（制冷及低温工程专业论文）风冷吸收式制冷系统性能分析及吸收器结构优化.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 近年来，由于蒸汽压缩式制冷系统用电负荷的大幅增加以及制冷剂环保替代问 题， 作为制冷技术中的一个重要分支， 溴化锂吸收式制冷技术越来越受到人们的关注。 溴化锂吸收式制冷系统小型化的重要途径之一风冷吸收式制冷系统也逐渐进入 人们的视野，成为研究热点。在风冷吸收式制冷系统中，由于冷却介质温度过高，传 热系数较低， 严重制约了风冷吸收器的传质吸收效果， 导致溴化锂溶液循环趋于高温、 高压、高浓度，系统热力性能降低，热源温度、发生压力大幅增加。本文通过模拟计 算，分析了系统及百叶窗风冷板式降膜吸收器性能。 针对目前常用的四种双效溴化锂吸收式制冷系统串联系统、倒串联系统、稀 溶液在低温溶液热交换器前分流的并联系统、稀溶液在低温溶液热交换器后分流的并 联系统，建立了系统集中参数模型，模拟分析比较了热源温度、蒸发温度、冷却空气 温度以及高、低温溶液热交换器性能对系统热力系数、换热面积等参数的影响，结果 表明，串联系统、稀溶液在低温溶液热交换器前分流的并联系统受系统热力性能或高 压发生压力的制约，不宜风冷化，同时高低温溶液热交换器对于风冷吸收式制冷系统 的改进具有更加重要的意义。 为了改善风冷吸收器传热性能，笔者将百叶窗翅片结构引入吸收器，提出了百叶 窗风冷板式降膜吸收器，建立了吸收器分布参数模型，并与稀溶液在低温溶液热交换 器后分流的并联系统模型相耦合，计算得到翅片间距、翅片宽度和百叶窗间距等结构 参数对吸收器及系统性能的影响规律，分析得出了上述翅片结构参数较为合理的取值 范围。 关键词：溴化锂 双效吸收式制冷系统 风冷 百叶窗翅片 吸收器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract recently, the lithium bromide absorption refrigeration technology as an important branch of refrigeration technology has attracted more and more attention in the world because of the large increase in electricity consumption of traditional vapor-compression cycles and the replacement of refrigerants. air-cooled absorption system which is one of the most important ways to miniaturize h2o-libr absorption refrigeration system has become a research focus. high coolant temperature and low heat transfer coefficient in air-cooled absorption system seriously restrict the absorption effect of air-cooled absorber, which leads to the boost of temperature, concentration and pressure of lithium bromide solution, and further causes the large increase of heat source temperature and generator pressure and the decrease of thermal performance. in this paper, performance of double effect absorption system and absorber was analyzed based on numerical simulation results. four lumped parameter models were developed for series system, counter series system, the system with parallel solution flow in which solution flow is distributed prior to low temperature solution heat exchanger and the system with parallel solution flow in which solution flow is distributed after low temperature solution heat exchanger respectively. the models were utilized to simulate and analyze various heat reservoir temperatures, evaporation temperatures, cooling air temperatures, high temperature solution heat exchanger and low temperature solution heat exchanger on the systems thermodynamic coefficient, heat exchange area and so on. the simulation result indicated that series system and the system with parallel solution flow in which solution flow is distributed prior to low temperature solution heat exchanger, are unfit for air-cooled absorber and condenser for low thermodynamic coefficient or high generator pressure; and solution heat exchangers are more important in the improvement of air-cooled system. a louvered fin was introduced to equip air-cooled absorber for performance improvement, and therefore an air-cooled plate type absorber as well as its simulated distributed parameter model was proposed in this paper. through model of the absorber coupling with the lumped parameter model of the system with parallel solution flow in 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii which solution flow is distributed after low temperature solution heat exchanger, the effect of fin pitch, fin width and louver pitch on the performance of absorber and system was analyzed, and the reasonable ranges of the above structural parameters were obtained. keywords: lithium bromide; double effect absorption refrigeration system; air-cooled; louvered fin; absorber 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 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，即： 学校有权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。 本人授权华中科技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。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 课题背景 制冷方法有很多，常见的主要有四种液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管 制冷、热电制冷，其中液体汽化制冷应用最为广泛，采用这种制冷方法的系统包括蒸 汽压缩式系统、吸收式系统、蒸汽喷射式系统、吸附式系统等等，蒸汽压缩式系统应 用最多，技术也较为成熟，其次是吸收式系统。 近年来，空调夏季用电负荷的急剧增加以及及人们环保意识的增强给蒸汽压缩式 系统的发展带来了很大的影响。一方面，随着人们生活水平的提高以及空调成本价格 的降低，越来越多用电的蒸汽压缩式空调进入千家万户，在给人们带来舒适生活的同 时，也极大的增加了空调耗电量，进而导致全国各大城市纷纷出现拉闸限电的情况， 且持续多年； 另一方面是制冷剂的替代问题。 1987 年签订的 蒙特利尔协议书 、 1997 年制订的京都议定书以及一系列蒙特利尔协议书修正案都在不断加速对环境 有破坏的 cfcs 和 hcfcs 制冷工质的替代进程。数据显示，我国是全球最大的空调 器生产国，2005 年我国房间空调器产量高达 7469 万台，65%内销空调器中的大部分 均使用 hcfc221。而吸收式系统则完全不存在上述问题，甚至是解决上述问题的方 法之一。 溴化锂吸收式制冷机是以水为制冷剂，利用溴化锂溶液在低温环境下吸收水蒸 气，高温环境下析出水蒸气的特点，以热能为动力的制冷装置，可利用低品位热源， 耗电量少，同时系统以水为制冷剂、溴化锂溶液为吸收剂，完全符合环保要求。因此 该制冷技术的推广应用不仅有助于缓和夏季空调用电高峰，调整社会能源消费结构， 而且在“西气东输” 、 “俄气南供” 、进口液化天然气、近海气登陆、煤层气开发等天 然气工程项目的大背景下，以天然气为燃料的燃气吸收式制冷系统将有望得到全国范 围内的推广2。 传统吸收式制冷系统均采用水冷冷凝器、吸收器，虽然改善了冷却条件，却增大 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 了整个系统的体积， 增加了实际安装、 操作运行的复杂性， 限制了机组的应用场合 （不 适用于缺水场合以及小型家用）2。r.saravanan 等人3认为实现吸收式系统小型化可 从两方面入手，一是取消冷却水系统，采用风冷吸收器、冷凝器，实现吸收式系统的 风冷化，二是采用气泡泵替代传统的发生器溶液循环泵的发生模式。吸收式系统风 冷化研究是实现系统小型化，扩大吸收式机组应用领域的重要手段。 1.2 百叶窗翅片简介 板翅式热交换器具有结构紧凑、轻巧、传热强度高的特点，是最有发展前途的高 效换热器之一。翅片作为板翅式换热器最基本的元件，其换热面积一般占总换热面积 的 67%88%，可以说换热器的高性能很大程度上归功于翅片的高效性。目前用于板 翅式换热器的翅片结构有平直翅片、锯齿翅片、多孔翅片、波纹翅片、针状翅片、百 叶窗式翅片等，其中锯齿翅片、百叶窗式翅片中的扰动尾流可多次驱散层流边界层的 增长，对促进流体的湍动、破坏热阻边界层十分有效，属于高效能翅片4-6。 图 1-1 百叶窗翅片结构示意图 图 1-1 为百叶窗翅片结构示意图7。百叶窗翅片属于间断式翅片表面，将翅片表 面沿气流方向逐渐断开，以阻止翅片表面空气层流边界层的发展，使边界层在各表面 不断的破坏，又在下一个冲条形成新的边界层，不断利用冲条的前缘效应，达到强化 换热的目的8。目前这种百叶窗翅片主要应用于汽车空调平行流冷凝器中。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.3 溴化锂吸收式制冷系统风冷化研究 2005 年，西班牙 rotartica 公司9, 10推出了一款间接风冷旋转式溴化锂吸收式机 组，整个机组密封在一个球形金属容器中，该容器在发动机的带动下可以 500rpm 的 速度旋转。吸收器依然采用水冷盘管外降膜吸收结构，溶液喷淋在内冷却盘管上，在 旋转离心力的作用下向外冷却盘管流动，由于离心力的作用，溶液可以更加均匀的分 布在盘管外表面，有效的强化了吸收效果。盘管内冷却水升温之后进入风冷冷却器， 热量由室外冷却空气带走，结构如图 1-2 所示。 图 1-2 间接风冷旋转式溴化锂吸收式机组剖面结构示意图 实验结果表明双效吸收式制冷系统在室外温度 35、冷却水温度 7、制冷量 8.8kw 的情况下 cop 可达 0.75，单效吸收式制冷系统可达 0.49（若考虑发动机的电 能消耗，cop 为 0.37） 。 虽然国外公司已推出了相关产品，但风冷溴化锂吸收式系统仍然处于研究阶段， 离实用推广尚有一段距离，主要原因在于吸收器的风冷化设计以及高冷却空气温度、 低风冷传热系数对系统运行带来的不稳定因素。 1.3.1 风冷吸收式制冷系统的优缺点 与水冷溴化锂吸收式制冷系统相比，风冷吸收式制冷系统取消了冷却水系统，包 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 括复杂的冷却水系统管道以及庞大的冷却塔，降低了设备成本、运行费用以及维护的 复杂性，整个机组在结构设计上可以更加紧凑，简化了安装施工程序，同时还节约了 水资源， 可用于缺水地区。 但由于采用温度较高的室外空气直接冷却冷凝器、 吸收器， 使得系统冷凝温度以及吸收溶液温度升高，在蒸发温度不变的情况下，为保证冷剂蒸 汽的吸收，必须提高系统溶液浓度，进而导致整个系统趋于高温、高浓度、高压，增 加了系统结晶危险，同时发生压力有可能超过大气压，对发生器的设计制造带来不便 2, 11。 1.3.2 风冷吸收式制冷系统性能研究 基本的溴化锂吸收式循环包括单效、双效、多效以及两级循环，除多效循环外， 其他循环对应的水冷机组相关技术已较为成熟，且有广泛的应用。但风冷化后，冷却 条件的恶化对系统性能产生极大的影响。对此，国内外学者已进行了一定的理论和实 验研究。 m.izquierdo、m.venegas12, 13通过模拟研究认为溶液结晶是以太阳能为驱动热源 的风冷溴化锂吸收式制冷系统面临的主要问题。 模拟结果表明， 当冷凝温度高于 40， 单效风冷吸收式制冷系统即出现结晶现象，两级系统的极限冷凝温度值为 53，当冷 凝温度为 50时所对应的发生温度为 80，两级系统理论热力系数值 cop 为 0.38。 alva,luis h、gonzalez,jorge e14模拟研究了采用太阳能的单效风冷溴化锂吸收式制冷 系统在特定地区一建筑物中的运行情况，结果表明当室外温度低于 31时，风冷机组 cop 大于水冷机组，同时当太阳辐射较强时，风冷机组热力学特性与水冷机组相近； j.castro 等15在前人研究的基础上提出了考虑表面湿润度的发生器、蒸发器以及风冷 冷凝器、吸收器的数学模型，并通过实验验证了其模型的可靠性，模拟及实验结果说 明了提高表面湿润度对系统各部件性能的实际意义，若要实现风冷吸收式制冷系统的 小型化，必须设法提高表面湿润度；yoon jo kim、yogendra k.joshi 等16在理论研究 的基础上提出了一种用于冷却电子芯片的小型风冷溴化锂吸收式热泵系统，该系统采 用管内降膜，管外冷却的风冷吸收器，微通道冷凝换热器以及双微通道蒸发器。根据 理论计算结果，对于制冷量为 100w，蒸发温度为 30的系统，其蒸发器结构尺寸为 30mm30mm3mm，吸收器和冷凝发生器尺寸均为 100mm100mm45mm，整个系统 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 封装后的大小仅为 150mm150mm100mm。国内，浙江大学王林、陈光明2提出了建 立在传热传质分离基础上的小型风冷溴化锂双效并联吸收式制冷系统，在吸收器中设 置了填料，与空腔绝热喷雾器相比，吸收效果提高了 30%，同时在冷凝器和蒸发器之 间设置了冷剂水热回收装置，可使系统 cop 提高 0.051 左右；华中科技大学赵鹤皋、 范耀国17从理论上分析了溴化锂吸收式系统风冷化后可能产生的种种不利影响， 并针 对性的提出了解决措施；陈焕新、欧汝浩18, 19提出在蒸发器和吸收器之间设置蒸汽压 缩机，通过提高吸收压力消除风冷吸收式制冷系统冷却条件恶化对吸收器性能的影 响。 1.3.3 风冷吸收工质对研究 溴化锂水无毒、无臭、环保、安全可靠，是吸收式系统中使用时间最长，应用 最为广泛的工质对。 但对于风冷溴化锂吸收式制冷系统， 则存在严重的溶液结晶问题， 成为阻碍系统正常运行的主要障碍之一。为解决这一问题，研究者提出了一些不易结 晶，更加适用于风冷吸收式制冷系统的新型工质对。 mahmoud bourouis 等20提出了 libr+lii+lino3+liclh2o 工质对，其中四种盐 组分的摩尔比为 5:1:1:2，垂直管内降膜吸收实验结果表明，与溴化锂溶液相比，该多 组分盐溶液具有更低的结晶温度（当质量分数为 62%、温度低于 30时仍无结晶危 险） ，且当溶液雷诺数为 125 时，质量分数为 64.2%的多组分盐溶液与 57.9%的溴化锂 溶液相比，热负荷增加 28%，冷剂蒸汽吸收速率增加 50%，但两者的热质传递系数基 本相同；jin-soo kim 等21通过理论计算初步比较了 libr+h2o、libr +h2n(ch2)2oh +h2o、 libr +ho(ch2)3oh + h2o、 libr +(hoch2ch2)2nh +h2o 四种工质对的性能， 结果表明，不同工况下新老工质对对应的系统 cop、制冷量相近，但新工质对具有更 低的结晶温度，可作为风冷吸收式系统的替代工质对，但对于这些新工质对，还需要 深入研究其粘性、腐蚀性、热质传递性能以及精馏问题；jung-in yoon 等22通过理论 模拟对比了 libr+ho(ch2)3oh+h2o 和 libr+h2o 对风冷双效并联系统性能的影响， libr+ho(ch2)3oh+h2o 的结晶浓度比 libr+h2o 高 8%， 相同工况下采用新工质对的 系统 cop 比 libr+h2o 高 3%。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 1.3.4 风冷吸收器结构设计及性能研究 吸收器是溴化锂吸收式制冷机的关键部件，它的性能制约着溴化锂吸收式制冷机 的整体结构和性能。对于蒸发器而言，若吸收器吸收效果不好，则蒸发器内的冷剂蒸 汽就不能被及时吸收，蒸发过程也就无法进行；对于发生器而言，若吸收器的吸收效 果显著，则可降低发生器进出口溶液浓度，进而有望降低系统驱动热源温度。传统水 冷溴化锂吸收式机组所采用的吸收器一般为水平管或螺旋管外降膜结构，管内走冷却 水，溴化锂溶液在管外降膜流动。而若要实现吸收器的风冷化，必须设计出适合风冷 的新型吸收器，既能保证良好的吸收效果，又能迅速的将吸收热带走。目前已经提出 的风冷吸收器结构形式主要有以下三种。 （1）间接风冷管外降膜吸收器 基本原理如图 1-3 所示17，吸收器仍采用传统的水冷结构，只是升温后的冷却水 进入强制风冷换热器，由冷却空气将吸收热带走。从整体上看这种吸收器结构实现了 吸收器的风冷化，但其内部仍存在一个闭式冷却水循环，系统仍然比较复杂。在吸收 热传递方面则存在二次换热，传热效率降低，同时还要保持一定的传热温差以避免换 热面积过大。因此该吸收器结构不仅要承担风冷带来的一系列问题，系统本身也没有 得到简化。 图 1-3 间接风冷管外降膜吸收器原理图 （2）风冷垂直管/板降膜吸收器 目前已经提出了垂直圆管内降膜吸收器以及板式降膜吸收器两种结构。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 垂直圆管内降膜吸收器是提出较早、 研究比较多的风冷吸收器。 基本结构如图 1-4 所示，基本原理是溴化锂溶液沿管内表面降膜流下，吸收管内自下而上流动的冷剂蒸 汽，吸收热通过管壁传递给管外流过的冷却空气，管外侧一般安装肋片以强化换热。 浙江大学王林博士2认为管内空间狭小，使得溴化锂溶液与水蒸气接触的时间和空间 十分有限，管内传热传质无法得到很好的强化，同时有限空间内水蒸气流动引起的压 力损失进一步导致吸收效果的恶化，但 marc medrano 等24通过实验研究认为，在其 实验所采用的管径条件下（降膜圆管长 1.5m，内径为 22.1mm） ，管内降膜冷剂蒸汽吸 收效果与管外降膜没有太大的差别，即管径影响基本可以忽略。同时，中国科学技术 大学程文龙博士25通过模拟研究认为管径对吸收效果具有一定的影响， 但随着管径的 增大，这种影响逐渐减小，当管径较大（15mm）时，其影响可以忽略，因此笔者认 为只要选用合适的降膜管经，空间狭小、冷剂蒸汽压降等因素对吸收效果的影响基本 可以忽略。此外，程文龙博士认为提高管外风冷的对流传热系数是实现风冷的关键， 可考虑采用扁管或高效换热翅片。 图 1-4 风冷垂直管内降膜吸收器结构示意图 水冷板式降膜吸收器早已有人研究，并提出了一系列结构，包括直型板翅式降膜 吸收器26、 波纹板片式降膜吸收器27以及膜反转板式降膜吸收器28等等。 但很少有人 研究风冷板式降膜吸收器，笔者只看到东南大学施晨洁硕士、陈亚平教授29提出了 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 风冷板翅式降膜吸收器结构，具体结构如图 1-5 所示，空气侧采用锯齿型翅片，作者 着重研究了空气侧翅片结构参数、空气参数对传热系数的影响以及溶液侧膜反转技 术。 图 1-5 板翅式风冷吸收器结构示意图 （3）传热传质分离基础上的风冷绝热吸收器 德国 franz summerer、 flamensbeck30, 31以及美国 ryan william、 warnakulasuriya32, 33等是较早采用喷雾吸收器从事传热传质分离技术研究的学者。该技术将传统吸收器 中传热、传质相互藕合的过程分离为两个独立的过程，进而采取相应的强化传热、传 质措施对两过程分别进行强化。在此基础上，浙江大学陈光明教授34, 35设计提出了风 冷预冷却绝热吸收器，如图 1-6 所示，来自发生器的浓溶液与一部分稀溶液混合后首 先进入风冷预冷器，提前将吸收热带走，从预冷器出来的过冷溶液进入绝热吸收器吸 收来自蒸发器的冷剂蒸汽，其间吸收热不再排出吸收器。理论和实验研究表明，与传 统吸收式系统相比，绝热吸收器的溶液再系统倍率有大幅增加，但在保证再系统倍率 的情况下，吸收效果与风冷层流降膜吸收基本相同。王林博士2进一步提出了风冷绝 热填料吸收器，与空腔绝热吸收器相比，吸收效果增加 30%，具有显著的强化效果。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 图 1-6 风冷预冷却绝热吸收器原理图 1.4 本文主要工作 本文主要围绕风冷溴化锂吸收式制冷系统展开理论研究，内容可以分为以下两个 部分。 （1）风冷双效溴化锂吸收式制冷系统性能分析比较。 建立了以溴化锂水为工质的串联、倒串联、稀溶液在低温溶液热交换器前分流 的并联系统（以下简称前并联系统） 、稀溶液在低温溶液热交换器后分流的并联系统 （以下简称后并联系统）四种双效风冷吸收式制冷系统的数学模型，分析比较了不同 运行参数（热源温度、室外冷却空气温度、蒸发温度）对四种风冷吸收式制冷系统热 力系数、换热面积以及高压发生器发生压力的影响规律；同时还分析了高温溶液热交 换器、低温溶液热交换器性能对系统的影响情况。 （2）百叶窗风冷板式降膜吸收器模型建立及翅片结构优化。 建立了百叶窗风冷板式降膜吸收器分布参数模型，并与后并联系统集中刹那数模 型相耦合，分析了三个百叶窗翅片结构参数翅片间距、翅片宽度、百叶窗间距对 吸收器及后并联系统性能的影响规律，并针对本文所计算吸收器结构及后并联系统， 综合考虑翅片传热和压降影响，从系统热力系数的角度分析提出了翅片间距、翅片宽 度、百叶窗间距较为合理的取值范围。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 2 风冷双效溴化锂吸收式制冷系统性能比较 2.1 引言 前人通过研究已经指出，由于冷却条件的恶化，风冷溴化锂吸收式制冷系统溶液 循环趋于高温、高压、高浓度，增加了溶液结晶危险性，系统正常运行所需热源温度、 高压发生器发生压力大幅升高，但较少有人研究热源温度和高压发生压力的增加幅度 以及增加后的参数对系统性能的影响情况。此外，目前常用的双效溴化锂吸收式制冷 系统主要包括串联系统、倒串联系统、稀溶液在低温溶液热交换器前分流的并联系统 （以下简称前并联） 、稀溶液在低温溶液热交换器后分流的并联系统（以下简称后并 联） ，而新型风冷吸收式制冷系统的提出一般是在传统循环的基础上通过循环流程调 整改进得到，但对于前面提到的四种双效系统，未看到有通过系统的比较，分析何种 系统更适合进行风冷化改进的研究。 溶液热交换器作为溴化锂吸收式系统的组成部件之一，其重要性已在水冷系统中 得到验证36-38。但目前对于溴化锂吸收式系统研究多集中于系统流程以及吸收器， 较少有人溶液热交换器，对于风冷吸收式制冷系统中溶液热交换器的研究更少， 目前作者只看到浙江大学王林博士2在其博士论文中有所涉及，其研究侧重于板式溶 液热交换器本身的换热性能，并没有针对性的研究溶液热交换器对整个风冷吸收式制 冷系统性能的影响规律。 本章建立了串联、倒串联、前并联、后并联四种风冷双效溴化锂吸收式制冷系统 数学模型，分析比较了热源温度、蒸发温度、冷却空气温度以及高、低温溶液热交换 器性能对系统热力系数、换热面积等参数的影响情况，对风冷双效系统循环的进一步 改进以及溶液热交换器性能的深入研究具有一定的指导价值。 本章所涉及的四种双效风冷吸收式制冷系统循环流程与水冷系统完全相同，只是 其冷凝器和吸收器均为风冷，其循环流程分别如图 2-1、2-2、2-3、2-4 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 图 2-1 风冷双效串联吸收式制冷系统流程图 图 2-2 风冷双效倒串联吸收式制冷系统流程图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 图 2-3 风冷双效并联吸收式制冷系统（低温溶液热交换器前分流）流程图 2-4 风冷双效并联吸收式制冷系统（低温溶液热交换器后分流）流程图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 2.2 风冷双效溴化锂吸收式制冷系统数学模型 系统各部件均采用集中参数模型，为简化计算，作如下假设： （1）高压发生器、低压发生器、吸收器出口溶液处于对应溶液温度和压力下的 相平衡状态； （2）忽略系统内部压力损失、热损失、泵功以及冷却风机耗功； （3）低压发生器中高温加热蒸汽出口状态处于对应压力下的饱和液体状态，冷 凝器出口冷剂水、蒸发器出口冷剂蒸汽均处于对应压力下的饱和状态； （4）发生器出口冷剂蒸汽温度为溶液开始发生温度与发生终了温度（浓溶液出 口温度）的算术平均值。 在上述假设条件的基础上，根据质量、能量守恒关系，可得系统各部件数学模型 如下： 溶液质量守恒方程： in 0 out mm= (2-1) 溴化锂质量守恒方程： in ()()0 librlibrout mm= (2-2) 能量守恒方程： in ()()0 out qmhmh+= (2-3) 式中：m为溶液质量流量,/kg s； libr m为溴化锂质量流量,/kg s；q为吸收的热量,kw； h为溶液比焓,/kj kg，下标in表示各设备进口；out表示各设备出口。 高、低温溶液热交换器性能通过换热效能值表征21，计算公式如下： , , hot inhot out hot incold in tt e tt = (2-4) 式中：e为换热效能值；t为溶液温度,；下标in表示换热器进口；out表示换 热器出口；hot表示换热器高温放热侧；cold表示换热器低温吸热侧。 采用索柯洛夫（.）推荐的公式39计算发生器、蒸发器、溶液热交换 器传热温差，风冷冷凝器、吸收器则采用对数平均温差值，计算公式如下： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 mab tatbt= (2-5) maxmin max min ln m t tt t t = (2-6) 式中： m t为换热器的传热温差,；为热流体与冷流体的最大温差，即两者进入换 热器的温差,； a t为温度变化较小的流体在换热过程中的温度变化,； b t为温度变 化较大的流体在换热过程中的温度变化,；, a b为与换热器内流体流动方向有关的常 数； max t为换热器进出口处温差较大一侧的温差值,； min t为换热器进出口处两股 流体温差较小一侧的温差值,。 溴化锂溶液、冷剂水物性参数计算参考文献40-43中的相关公式。对于本章所研 究的系统及参数而言，系统热源温度 g t、蒸发温度 0 t和室外冷却空气温度 air t、高温溶 液热交换器换热效能值 hxg e和低温溶液热交换器换热效能值 hxd e是主要变量，其余各 主要参数设置如表2-1所示。 表 2-1 初始参数取值 q0 tatc tg tdkgkd kc k0ka khxg khxd 16 9 12 20 5 2.31.160.082.70.080.4 0.3 表中，q为系统制冷量,kw；t为温度,；k为传热系数, 2 /()kwm kg； g t、 d t为 高、低压发生器出口溶液与热源温差,；ta 为吸收器出口溶液温度与室外冷却空气 温度tair之差；tc 为冷凝温度与室外冷却空气温度tair之差。 下标g为高压发生器；air 为室外冷却空气；a为吸收器出口溶液；c为冷凝器；0为蒸发器；hxg为高温溶液 热交换器；hxd为低温溶液热交换器。 2.3 模拟结果及分析 根据系统数学模型（2-1）（2-3）以及相关参数计算公式（2-4）（2-6） ，结合 初始参数，通过编程计算软件对上述方程组进行求解，可得到系统各部件进出口参数 以及热负荷、换热面积、热力系数等性能参数。本章主要从系统热力系数cop、换热 面积a的角度分析热源温度 g t、蒸发温度 0 t、室外冷却空气温度 air t以及高、低温溶液 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 热交换器换热效能值对系统性能的影响情况，此外还比较了系统高压发生压力随热源 温度、蒸发温度、室外冷却空气温度的变化情况。 在前并联、后并联系统模型求解程序中，高压发生器发生压力属于独立设置的参 数项，故在计算过程中，其高压发生压力值是取系统cop最大时的压力值。 2.3.1 外界条件对风冷吸收式制冷系统性能的影响 溴化锂吸收式制冷系统运行工况分为外界条件和内部条件44， 对于本章所讨论的 风冷吸收式制冷系统，其外界条件主要是热源温度、蒸发温度、室外冷却空气温度。 因此根据前面建立的系统数学模型，模拟计算得到热源温度 g t、蒸发温度 0 t和室外冷 却空气温度 air t对系统热力系数cop、换热面积a以及高压发生器发生压力 g p的影响 情况。计算过程中取高、低温溶液热交换器换热效能值0.8 hxghxd ee=。 2.3.1.1 热源温度对系统性能的影响 对于传统的水冷双效溴化锂吸收式制冷系统而言，150热源温度即可满足要求， 而在风冷吸收式制冷系统中，溶液循环趋于高温、高压、高浓度，维持系统正常运行 所需热源温度大幅升高。在此，本章在取蒸发温度 0 5t =、室外冷却空气温度 35 air t=情况下，计算得到了热源温度对四种风冷吸收式制冷系统cop及换热面积 的影响情况。 172176180184188192196200 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 cop tg() 串联 倒串联 前并联 后并联 图2-5 cop随热源温度tg的变化 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 176180184188192196200 50 60 70 80 90 a(m2) 串联 倒串联 前并联 后并联 tg() 图2-6 总换热面积a随热源温度tg的变化 热源温度 g t对系统cop以及总换热面积a的影响分别如图2-5、图2-6所示。由图 2-5可知，四种系统cop均随热源温度的升高而增大，并逐渐趋于稳定。当184 g t 时，串联、倒串联、后并联系统cop相近，比前并联系统高17%左右，其原因是前并 联系统高压发生器进口溶液温度低于其他三种系统，使其热源单耗比其他三种系统高 16.5%左右。同时由于冷却条件的恶化，吸收器出口稀溶液浓度和冷凝压力均升高， 使得高低压发生器中溶液发生温度升高，进而导致系统所需热源温度增加，在本文所 设置的初始条件下，串联、倒串联、前并联、后并联系统所需的最低热源温度分别为 175、174、176、178。当184 g t 时， 后并联系统总换热面积最大，其次为串联、倒串联系统，前并联系统最小。当 0 5t = 时， 串联、 倒串联、 前并联以及后并联系统换热面积分别为：54.6 2 m、52.2 2 m、51.8 2 m、 56.15 2 m。 2.3.1.3 室外冷却空气温度对系统性能的影响 作为风冷溴化锂吸收式制冷系统所有问题的根本源头， 室外冷却空气温度 air t对系 统性能的影响必然是风冷吸收式制冷系统设计改进中至关重要的参考依据。因此，以 下通过模拟计算，给出了热源温度185 g t =、蒸发温度 0 5t =、室外冷却空气温度 30 37 air t=时系统性能的变化情况。 图2-9、图2-10分别表示系统cop、a随室外冷却空气温度 air t的变化情况。图 2-9中数据表明，系统cop随冷却空气温度的升高而降低，四种系统相比，前并联系 统cop仍低于其他三种系统，原因在前面已有详细阐述。从图2-10中可见，总换热 面积随冷却空气温度的升高而增加，当35 air t时，增幅加剧。四种系统中，后并联 系统总换热面积最大，其次为串联、倒串联系统，前并联系统最小。 由图2-9、2-10还可看出，只要保证热源温度，当34 air t时，系统热力系数、 换热面积均趋于稳定，对冷却空气温度敏感度不高，系统亦可稳定运行。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 29303132333435363738 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 串联 倒串联 前并联 后并联 cop tair() 图2-9 cop随室外冷却空气温度tair的变化 29303132333435363738 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 串联 倒串联 前并联 后并联 a(m2) tair() 图2-10 总换热面积a随室外冷却空气温度tair的变化 从图2-5、图2-7、图2-9可明显看出，相同工况下，前并联系统cop显著低于 其他三种系统， 原因是其高压发生器进口溶液温度较低， 使得热源单耗高于其他系统。 图2-6、图2-8、图2-10中数据还表明，不同运行参数下，系统总换热面积大小顺序 基本保持不变，即后并联、串联、倒串联、前并联，其中风冷冷凝器、吸收器换热面 积的影响较大。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 2.3.1.4 外界条件对高压发生压力的影响 水冷溴化锂吸收式制冷系统高压发生压力一般为5394kpa，发生器属于真空容 器， 而在风冷吸收式制冷系统中， 为保证系统的稳定运行， 高压发生压力将显著增加。 以下通过模拟计算得到了四种风冷双效系统高压发生压力 g p随外界条件的变化曲线。 计算过程中， 取热源温度、 蒸发温度、 室外冷却空气温度分别为：185 g t =、05t =、 35 air t=。 176180184188192196 100 110 120 130 140 150 pg(kpa) tg() 串联 逆串联 前并联 后并联 图 2-11 高压发生压力 pg随高压发生器热源温度 tg的变化 234567891011 96 100 104 108 112 116 120 124 128 132 pg(kpa) t0() 串联 逆串联 前并联 后并联 图 2-12 高压发生压力 pg随蒸发温度 t0的变化情况 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 29303132333435363738 80 85 90 95 100 105 110 115 120 pg(kpa) tair() 串联 逆串联 前并联 后并联 图 2-13 高压发生压力 pg随冷却空气温度 tair的变化 图2-112-13分别表示热源温度 g t、蒸发温度 0 t、室外冷却空气温度 air t对高压发 生压力 g p的影响情况。由图2-11可知，随着热源温度 g t的增加，高压发生压力 g p呈 上升趋势，其中串联系统高压发生压力 g p的增长幅度远高于其他三种系统，当 180 g t 时，四系统 g p均高于大气压。从图2-12可以看出，串联系统高压发生压力 g p随蒸发温度 0 t的升高而升高，其他三种系统 g p的变化趋势与串联系统相反，原因 在于串联系统蒸发温度升高，即吸收器出口稀溶液浓度降低，由于高、低压发生器之 间质量、 能量守恒， 必须降低高压发生器出口溶液浓度 rg x， 在热源温度恒定的情况下， 高压发生压力 g p必然增大。 由图2-13可知， 随室外冷却空气温度 air t的升高， 倒串联、 前并联、后并联系统高压发生压力 g p呈上升趋势，在文献22中亦有相同的变化趋势。 当34 air t，三种系统的 g p将高于大气压。 air t对串联系统 g p的影响较小，基本维持 在121kpa左右。 若不采取相应的改进措施，要保证四种双效风冷吸收式制冷系统的高效性，高压 发生压力必然大幅增加，并高出大气压，对高压发生器的设计制造带来不便。同时四 种系统中，串联系统高压发生压力明显高于其他三种系统，故在降低高压发生压力的 改进设计中不宜在串联系统的基础上进行。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 2.3.2 溶液热交换器对风冷吸收式制冷系统性能的影响 在溴化锂吸收式制冷系统中，溶液热交换器的作用在于回收热量，改善系统热力 性能，其重要性不容忽视。为了直观地表示、分析溶液热交换器对系统性能的影响情 况，定义了高温溶液热交换器换热面积比例 tg p、低温溶液热交换器换热面积比例 td p 和制冷系数增长率pir，计算公式如下： tg tg a p a = (2-7) td td a p a = (2-8) copcop pir cop = (2-9) 式中，a为系统总换热面积, 2 m； tg a为高温溶液热交换器换热面积, 2 m； td a为低温溶 液热交换器换热面积, 2 m；cop为系统热力系数；cop为0 hxg e=或0 hxd e=时系统 热力系数。 以下根据前面建立的系统稳态集中参数模型，模拟计算得到高、低温溶液热交换 器换热效能值对系统热力系数cop、总换热面积以及溶液热交换器自身换热面积的 影响情况。 计算过程中， 除了表2-1中给出的初始参数之外， 取定热源温度185 g t =、 蒸发温度 0 5t =、室外冷却空气温度35 air t=，同时还设定高、低温溶液热交换器 换热效能基准值均为0.8，即在计算高温溶液热交换器换热效能值 hxg e对系统性能影 响时，