出了两用机组热泵模式和制冷模式的最佳操作条 馋。推导出了吸收式机组各热交换嚣传燕疆织涮的优化关系式，最厝通 过过程模拟完成两用极缎热力计算和健热计算。 翻用高级程序镶富开发出吸收式制冷机、擞收式热泵以及制冷剡热 嚣赐枧埋戆瞧缝模羧与饯伲软俘，实璇了过程模数饯乏计算，会绥了软 譬的熬本绣孝驽与实觋方法。从颟为吸收式瓿组| 羚工业设计提供了更合理 的设计方注黧理论。 爨后采蠲数值模拟靛方法结合暇牧式热泵驰实验数据对影响两翅机 组性能的各种因素进行了分析。得到的结栗可以为蔽收式机组( 熟采机 龌、制冷枫缀以及两爝机缰) 的设计翻操作运行提供墅遂论依掘。 关键词；吸收式循环，两用枫组，余热回收，有限时间热力学， 饶诧设诗 t h e t h e r m o d y n a m i co p t i m a ld e s i g na n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i so f a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t o r & h e a t - p u m ps y s t e m l tf e n g r u i n g ( t h e r m a le n g i n e e r i n 鸯 d i r e c t e db ya s s o c i a ep r o f e s s o rl ih u a - y u a b s t r a c t a i m 雏t h e p l e n t i f u lh o tw a s t e w a t e rr e l e a s e db yo i l f i e l d 。a l la b s o r p t i o n r e f r i g e r a t o r & h e a t p u m pa m p h i b i o u sd e v i c ea n ds y s t e mw a sd e s i g n e d t h i s s y s t e mw o r k si nr e f r i g e r a t i o nm o d e l 溉s u n l r f l e ra n dh e a tm o d e li nw i n t e r p r o c e s sf l o wa n ds w i t c ho f t h ea m p h i b i o u sd e v i c ew e r ea l s od e s i g n e df o rt h e d i f f e r e n tm o d e l s f i n a l l nt h i sa r t i c l ep r o v i d e sa ni m p r o v e m e n td e s i g nf o rt h e a m p h i b i o u sd e v i c e t h e “b r h 2 0a b s o r p t i o nc y c l e so fh e a tp u m p & r e f r i g e r a t o rw e r e a n a l y z e di nd e t a i l 。t h eo p t i m i z 甜i o nr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h es p e c i f i c c o o l i n gl o a d s c l & s p e c i f i c 酝a i 珏gl o a d ( s 艇pa n dc o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ( c o p ) w e r er e a s o n e do u t u s i n g t h ef i n i t e - t i m e t h e m a o d y n a m i c sm e t h o da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fi n v e s t m e n ta n d c a p a c i t y n o to n l yt o p t i m a lo p e r a t i o n a lc o n d i t i o no fr e f r i g e r a t i o nm o d e l b u ta l s ot h a to ft h eh e a tm o d e lw a s , p u tf o r w a r d b a s e do nt h es i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o n ，t h eo p t i m a lh e a tt r a n s f e r a r e ao fa m p h i b i o u sd e v i c ew a g a c h i e v e d 。 t h es o f t w a r eo fa b s o r p t i o na m p h i b i o u sd e v i c ew a sd e v e l o p e d t h e p r o c e s ss i m u l a t i o n , h e a tt r a n s f e ra n a l y s i s , t h e m l o d y r a m i ca n a l ? s i sa n d o p t i m i z a t i o nm e t h o d sw e r er e a l i z e di nt h es o l t w a r e 。t h ec o n c l u s i o ne a 蘸 d i r e c tt h ew o r ko fc h o o s i n g o p e r a t i n gc o n d i t i o n ，e q u i p m e n ts i z e a n d e c o n o m i co p t i m i z a t i o n f i n a l l y ，o n t h eb a s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s td a t a ，t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r so fa m p h i b i o u sd e v i c e w e r ea n a l y z e dr o u n d l y h l c o n c l u s i o n ，t h er e s u l t s o b t a i n e di nt h e p r e s e n tp a p e r a r eo fg e n e r a l s i g n i f i c a n c ea n d c a np r o v i d es o m et h e o r e t i c a lb a s e sf o rt h eo p t i c a ld e s i g na n d o p e r a t i o no fa b s o r p t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：a b s o r p t i o nc y c l e s ，a m p h i b i o u ss y s t e m ，w a s t eh e a tr e c o v e r y , f i n i t e t i m et h e r m o d y n a m i c s ，o p t i c a ld e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得中国 石油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 的嗣志对本研究所擞的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 李风囊 如o 年5 只c 鼠 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学绞有权僳留送交论文的复印 孛及电子版，允许论文被查阅帮传阅：学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 f 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：蕉垦垄 肋口f 年岁月卵同 导师签名： 咎聋至! ms 年 r 月巧同 | 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 能源现状概述 能源问题不仅是国内的问题，还是国际问题，涉及国家的稳定与安 全；能源问题是人与自然如何协调发展，如何推动人类社会全面进步的 问题。在这样的背景下，本文对国内外能源的现状作一下简要描述： 世界能源危机以及我国面临的严峻形势 世界经济的飞速发展造成对能源的需求极其旺盛，推动了世界能源 市场能源价格的飞升。以石油为例，1 1 1 2 0 0 4 年，国际石油价格开始进入 上升轨道，特别是2 0 0 5 年初开始，国际原油价格以4 4 的涨幅创造了历 史新高位，并且突破t 7 0 美元。随之而来的是一片国际原油价格将持续 走高的喧嚣，这在某种程度上引发了世界各国的关注和担忧。 国际油价的持续上涨和我国石油资源的短缺己经成为制约我国经济 发展的一个重要因素，我国自1 9 9 3 年成为石油净进口国以来，对外依存 度逐年上升，目前已达4 0 。2 0 0 3 年，中国超过日本成为仅次于美国的 第二大石油进口国和消费国。 我国每年消费燃料油4 0 0 0 万吨左右，相当于原油产量的1 4 。其中 有相当大的一部分用于采暖，能量供需极不匹配。随着工业化进程的加 快和汽车保有量的增加，我国未来石油需求将呈强劲增长态势，供需缺 口较大，进口量大幅度上升。如不采取积极有效的措施，我国对国际石 油市场的依存度将越来越高。节约和替代燃料油是解决我国石油资源短 缺，缓解石油供需矛盾，保障国家经济安全的重大战略措施。 环境污染严重，可持续发展面临严重挑战 经济发展是以能源消费为基础的，经济越是发展，能源消费就越多。 中国石油大学( 华东) 硕七论文第l 章前言 煤炭、石油和天然气等矿物能源的大规模丌发和使用，在给人类带来巨 大物质财富，使人类生活水平大幅度提高的同时，也给人类的生存环境 带来了巨大的不利影响。能否在经济发展过程中避免环境的恶化，已经 成为评价国民经济增长质量和效益的重要指标。 我国的能源消耗惊人，节能潜力巨大 能耗强度可以用单位国内生产总值所消耗的初级能源来衡量，这一 比值常用于衡量一国经济的能源效率。 2 0 0 0 年，我国消耗能源1 2 8 亿吨标准煤，创造了1 0 7 8 5 万亿美元的国 内生产总值，能源强度11 8 7 吨标准煤百万美元国内生产总值，每消耗1 吨标准煤创造了8 4 3 美元的国内生产总值。2 0 0 0 年，美国消耗能源3 2 6 亿 吨标准煤，创造了9 9 6 万亿美元的国内生产总值，能源强度为3 2 7 吨标准 煤百力美元国内生产总值，每消耗1 吨标准煤创造了3 0 5 6 美元的国内生 产总值。 可以看出，美国每消耗1 吨标准煤创造的国内生产总值是中国的3 6 侪，也就是说，我国的能源强度和产值能耗与国际的差距不是百分之几， 而是3 倍左右。因此，我国节能的潜力十分巨大，节能工作任重道远。这 主要表现在以下两点： ( 1 ) 能源生产、运输以及消费等环节，浪费现象很严重； ( 2 ) 我国耗能工艺的节能潜力很大。如电解铝、高炉煤气利用、生产 过程中的余热利用等节能工作才刚刚开始，后期还有很大的节能潜力可 以挖掘。 1 2 论文研究背景及意义 人口和经济的迅速增长，加剧了矿物能源的消耗和枯竭，导致环境 的污染和破坏，因此，人们正以极大的努力去寻找解决能源危机的出路。 中国后油大学( 华彖) 硕士论文第1 章前言 出路无非是两个，一是开发新能源；二是节约能源消耗。油气田是能源 生产的基地，也是消耗能源的重点地区。我国北方主要油f 日| b 已经进入 了高含水丌采期，采出的油水混合物中，水的含量达到了8 0 以上，有 的甚至高达9 0 以上。高含水期原油生产分离出大量的低温热污水，温 度在3 5 一7 0 ，直接利用的价值不大。 从胜利油田情况来看，现在有污水站5 2 个，污水量7 2 万立方米，天， 污水水温多在5 0 7 0 ，其中污水水温在6 0 以上的有1 4 个站，污 水量约2 6 万立方米，天，这是一笔很可观的可利用热能。而当前，油田 在采暖和原油集输加热过程中，直接使用原油或渣油作为燃料，燃料结 构不合理，浪费严重。胜利油田消耗在冬季采暖和原油加热的燃油达到 3 5 万吨年【“。能耗成本非常高，环境污染较为严重。如果能通过回收余 热来采暖和加热原油，显然可以节约原油或天然气消耗，获得较好的经 济效益和环保效益。 目前在吸收式制冷机和利用余热水的吸收式热泵领域，机组功能单 一，机组的利用率比较低。例如：冬季吸收式热泵的运行时间只有3 4 个月，夏季吸收式制冷机的运行时间也只有2 3 个月，其它时间设备只 能处于闲置状态，大大降低了资源的利用率。 为了克服制冷、制热机组功能单一的缺点，在余热资源比较丰富的 地区( 如油田、大型石化企业、地热资源丰富地区) 开发利用余热的吸收 式制冷制热两用机组装置，夏季制冷、冬季采暖，将低品位会热利用的 程度提高一个台阶，而且能够大大提高设备和资源的利用率；同时，在 传热传质机理研究的基础上，对影响吸收式制冷制热两用机组的关键参 数进行优化，可以进一步降低两用机组和配套设备成本，提高两用机组 节能潜力，获得更大的经济效益和社会效益。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 3 国内外研究概况 人类所主要依赖的传统能源总量快速减少与人类社会对能源的需求 不断增长之间的矛盾已经成为遏制经济发展与人类社会进步的重要因素， 开发新型可再生能源和寻求现有能源转换利用的最优途径已成为从科研 部门到政府，乃至整个社会关注的问题。作为低温位能量有效利用的一 种装置，吸收式机组丌始受到人们的重视。 在国内外制冷空调领域内，很多学者对两用机组作了大量的实验， 主要集中在对直燃型溴化锂吸收式冷热水机组的研究【2 1 ，也有少数学者 对氨水单效吸收式制冷与第一类热泵组合的机组 3 1 1 4 1 、溴化锂单效吸收式 制冷与第二类吸收式热泵组合的机组f 5 1 1 6 1 进行了实验分析。 1 3 1 吸收式制冷技术国内外研究概况 吸收式制冷技术自应用生产实践以来，初期发展缓慢，后经科学工 作者的不懈努力，直多j 1 9 2 4 年美国c a r d e r 公司研制成功了以水一溴化锂为 制冷工质对的大型空调用吸收式水冷机组，才使人们看到了吸收式制冷 技术的优点，为吸收式制冷技术的应用和发展开创了一条新的途径。 在溴化锂吸收式技术领域中，发展最快的首推同本，同本的吸收式 技术，最初由美国引进，但现在反过来向美国输出。自从1 9 5 9 年试制成 功了小型的溴化锂吸收式制冷机以来，技术不断进步，现已发展成为具 有本国特点的产品，如双效型，直燃型，冷、温水两用型等机组【2 l 。 在我国，吸收式制冷机组的研制、开发和应用始于2 0 世纪的6 0 年代。 在氨水吸收式制冷机组的研究方面，第一台国产氨水吸收式制冷机组在 保定胶片厂建成，东南大学研究出了利用低压余汽的双级实验寺 冷机组， 并取得了大量的实验数据；在溴化锂吸收式制冷机组的研究方面，1 9 6 6 年上海第一冷冻机厂研制成功了我国第一台溴化锂吸收式制冷机，并就 4 中国干i 油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 溴化锂溶液对金属的腐蚀和防腐措施进行了大量实验研究，为溴化锂吸 收式制冷机在我国的发展打下了良好的基础。由于电力紧张，且氟利昂 会破坏地球大气的臭氧层，加上吸收式制冷机的自身优势，溴化锂吸收 式制冷机组在我国得到了迅速的发展川。 1 3 2 吸收式热泵技术国内外研究概况 吸收式热泵( a b s o r p t i o nh e a tp u m p ，a h p ) 作为一种可以将低品位热 能提升至高品位并加以再利用的设备，达到了利用余热的目的，因而在 节能方面有很好的应用前景。目前许多国家都以推广应用热泵作为回收 余热，提高能源利用率、从而减少二氧化碳排放的一种手段。 作为溴化锂吸收式热泵理论依据的吸收式循环技术始于二十世纪中 叶，这种循环技术在能量转化和用能结构方面表现出来的优势越来越明 显，因而在美国、日本以及欧洲诸国发展非常迅速。近几年吸收式热泵 技术在我国也得到了迅速的发展，1 9 8 4 年我国试制了第一台双效第一类 吸收式热泵，1 9 9 0 年上海交通大学完成了第二类吸收式热泵的研制工作。 2 0 0 0 年，胜利油田利用第一、二类吸收式热泵系统进行冬季采暖【s j ，在 油田热污水利用技术和吸收式热泵系统供热温度方面获得了突破，并取 得了良好的经济效益。 1 3 3 两用机组的实验研究 上海交通大学、江苏双良集团等2 1 对直燃型溴化锂吸收式冷热水机 组进行了大量的研究，主要为双效及多效机组的开发、机组的防腐、高 效换热管的研究等。但是直燃型冷热水机组制冷制热都是利用油、气等 一次能源，而且不能回收利用余热资源。 东南大学杜凯、杨思文等人【3 】【4 】进行了氨水吸收式制冷与热泵两用装 置的实验分析，指出吸收式制冷机是正向循环与逆向循环合为一体的系 中国石油大学( 华东) 硕+ 论文第l 章前言 统，它不仅具有制冷的作用，而且稍加变动还可以作为第一类热泵使用。 作者在同一套氨水吸收式制冷装置上，解决了氨水吸收式制冷与氨水吸 收式热泵之间相互转换的实际问题。 兰州铁道学院冯丽珠等人【5 】【q 进行了热水型吸收式制冷与第二类热 泵两用机组的实验研究，得出了两用机组的性能与驱动热水温度、流量、 冷凝压力、蒸发压力、稀溶液浓度以及放气范围的变化关系。 1 3 4 机组的优化研究 上海理工大学卢玫、余国和等人【9 】对溴化锂吸收式制冷系统的设计 参数进行了优化，优化方法为“方程式法”，即利用循环的特性方程式。 讨论了各换热器设备出口温差、溶液热交换器效率、溶液分配率和溶液 浓度差等设计参数对采用板翅式吸收器澳化锂制冷系统性能系数、系统 换热总面积、总体积的影响。 山东工业大学刘存芳、刘振乾【10 】进行了蒸汽型溴化锂吸收式冷温水 机组的优化，优化方法为“顺序法”，通过编制循环程序来仿真循环过 程。把各机组重要参数作为优化计算的优化变量，再加上一些适当的约 束，就构成了整个溴化锂吸收式冷温水机组的优化计算模型。 清华大学李辰砂i ”1 对吸收式热泵各换热单元内的热、质传递机理和 热动力循环过程进行了研究，建立了过程模型，提出了模块化优化设计 方法。 以上学者只是对单用机组进行了两种不同模式的实验研究，并没有 对两用机组( 单效吸收式制冷与第一类吸收式热泵结合) 内部的传热传质 特性、两种模式之间的匹配关系以及两用机组的总体优化设计等复杂问 题进行深入地探讨。同时上述机组都是利用油、气等一次能源，不能回 收利用余热资源。 6 中国午1 油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 因此，对利用余热的吸收式制冷制热两用机组( 单效吸收式制冷与 第一类吸收式热泵结合) 的开发，以及整机热力优化设计和性能分析等方 面尚需进一步研究。 1 4 论文的研究内容及方法 本文以胜利油田某余热利用工程为例，设计开发了利用余热的制冷 制热两用机组，夏季对外提供冷水，冬季提取余热水的热量对外供热。 完成了包括热力分析、传热分析、过程模拟和热力学优化在内的一系列 工作，开发了溴化锂吸收式制冷n 热两用机组过程模拟与优化软件。具 体工作有： 在前人研究工作的基础上，详细分析了溴化锂吸收式制冷机和吸 收式热泵循环过程，借助现代不可逆热力学分支有限时间热力学理 论建立了溴化锂吸收式制冷n 热两用机组的数学优化模型，该模型充分 考虑到了设备初投资及运行费用。 采用l a g r a n g e 乘子法对模型进行优化求解，推导了比功能率与性 能系数、操作参数的优化关系，分别得出了两用机组热泵模式和制冷模 式的最佳操作条件，这些参数为吸收式机组的热力优化设计提供了一些 理论依据。推导出了吸收式机组各热交换器传热面积间的优化关系式， 为随后的热力设计和结构设计奠定了基础。 针对目前油田或石化企业在生产过程中产生的大量低温余热水， 设计开发利用余热的吸收式制冷制热两用机组( 单效吸收式制冷与第一 类热泵结合) ，夏季以制冷模式供冷，冬季以热泵模式供暖。完成了两用 机组的热力分析、传热传质分析和各换热器主要换热面积设计。 设计了两用机组制冷模式和热泵模式的工艺流程和切换方式，解 决了机组在制冷和热泵两种模式下的匹配问题。最终提出了一套工艺上 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 可行的实现一机两用的方案，以拓宽吸收式机组在石油和石化领域的应 用范围。 利用高级程序语言开发出了吸收式制冷机、吸收式热泵以及制冷 制热两用机组的性能模拟与优化软件，介绍了软件的基本结构与实现方 法，为吸收式机组的工业设计提供更合理的设计方法和理论。 最后采用数值模拟的方法结合吸收式热泵的实验数据分别讨论了 两用机组在制冷模式和热泵模式下的各种影响因素。得到的结果可为吸 收式机组( 热泵机组、制冷机组以及两用机组) 的设计和操作运行提供一 些理论依据。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章吸收式制冷栅热泵系统简介 第2 章吸收式制冷机热泵系统简介 冷和热的概念是相对的，是与周围环境介质( 空气或水) 温度相比较 而言的，冷是指某物体或某空间的温度低于周围环境介质温度的状态， 热则是指某物体或某空间的温度高于周围环境介质温度的状态。 吸收式制冷是液体汽化制冷的一种，它和蒸气压缩式制冷一样，是 利用液态制冷剂在低温低压下汽化以达到制冷的目的。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；而吸收式制冷则靠消耗热能来完成这种非自发过程。 热泵机组【1 2 】1 13 】作为一种可以将低品位热能提升至高品位并加以再 利用的设备，可以达到利用余热的目的，因而在节能方面有很好的应用 前景。各种制冷循环都可以构成热泵循环，组成循环的各个过程并没有 什么不同，区别仅在于循环工作的温度区域和使用目的。制冷机是从低 于环境温度的冷却对象中吸收热量，并将其放置环境介质中；而热泵是 从环境介质中吸收热量，将该热量升温后提供给加热对象。 2 1 溴化锂吸收式技术的特点 2 1 1 主要优点 利用热能为动力，不但能源利用范围广，而且具有两个重要特点： 一是能利用低势热能( 余热、废热、排热) ，使溴化锂吸收式技术可以大 量节约能耗；二是以热能为动力，吸收式机组比利用电能为动力的压缩 式机组节约电耗，在我国电力比较紧缺的条件下，使用这种机组更有现 实意义。 整个机组除功率较小的屏蔽泵外，无其他运动部件，运转安静。 民用中以溴化锂水溶液为工质，无臭、无毒，满足环保的要求。 9 串嚣磊演大学( 华东) 磁士论文第2 章壤嫒式翻冷辘1 热泵系统篱奔 机组在真空状态下运行，笼高压爆炸危险，安全可靠。 负蘅调节范嘲广，对外努条件变化的迸成性强。 搡作篱单，缭护保葬方馁，荔予实现蠡麓纯运行。 对安装基础的要求低，可猩露天甚至楼顶安装，尤其适用于舰艇、 医院、宾馆等场合。 污焉橇蕴一栋多餍，可傣爱拳空诱、冬攀采暖，兼颟绳供釜活热 水之用，使用方便。 可实现能源消耗的季节平衡。夏季空调髑电紧张两煤气消耗降低， 采霜吸收式视维胃减少夏季电糍，增加煤气耧鬟；冬季髓耗嵩孵，热泵 所能制用的余热也增多，有助予减少能源的消耗。 2 ，1 2 囊要簸赢 腐蚀性强。淡化锂水溶液对普通碳钢有较媸的腐蚀饿不仅影响 到机缎的性能与正常运行，而且影响到机组的寿命。 气密经要求舞。实黢表鹱，帮搜瀑入徽囊黪空气毽会彩旗撬组麓 性能，这就对制造肖严格的要求。 因用水作制冷剂，故一般只能制取5 以上的冷媒水，多用于空 气溪警及一些生产z 艺蔫冷冻承。 澳化锂价格较贵，机组充滋量大，初投资较高。 2 2 淡化锂吸收式制冷循环 演化锂吸收式制冷机可以制取5 c 1 54 c 的冷媒水，供冷印工艺或 空气调节过程使用。制冷循环如图2 1 所示，农吸收器4 中，溴化锂浓 滚滚缀毂柬鑫蒸发爨3 熬冷裁蒸汽，被褥释袋免撩溶滚；溶渡泵7 将褥 溶液从吸收器提升到发生器l 中，溶液的压力从蒸发压力相应地提高到 冷凝压力；在发生器中，稀溶液被加热浓缩成为浓溶液，这时，释放出 中国秆油大学( 华东) 硕士论文第2 章吸收式制冷机搏泵系统简介 来的冷剂蒸汽进入冷凝器2 ，而浓溶液则流回吸收器；来自发生器的冷 剂蒸汽在冷凝器中冷凝成冷剂水；冷剂水经过节流阀6 降压后，进入蒸 发器3 蒸发，产生冷剂蒸汽：冷剂蒸汽进入吸收器4 ，再被浓溶液吸收； 这样就完成了吸收式制冷循环。 水 图2 - l 吸收式制冷循环 l 一发生器2 冷凝器3 一蒸发器4 吸收器 5 一溶液换热器6 节流阀7 - - 溶液泵 在吸收式制冷循环中，工质对在发生器中从高温热源获得热量，即 发生器热负荷q ；在蒸发器中从冷媒水获得热量，即蒸发器热负荷q e ； 在吸收器和冷凝器中向外界环境放出热量，分别是吸收器热负荷q a 、冷 凝器热负荷q 。而溶液泵只是提供输送溶液时克服管路阻力和重力位差 所需的动力，消耗的机械能很小。对于理想的吸收式制冷循环，如忽略 溶液泵的机械功和其他热损失，则由热力学第一定律得到如下热平衡关 系式： q + q 2 = q + q c ( 2 - 1 ) 由能效比概念，得到溴化锂吸收式制冷循环的热力系数c d ，k 如下： 孛圆辱溜丈学( 华东) 磁+ 论文第2 章壤牧式剩冷豁热泵系统燕奔 c o e , “爱 2 3 溪囊：铿啜收戏热泵 | 蠢繇 ( 2 2 ) 澳化锂吸收式热泵机组利用低品位余热制取热水，用予工艺过程加 热、冬季采暖或提供生溪用热水。单效第一类吸收式热泵极组与单效吸 收式毒冷枫缓的流程是一致静，热泵循环如圈2 - 2 所示，不同的是蒸发 器内的冷媒水被余热水取代、吸收器和冷凝器中的冷却水被供热水取代。 固2 - 2 吸收式一类热泵籀琢 l 一发生嚣蛐凝器硪蓑器如域收器 扣一溶液换热器6 节流阀7 0 溶液泵 澳化锂吸收式第类热泵机缌的热平衡关系式与单效吸收式制冷机 经是一致豹，繇： 皱十g 一晓+ q ( 2 3 ) 出能效比的概念，溴化锂吸收式第一类热裂循环的热力系数g d 如下： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章吸收式制冷机，热泵系统简介 c 2 警 ( 2 _ 4 ) 2 4 溴化锂水溶液的物理性质 在吸收式机组中完成吸收式循环的工质，通常是由两种沸点不同的 物质所组成的二元溶液，其中低沸点的组分( 又称易挥发组分) 作制冷剂 ( 蒸发剂) ，高沸点的组分( 又称难挥发组分) 作吸收剂。常用约工质对有 溴化锂一水溶液和氨一水溶液。 溴化锂一水溶液是吸收式机组中应用最为广泛的工质对。其中水是制 冷剂，溴化锂水溶液是吸收剂。用水做制冷剂有许多优点对生态环 境无破坏作用，汽化潜热大、廉价、易得、无毒无味、不燃烧、不爆炸 等；缺点是蒸发压力低、蒸汽比体积大，而且用在制冷机中只能制取o c 以上的冷媒水。 用溴化锂水溶液做吸收剂也有许多优点：对人体和环境无害；溴化 锂易溶于水，具有很强的吸收水蒸汽的能力；溴化锂的沸点高达1 2 6 5 ， 在溶液沸腾时所产生的蒸汽中没有溴化锂的成分，故在溴化锂吸收式机 组中不需设置精馏装置等。其缺点是对金属材料有腐蚀性，会出现结晶 现象。 2 5 溴化锂水溶液的主要物性参数计算方程 为了在计算机上进行优化设计，需要将溴化锂水溶液的物性公式化。 本文参考大量国内外有关文献【1 4 1 1 1 5 】【1 6 1 1 l ，找到了溴化锂水溶液热物性比 较准确、简便的计算公式。并对精确度比较低的计算公式，与溴化锂溶 液的物性图表对比，做了修正。通过修正，可以比较准确地计算出溶液 的物性参数。把溴化锂溶液的物性参数计算公式用v c 编制程序，作为 主程序的子程序模块，以便主程序调用。 中国行油人学( 华东) 硕士论文第2 章吸收式制冷机，热泵系统简介 溴化锂水溶液的粘性系数方程 粘性系数是传热计算时使用的重要参数之一。溴化锂溶液的动力粘 度系数与溶液的温度及溶液的浓度密切相关。在一定温度下，随着溶液 的溴化锂质量分数增加，粘度系数急剧增加；在一定质量分数下，随着 温度降低，粘度系数增大。目前还没有比较好的公式可用于计算液体混 合物粘性系数。一般通过数据回归分析，得到溴化锂溶液的动力粘性系 数回归方程，如方程( 2 5 ) 所示，方程中的系数如表2 1 所示： 44444 = 爿。z ”+ ，民x ”+ r 2 c x 4 十f 3d x ”+ f 4 e 。x ” ( 2 5 ) 00000 式中溴化锂溶液的动力粘度系数，p a s ； x 溴化锂溶液中溴化锂的质量分数，； f 溴化锂溶液的温度，。 表2 - 1 溴化锂溶液的粘度系数计算方程回归系数 胛 以eeee 02 8 0 2 9 7 8 61 0 2 3 5 9 0 1 6 8 6 6 3 1 2 8 8 1 7 e 33 7 6 4 8 4 e - 6 l - 2 4 6 7 1 0 3 58 8 1 8 4 1 81 4 1 4 0 0 41 0 5 7 9 1 e - 2- 3 0 4 5 8i e 一5 2 8 2 3 6 9 5 7 1 2 2 8 7 0 8 7 3 4 4 6 4 3 4 43 2 5 9 18 e - 29 2 0 8 1 2 e - 5 31 2 2 9 5 1 5 1 24 1 7 7 6 5 5 8_ 6 2 9 1 1 5 74 4 6 8 7 3 e - 21 2 3 4 5 8 e 一4 4 6 9 8 7 1 9 1 5 92 3 1 0 5 2 5 83 3 6 6 5 3 7- 2 3 2 1 9 7 e 26 2 5 3 4 2 e r 5 溴化锂溶液的结晶温度方程 溴化锂吸收式机组在运行时，必须注意溶液的质量分数石和温度t 的范围，避免发生结晶现象。按文献提供的溴化锂溶液的质量分数x 和 温度，的数据，经筛选得到如下相关性相当好的拟合函数。 x = o 5 7 2 7 + o 0 0 0 9 5 2 8 6 t , + o 0 0 0 0 1 0 6 5 3 t ，。+ 0 0 0 0 0 0 0 0 1 6 5 9 1 f ，( 2 - 6 ) = - 9 9 4 3 1 6 + 6 4 0 9 0 4 8 x - 1 5 5 4 2 1 0 1 x 2 + 1 6 7 9 8 1 0 5 x 3 6 8 2 2 0 0 4 x 4 ( 2 7 ) 式中f 。溴化锂水溶液的结晶温度，； 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章吸收式制冷机脚泵系统简介 x 溴化锂溶液中溴化锂的质量分数，。 溴化锂溶液的密度与温度和浓度关系方程 根据文献提供的溴化锂溶液密度随温度f 和浓度x 的变化曲线图及 数据，通过正交多项式回归方法，求得x _ 4 0 6 6 ，t = 0 c1 2 0 。c 范 围内的溴化锂溶液密度p 与溶液温度r 和浓度x 的关系，如方程( 2 8 ) 所 示，方程中的系数如表2 2 所示： 33 p = e 以彳”+ r 玩x ” ( 2 - 8 ) 00 表2 - 2 溴化锂溶液的密度计算方程回归系数 ，l o l23 4 】0 16 0 2 88 4 4 】6 5- 4 1 9 0 3 61 6 9 6 ，1 7 6 e 4 9 0 32 7 3 0 9 5 5 4 6 53 6 2 7 3 溴化锂水溶液的平衡方程 溶液的平衡方程反映平衡态溶液的压强p 、温度f 和浓度x 关系。 因溴化锂水溶液沸腾时只有水汽化出来，溶液的蒸汽压就是水蒸汽压， 而水的饱和蒸汽压只是温度的单值函数。溴化锂溶液的温度f 和浓度z 的关系方程如方程( 2 9 ) 所示，方程中的系数如表2 3 所示： 33 f = 以x ”+ f l 玩 ( 2 - 9 ) 0 o 式中f 压强为p 时，溴化锂溶液的饱和温度，； f 1 压强为p 时，对应水的饱和温度( 或称露点温度) ，。 表2 - 3 方程( 2 9 ) 的平衡方程的回归系数 刀0 12 3 4 1 4 0 8 7 68 5 5 7 4 51 6 7 0 8 9- 8 8 2 6 3 6 皖 0 7 71 4 5 5 2 6 4 0 1 2 2 7 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章吸收式制冷机，热泵系统简介 在溴化锂吸收式机组的计算和分析中，往往遇到已知溶液的温度t 和 压强p ，如何确定溶液的浓度x 问题，可采用下列回归方程( 2 1 9 ) ，方程 中系数如表2 4 所示： 表2 - 4 方程( 2 一l o ) 的平衡方程的回归系数 ( 2 1 0 ) 甩 以色c见 o0 3 1 0 5 71 2 3 2 e - 21 9 1 6 6 e - 41 6 3 8 6 e 一6 l1 2 8 2 e - 23 8 4 6 e 43 3 3 4 e - 62 1 6 e - 8 21 7 3 1 2 e 47 1 4 5 7 e - 8 5 3 1 2 3 e 一8 1 5 0 5 e 1 0 3 5 3 3 0 3 e 75 7 3 8 9- 3 6 0 1 2 b l o- 4 6 7 8 8 1 3 41 0 2 5 7 e 1 2 溴化锂溶液的质量定压比热容计算方程 澳化锂溶液的质量定压比热容与溶液的温度及溶液的浓度密切相 关。在一定温度下，随着质量分数x 的增加，g 减少；在一定质量分数 下，随着温度增加，c 口增大。按前述方法，在x = 5 0 6 6 ，t = 2 5 c 1 3 0 4 c 范围内，回归整理出如下方程( 2 1 1 ) ，方程中系数如表2 5 所示： 222 c p = 4 石”+ f b o x ”+ r 2 g ( 2 - 1 1 ) ooo 式中 c o 溴化锂水溶液的质量定压比热容，k j ( k g k ) 。 表2 - 5 方程( 2 11 ) 的回归系数 疗 以e g 04 0 79 9 2 e - 41 - 1 9 8 8 e 5 15 1 2 36 2 9 e 34 3 8 5 5 e 6 22 2 9 7- 9 3 8 e - 31 2 5 6 7 e - 5 1 6 r珥 ，。 广 + rg 。 2 r昂 ，。 w r4 ，。 = r 中国石油大学( 华东) 硕+ 论文第2 章吸收式制冷机，热泵系统简介 溴化锂水溶液的比焓值计算方程 在溴化锂吸收式循环的热力计算和传热计算中，需要用到溶液的比 焓值。由热力学可知，比焓的绝对值是无法测定的，在热工计算中只需 确定比焓的变化值。比焓值基准是，规定溶液质量分数= o 、温度t = o 时的比焓值为4 1 8 6 8 k j k g ( 即0 c 饱和水的比焓，下同) 。溴化锂水 溶液的比焓值计算方程的适用范围是t = 0 c 1 6 0 c ，x = 4 0 6 5 。回 归整理出如下方程( 2 1 2 ) ，方程中系数如表2 - 6 所示： 4222 h = 以x ”+ f b x “+ f 2 c x ”+ f 3 d x ” ( 2 - 1 2 ) 式中 厅任意温度r 时溴化锂水溶液的比焓值，k j k g 。 表2 - 6 溴化锂水溶液的比焓值计算方程回归系数 疗 以鼠g见 o5 7 1 1 7 7 1 54 0 74 9 6 e - 43 9 9 6 8 6 l7 5 0 7 2 3 4 - 5 1 2 3 3 1 4 5 e 31 4 6 1 8 3 e 6 2- 2 3 0 0 6 7 5 1 82 2 9 7- 4 6 9 e - 34 1 8 9 e - 6 32 8 0 3 7 3 6 6 8 4- l1 6 1 0 7 5 溴化锂水溶液的表面张力计算方程 溴化锂溶液的表面张力与溶液温度和溴化锂溶液的质量分数有关。 溶液的表面张力随温度的升高而降低，当温度一定时，表面张力随浓度 的增大而增大，且近似成线性关系。 在溶液温度t = 2 5 。c1 3 0 。c ，浓度x = 4 0 7 0 范围内，溴化锂溶 液的表面张力仃与溶液温度r 和浓度x 的关系如方程( 2 1 3 ) 所示，方程中 的系数如表2 7 所示： 23 t l r = 4 ，+ z 玩， ( 2 1 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章吸收式制冷机，热泵系统简介 式中仃溶液的表面张力，n m 。 表2 7 溴化锂溶液的表面张力计算方程的回归系数 甩0 l 2 3 4 6 0 7 e 2- 4 2 0 6 1 e 一5一1 3 4 0 2 e _ 6 玩 6 2 0 7 e - 2- 2 5 3 6 e - 45 0 1 3 e 6- i 1 7 e - 8 热导率是进行传热计算时要用到的重要物理参数之一。溴化锂溶液 的热导率在温度不变时，随浓度的增大而减少；在浓度不变时，随温度 的升高而增大。按前述方法，在溶液温度t = 0 1 0 0 * c ，浓度z = 4 0 6 5 范围内，得到溴化锂溶液的热导率名与溶液温度f 和浓度x 的关系如 方程( 2 - 1 4 ) 所示，方程中的系数如表2 - 8 所示： 3 2 五= 以f ”一石e ， ( 2 1 4 ) 0o 式中五溴化锂溶液的热导率，w c m k ) 。 表2 - 8 溴化锂溶液的热导率计算方程的同归系数 ，z 0 l 2 3 4 0 5 6 3 9 12 8 e 32 2 6 3 6 e 57 ，2 3 1 7 e - 8 最 0 3 1 2 6 41 7 5 e - 3一1 1 9 7 7 e 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章吸收式机组热力计算和传热计算 第3 章吸收式机组热力计算和传热计算 3 1 吸收式机组工作过程在h 一善图上的表示 溴化锂吸收式机组的理想工作过程用h - f 图表示，如图3 - 1 所示。 理想过程是指工质在流动过程中没有任何阻力损失，各设备与周围空气 不发生热量交换，发生终了和吸收终了的溶液均达到平衡状态。图中凤 为冷凝压力，也就是发生器压力，见为吸收器压力，即蒸发压力。 质量分数善 图3 - i 吸收式机组j = 作过程在 一善圈上的表示 发生过程 点2 表示吸收器的饱和稀溶液状态，其浓度为乞，压力为岛，温度 为t ：，经过发生器泵，压力升高到仇，然后送往溶液热交换器，在等压 条件下温度由，升高到t ，浓度不变，再进入发生器，被发生器传热管 内的工作蒸汽加热，温度由f ，升高到见压力下的饱和温度t ，并开始在 等压下沸腾，溶液中的水分不断蒸发，浓度逐渐增大，温度也逐渐升高， 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章吸收式机组热力计算和传热计算 发生过程终了时的溶液浓度达到盏，温度达到，用点4 表示。2 - 7 表 示稀溶液在溶液交换器中的升温过程，7 5 4 表示稀溶液在发生器中 的加热过程和发生过程，所产生的水蒸汽状态用开始发生时的状态( 点5 ) 和发生终了时的状态( 点4 ) 的平均状态点3 表示，由于产生的是纯水蒸 汽，故状态3 位于善= o 的纵坐标轴上。 冷凝过程 由发生器产生的水蒸汽( 点3 ) 进入冷凝器后，在压力p 。不变的情况 下被冷凝器管内流动的冷却水冷却，首先变成饱和蒸汽，继而被冷凝成 饱和液体( 点3 ) ，y - 3 表示冷剂蒸汽在冷凝器中冷却及冷凝的过程。 节流过程 压力为既的饱和冷剂水( 点3 ) 经过节流装置，压力降为p 。( 风= 岛) 后进入蒸发器。节流前后因冷剂水的焓值和浓度均不发生变化，故节流 后的状态点与点3 重合。但由于压力的降低，部分冷剂水汽化成冷剂蒸 汽( 点l ) ，尚未汽化的大部分冷剂水温度降低到与蒸发压力p 。相对应的 饱和温度 ( 点1 ) ，并积存在蒸发器水盘中，因此节流前的点3 表示冷凝 压力p k 下的饱和水状态，而节流后的点3 表示压力为p 。的饱和蒸汽( 点l ) 和饱和液体( 点1 ) 相混合的湿蒸汽状态。 蒸发过程 积存在蒸发器水盘中的冷剂水( 点1 ) 通过蒸发器泵均匀的喷淋在蒸 发器管簇的外表面，吸收管内冷媒水的热量而蒸发，使冷剂水在等压， 等温条件下由点变为1 ，1 1 表示冷剂水在蒸发器中的汽化过程。 吸收过程 。 浓度为丢，温度，4 、压力为p k 的溶液，在