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工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 摘要 烟气驱动的废热溴化锂制冷机利用高效的溴化锂废热发生器将废烟气中的 废热热量传递到溴化锂制冷机中，目前烟气驱动的废热溴化锂制冷机已生产出样 机，处于使用阶段。 机组的工艺设计繁杂，还没有适用于这种机型的设计软件，人工计算费时费 力，而且整个机组在变工况下的工作特性还不了解，实验成本昂贵。考虑到这种 情况，本文在查阅相关文献的基础上，开发了烟气驱动的废热溴化锂制冷机的系 统设计和变工况性能模拟软件，该软件分为6 大模块：工质热物性模块、溴化锂 废热发生器设计模块、单双效废热溴化锂制冷机系统设计模块、单双效废热溴 化锂制冷机交工况性能模拟模块、各状态点热力参数模块和热力学分析模块。这 套软件使得烟气驱动的废热溴化锂式制冷机的系统设计更为方便和准确，针对不 同的工况，可以利用软件进行多参数的设计比较，根据不同的设计要求，选择不 同的设计方案，满足个性化设计的要求；同时为烟气驱动的废热溴化锂吸收式制 冷机组的动态模拟及运行仿真奠定了基础。 通过本课题的工作，建立了一套较为完整的废热溴化锂制冷机的系统设计和 变工况性能模拟软件，与实验结果的比较表明该软件运行可靠，较好的满足了工 程实际的需要。这为以后废热溴化锂制冷机的系统设计以及不同工况条件下性能 的预测带来极大的方便，为该机组以后的推广应用提供了方便。 关键词：烟气溴化锂废热发生器溴化锂制冷机设计模拟 工程硕士学位论文 烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 a b s t r a c t l i t h i u mb r o m i d e - w a t e rr e f r i g e r a t o rd r i v e nb yw a s t eh e a to ff l u eg a st r a n s f e r s w a s t eh e a tf r o mf l u e g a st oh i g h p r e s s u r el i t h i u mb r o m i d e w a t e rb yh i 曲e f f i c i e n t g e n e r a t o r a tp r e s e n t ，p r o t o t y p eh a sb e e n i nt e s tu s e t h em a t u r es o f t w a r eh a sn o te x s t e df o rt h ec o m p l i c a t e ds y s t e md e s i g nm a n u a l c o m p u t a t i o nd o e s n tc o n s u m em u c h t i m eb u ta l s on e e dt o oh i g hc o s to f e x p e r i m e n t i n t h em e a n w h i l e ，t h ep e r f o r m a n c e so f s y s t e mi nv a r y i n gd u t ya r en o tk n o w n t h em a i n w o r ko f t h i sp a p e ri sc o m p i l i n gt h ec o m p u t e ra i d e d d e s i g na n d s i m u l a t i o ns o f t w a r eo f t h i sk i n do fm o d e l t h es o f t w a r ei n c l u d e ss i xm o d u l e s ：t h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t yo f w o r k i n gm e d i u m ，d e s i g no fl i t h i u mb r o m i d e - w a t e rg e n e r a t o rd r i v e nb yw a s t eh e a t ， s y s t e md e s i g no fs i n g l eo rd o u b l el i t h i u mb r o m i d e w a t e rr e f r i g e r a t o r s ，p e r f o r m a n c e s i m u l a t i o no fs i n g l eo rd o u b l el i t h i u mb r o m i d e w a t e rr e f r i g e r a t o ri nv a r y i n gd u t y , t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r so fe a c hs t a t e ，t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s e s t h es o f t w a r e m a k e st h ed e s i g nm o r ec o n v e n i e n ta n dc o r r e c t i tc a nb eu s e dt oc o m p a r et h ed e s i g n o f m u l t i p a r a m e t e ra n ds e l e c td e f e r e n td e s i g nm e t h o d sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tn e e d s a l s o ，i tl a y saf o u n d a t i o nf o rd y n a m i cs i m u l a t i o no fs y s t e m b yt h i ss t u d y , t h ew h o l es y s t e md e s i g na n ds i m u l a t i o ns o f t w a r e h a sb e e n c o n s t r u c t e d c o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l ta n de x p e r i m e n td a t as h o w s e x c e l l e n ta g r e e m e n t t h i ss o f t w a r es a t i s f i e se f f e c t i v e l yt h er e q u i r e m e n to fp r o j e c t t h i sm a k e sp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o no ft h er e f r i g e r a t o rm o r ec o n v e n i e n ti nd i f f e r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n sa n da c c e l e r a t e st h ep r o d u c t sp o p u l a r i z i n gf o rt h ef u t u r e k e y w o r i b s ：f l u eg a s ，l i t h i u mb r o m i d e w a t e rg e n e r a t o rd r i v e nb yw a s t e h e a t ， l i t h i u mb r o m i d e ，r e f r i g e r a t o r , d e s i g n ，s i m u l a t i o n 声明 飞6 8 3 3 45 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果。尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含为获得任何教育机构的学位或学历 而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已 在论文中作了明确的说明。 研究生签名： j 咿牛年r 月，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位沦文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 1，一 研究生签名罐匀量御￥年f 月，5 日 工程硕士学位论文 烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 1 绪论 1 1 吸收式制冷机技术的发展 吸收式制冷是一种重要的制冷方式，它的_ _ ；l = 要能源消耗是热量，不同于压缩 式制冷消耗电能。在一些有余热资源的地区吸收式制冷得到青睐。 1 7 7 5 年，爱丁馕的化学教授w i l i a mc u l l e n 利用乙醚在真空下蒸发使水结冰， 接着他的学生布拉克b l a c k 从本质上解释了融化和汽化现象，并发明了冰量容器， 标志着现代制冷技术的开始。两年后他的另一个学生n a i m ee d w a r dg e r a l e 用浓 硫酸把蒸发出来的乙醚重新吸收并循环使用，这是人类历史上最早发现的吸收制 冷过程，比美国工程师p e r k i n s 发明用乙醚作压缩式制冷要早5 7 年。据此原理， 爱丁堡的物理学教授s c o t s m a n j o h nl e s l i e 和法国的e d m o n dc a r r e 先后于1 8 1 0 年 和1 8 5 0 年建成了可用于制冰的制冷装置。在此之后，德国的f r a n zw i n d h a u s e n 于1 8 7 8 年建成，一台用加热硫酸的方法来维持硫酸浓度进而可以使之连续t 作 的吸收式制冷机。这些便是人类历史上最初出现的吸收式制冷的雏形。但是由于 乙醚的可燃性和硫酸的强腐蚀性，当时的吸收式制冷机的寿命较短，实用性不大。 直到1 8 5 9 年，法国人c a r v e 在美国获得了以氨一水为工质对的吸收式制冷技术 的专利，标志着吸收式制冷t 质在发展历史 _ _ = 盼第一次重大突破。随后第一台实 用的氨一水吸收式制冷机组在法国建成，由于c a r r e 制冷机组运行稳定可靠，它 随即在当时的英国、法国以及德国的工业部门得到了广泛的应用，从此，氨水吸 收式制冷正式成为吸收制冷的主力军。到1 9 4 5 年，美国c a r r i e r 公司生产出了世 界上第一台大型空调_ i ； 溴化锂吸收式冷水机组，这标志着吸收式制冷工质对发展 的又一次历史性巨大进步，随后双效溴化锂吸收式制冷机也于1 9 61 年在美国研 制成功。 近年来，随着世界经济的飞速发展，人类已面临着日益严重的全球气候变暖 和能源枯竭的威胁。为此，对太阳能、地热和工业废热等低品位能源的利用已越 来越成为人们关注的焦点。而吸收式制冷由于具有可直接利用低品位热源驱动、 不使用对臭氧层有破坏作用的c f c s 为工质等独特的优点，越来越受到人们的青 睐。 统计资料表明：1 9 9 8 年全球吸收式冷水机组的总产量为8 6 0 0 台左右，中国 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 上海机械学院、上海交通大学、华南理工大学、重庆大学、广州能源研究所等十 余所科研院校取得了许多研究成果。如上海交通大学的无泵溴化锂吸收式制冷机 机理研究；热水加热的降膜式发生器的实验研究；上海机械学院的溴化锂制冷机 的优化设计及重庆大学溴化锂多元溶液的沸腾换热试验。而华南理工大学、j 、州 能源研究所在高效传热管的应用、喷淋式发生器的试验研究方面独树一1 9 只。 近儿年来国内直燃稚吸收式冷热水机组发展甚快，自1 9 9 2 年f = ；】卜海7 0 4 所、 丌封通用机械厂、开封锅炉厂在吸收国外技术的基础上研制，3 4 9 k w 燃气取效 溴化锂冷热水机组并进行鉴定以来，1 9 9 3 年长沙远大空调实业公司进行了3 4 9 k w 燃油型吸收式冷热水机组的鉴定。1 9 9 4 年上海华源前进制冷空调公司试制成 功r 制冷量3 4 9 k w 燃气型吸收式冷热水机组并通过鉴定。同年江阴双良集团公 司试制成功了3 4 9 、5 8 1 、1 1 6 3 k w 燃油吸收式冷热水枧组并通过鉴定1 3 。1 9 9 2 年由h 本三洋电机株式会社，日商岩井株式会社，大连冷冻机厂i 家合资兴建大 连三洋制冷有限公司，生产目前世界卜技术最为领先的溴冷机。 1 - 2废热溴化锂制冷技术发展的现状和应用前景 溴化锂吸收式制冷机主要热源有蒸汽、热水、燃气燃油、废热热源以及太阳 能源。传统的溴化锂制冷机主要以煤、油或煤气燃烧产生的高温高质量热量转化 为低温低质量的热量再来驱动溴化锂制冷机，在这过程中必然要产生可用能的损 失，从能源利用角度来看很小合理。但是如果溴化锂吸收式制冷机的加热源是余 热、废热或化学反应热，则从整体来看，大大提高了能源的利用率，所以溴化锂 制冷机所用的热量最好使用低温废热。文献1 4 1 比较了几种形式的制冷设备，结果 如表1 i 所示。从比较的结果也可看出，尽管废热驱动的溴化锂制冷机初始投资 较大，但由于运行费用低，所以很快能收回投资。 我国i , , j k 余热资源的回收率仅3 3 5 ，即2 3 的余热资源尚未被利用”。工 业余热资源分布在各工业行业，更为集巾的是在钢铁、有色金鹱、化工、建材、 石化、轻纺与机械等七个工业部门的食业中。近年来，由于生产工艺过程的要求 科学技术的发展，对产品质量要求的提高以及日益迫切的改善劳动条件的要求， 同时，由于溴化锂吸收式制冷机组性能的改善和可靠性与寿命的显著提高，某些 3 工程硕士学位论文 烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 工业企业已开始用溴化锂吸收式制冷为车间的空调通风或工艺过程提供冷量，收 到了良好的经济效益与社会效益。文献”1 论述了利用溴化锂回收工业余热的5 种 原则性方案，基本是利用工业废热产生蒸汽或热水，然后作为蒸汽或热水制冷机 组发生器的驱动热源。这样就增加了诸如废热锅炉等中间换热殴备。 现阶段我国应用溴化锂制冷机的情况如表1 2 所示，由表中可看出利用废气 的溴化锂吸收式制冷机还未肯定型产品，这主要是考虑到废气的强腐蚀性，= i l i 宜 直接作发生器的热源，如果增加一套废热换热设备不仅阻力降比较大，而且增加 设备投资，经济性也不优越。 1 3研究的目的和意义 表11 制冷设备的比较 t a b l e1 1c o m p a r eo f d i f f e r e n tr e f r i g e r a t o r 氨压缩式蒸喷( 大气式) 溴化锂吸收废热溴化锲吸 制冷机形式式( 单效蒸汽收式( 单效废 离心式活塞式高压低压 驱动)气直接驱动) 冷媒水出口温 1 0j 01 51 577 度 蒸汽蒸汽 动力源电电 ( 0 7 ( 0 2 蒸汽 烟气废热 ( 0 t d p a ) 0 9 m p a0 3 m p a ) 冷却水进出u b2 56 2 56 2 599 温差 冷却水量 2 4 04 7 54 5 05 5 03 0 03 0 0 女b1 电( k w ) 3 2 53 2 59 o9 77 87 8 月e 蒸汽 耗3 03 83 0 ( t h ) i 运行费用( 元 1 0 9n 21 2 31 2 71 33 【h ) 占地面积( m 2 ) 1 7 63 0 02 2 92 2 91 3 61 3 6 噪音较大较大大火小小 污染有有无无无无 操作维修要求高要求高方便方便方便方便 4 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 排放热水 排放热水 排放热水 废气 废蒸汽 废蒸汽 7 5 8 5 8 5 9 0 1 0 0 1 5 0 3 0 0 5 5 0 0 1 0 2 5 m pa o 2 5 0 8 m pa 两极吸收式 单效吸收式温差为5 8 ，有系列产品 单效或双效吸收型出口温度为7 5 以上 单效或双效吸收型 单效吸收型国内已有定型的系列产品 双效吸收型困内已有定型的系列产品 为了提高经济效益和解决废气的强腐蚀性，可以在废热发生设备中引入高效 的澳化锂废热发生器取代传统的高压发生器，引入溴化锂废热发生器比其它换热 设备具有传热效率高、汇源分离、防止主体设备腐蚀和投资低等特点。 废热溴化锂制冷机的设计计算包括热力计算、传热计算和结构计算等一系列 过程，必须借助于图表进行繁重冗长的计算，目前还没有适用于这种机型的设计 软件，人工计算费时费力，而且误差比较大，也不易进行多方案的比较选择，当 然就更谈不_ | _ 二进行变工况下的性能模拟和优化。同时还考虑到该系统在实际运行 时，常由于热源工作参数的波动、季节气候的变化以及用户负荷的改变等，使机 组偏离设计工况，性能发生一系列变化，因此有必要了解烟气驱动的废热溴化锂 制冷机在变工况下的工作特性，这就需要开发该型机组的系统设计和变工况性能 模拟软件。 1 4课题研究内容 1 ) 在柴油机废烟气驱动的废热溴化锂制冷机实验台上测试溴化锂废热发生 器的传热性能和阻力降，了解溴化锂废热发生器的运行性能；测试废烟气的流量 和进口温度变化时烟气出口温度的变化，_ r 解溴化锂废热发生器的在制冷工况时 的传热能力；测试废烟气的流量和进口温度变化时对样机制冷量、制冷系数等运 行特性的影响。 2 ) 整理试验结果和计算结果，进行分析比较，得出结论。 3 ) 利用系统设计分析机组的变工况性能，包括烟气流量及进口温度、冷却 水进口温度，冷媒水出口温度、发生器稀溶液循环量和溴化锂废热发生器热侧的 管排数对系统运行特性的影响。 5 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 2 溴化锂制冷机基本原理溴化锂废热发生器 在进行废热溴化锂制冷机的系统设计和变t 况性能模拟前，本章茸先简要介 绍一下滨化锂制冷的摹本原理和澳化锂废热发生器。 2 1 吸收式工质对及其热物性数学模型 2 1 1吸收式工质对 能用于吸收式制冷的工质对有很多，若按制冷荆分，大致可以分为水系、氨 系、乙醇系和氟利昂系四大类，m a r c r i s s 的一项调奁表明 6 1 ，大约有4 0 种制冷 剂混合物和2 0 0 多种吸收剂混合物可用，但目前应用最成熟的工质对还是氨一 水、水一溴化锂，其它的_ 丁质对大都未工、i k 化。 氨一水是吸收式制冷桃中最早使用的传统性工质对，直至今日仍被广泛使 用，常温卜- ，氨足一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体，极易溶于水，对人体 有较大毒性，还可以燃烧和爆炸，有水时，氨对铜及其合金( 磷青铜除外) 有腐 蚀性。氨作为一种制冷剂具有较好的热力性质，蒸发潜热大、压力适中、导热系 数高，能够制取低于o 的冷量。但氨与水的沸点相差较小，在发生器内蒸发的 冷剂蒸汽中总含有作为吸收剂的水蒸汽，为r 予以分离，必须设罱精馏器，从而 装置变得复杂昂贵。 在高于oo c 时，采用水一溴化锂作为吸收式制冷工质对比氨一水系统有着非 常明显的优越性：首先，它用热能驱动，节省电能；其次，做为制冷剂的水具有 较大的蒸发潜热目没有毒性；第三，水一溴化锂具有较高的化学稳定性；另外， 由于水溴化锂在真空条件下工作，凶此没有发生爆炸的危险。溴化锂制冷工质对 的采用为吸收式制冷的发展提供了广阔的发展前景。水一溴化锂吸收式工质对尽 管有其优良特性，但也存在许多问题。首先，受溴化锂结晶线的限制，必须控制 澳化锂溶液的温度和浓度，防止结晶：其次，溴化锂溶液表面张力小，是一种强 电解质，在高温下，对金属有较强的腐蚀性，氧气存在的情况下，腐蚀更为严重， 尽管有较高的热源温度，也难以实现超过两效以上的蒸发，这就限制了溴化锂制 冷循环c o p 的进一步提高；而且由于溴化锂表面张力较大，在降膜吸收过程中 液膜较厚，传热、传质系数小，使吸收器面积增大，难于实现小型化。针对水 6 工程硕士学位论丈烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 溴化锂工质对的这些缺陷，有关空冷化、表面活性剂、缓蚀剂的研究方兴未艾 也是溴化锂制冷机组研究的重要方向。 为了吸取上述两种吸收式制冷工质对的长处，克服其缺点，现在许多国家对 新型吸收式制冷工质也进行了深入而细致的研究，某些新型制冷工质已接近达到 实用化的程度，目前圈际上主要研究与开发的新型吸收式制冷工质如表21 所示 其主要物性参数如表2 2 所示 7 1 。 表2l 新型吸收式制冷t 质对 t a b l e21t h en e wt y p eo f a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nw o r k i n gm e d i u m 制冷剂吸收剂 甲胺( c h s n h 2 ) l i s c n ；l i s c n + n a s c n ；h z o ；c 2 1 6 0 2 ；h 2 0 + l i b r 氟己醇( t f e ) ( c f 3 c h 2 0 h ) 六氟异丙醇( h f l p ) c h 3 ( o c 2 1 4 ) 3 0 c h 3 ( e 1 8 1 ) ；c s h 9 n o ( n m p ) ；i q e ；q u l ；d m p u 等 r 2 2 ：r 1 3 2 ad t g ( 商品名：e 1 8 1 ) ：d t r g ；d d g ；p y r ；d m f 等 袁2 , 2 新型吸收式制冷工质物性参数 t a b l e22p h y s i c a lp r o p e r t yo f t h en e wt y p eo f a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nw o r k i n gm e d i u m 凝固点沸点 名称化学式分子量 ( )( ) 潜热 ( k j k g ) 比热( 2 5 ) 粘度( p a s ) ( k j k g k ) 水h 2 0 氨n h 3 甲胺c h 3 n h 2 甲醇c h 3 0 h 1 8 0 2 1 7 0 3 001 0 00 7 77- 3 34 2 2 5 7 1 3 6 8 3 10 69 35 63 3 8 7 2 ( 1 5 7 ) 3 2 0 4，9 77 6 46 51 1 9 0 ( o ) 41 7 4 21 5 6 32 25 2 8 9 1 1 02 2 4 0 ( 0 ) 5 5 5 t f e c f 3 c h 2 0 h 1 0 0 0 4，4 5 7 53 5 617 2 ( 2 0 。c ) 15 6 0 ( 3 0 。c ) 7 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 2 1 2 吸收式工质对热物性数学模型及其发展 在吸收式制冷的工程汁算、优化设计和过程模拟过程中，必须取得t 质的热 物性，如果用传统的人_ l ：_ = 查图表的方法，显然过程比较复杂，计算工作量大，计 算周期长，精度不高，因此最好建立工质热物理性质的数学模型，并将它编制成 子程序，供程序计算时调用。对于废热溴化锂制冷机而言，需要建立水、水蒸汽、 溴化锂水溶液、废热媒介物等的热物性数学模型。 1 9 6 7 年国际公式化委员会通过了i f c 6 7 水和水蒸汽热力性质计算公式”1 后，该公式迅速得到认可和广泛使用，并先后被科研和工程技术人员编制成计算 机程序，如王昱等的q u i c k b a s i c 程序”l 、王培红等的t u r b op a s c a l 程序u 0 1 以及 杨字等的基于f o r t r a n 语言的水和水蒸汽热力性质参数运算的动态连接库”“，但 f c 一6 7 公式繁复，在各个计算子区域间各公式的致性不好，所以国际水和水 蒸汽性质学会( i a p w s ) 于1 9 9 7 年通过了新的工业用公式，即i a p w s i f 9 7 ， 苏明旭i t 2 】、王培红等 i 3 1 t ! t 先后把这些公式程序化，极大方便r 水和水蒸汽热物 性的讨算。 1 9 7 9 年，m c n e e l y 1 4 给出j - 常用范围内的溴化锂水溶液热力学参数的实验 数据，我国复旦大学也曾进行过国产溴化锂溶液的热物性测试5 】，张绪源等叫1 根 据m c n e e l y 的方程式形式和国产溴化锂的热物性的数据开发了程序包，徐国平 等叩1 综合r 这些资料，概括了溴化锂水溶液的热物性，井对不同的研究者进行 了比较，近来王磊等又通过分析认为由于国内外物性值的若别是由于对物性的基 准点认定不同造成的，从而提出了国内外焓值的转换公式”，并编制了可视化 程序n w ，方便地利用了斛外溴化锂浴 液物性的测试数据，扩展了国内溴化 锂溶液的计算范围。 2 2 溴化锂吸收式制冷机 2 2 1 吸收式制冷机工作原理 图2 1 吸收制冷原理 f 培21 a b 8 唧j “”矗培。埘1 “p 。絮1 p 1 。 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 吸收式制冷系统工质对包括吸收剂和制冷剂，图2 1 中，两个容器彼此相连， 一个容器装吸收剂，另一个容器装制冷剂。装吸收剂的那个容器称为吸收器，装 制冷剂的容器称为蒸发器。吸收器中的吸收剂吸收蒸发器中的制冷剂，蒸发器中 的制冷剂蒸发，压力降低，制冷剂因蒸发吸热而冷却。这样就导致了蒸发器中的 制冷效果，同时吸收器巾的溶液稀释，这个过程被称为吸收过程，通常吸收过程 是一个放热过程，溶液温度上升，溶液温度越低或浓度越高，吸收能力就越大， 因而为了保持吸收能力，避兔溶液温度上升，吸收器中装有冷却盘管，喷淋存管 子上的溶液，f j 管内的冷却水冷却，保持在一定温度左右。 溶液吸收水分后，浓度逐渐下降，吸收能力减弱。为了避免吸收能力减弱瓜 保持一定的浓度，麻设置发生器。溶液泵将稀溶液送入发生器中，利用蒸汽、热 水、燃气燃油、废热等热源，将稀溶液加热到9 0 。c 左右，即可将吸收器中所吸 收的制冷剂蒸发出来，然后浓溶液就可再回到吸收器中，继续起吸收作用。 为了冷凝从发生器溶液中产生的水蒸气，设有冷凝器。制冷剂蒸汽被冷凝器 巾冷却盘管的冷却水所冷凝，制冷剂再回到蒸发器巾。此外，为1 r 提高热效率， 在发生器和吸收器之间的溶液回路上，设置溶液热交换器。即把来自发生器的高 温浓溶液的热量，传给由吸收器送往发生器的低温稀溶液，从而可减少发生器中 的蒸汽加热量和吸收器的冷却水水量。 2 2 2溴化锂吸收式制冷机的工作循环1 2 0 1 图21 所示足单效溴化锂吸收式制冷机的制冷循环，日前大多用于具有太阳 能、废热水和温度不高的废气等低品质热源的情况，实验研究表明这种循环的 c o p 可达到0 7 左右。但对于较高品位的热源，一般采用双效溴化锂吸收式制冷 机，这样可以把系统的c o p 提高到1 2 左右，双效机组是在单效机组的基础上 增加了一个高压发生器和一个溶液热交换器，燕源供给高压发生器，高压发生器 的冷剂蒸汽进入低压发生器加热其中的澳化锂溶液，与单效机相比，双效机组的 加热量可减少l 3 ，冷凝器的冷却负衙可减少1 ，2 ，因此用双效机组的效率更高， 相对于单效机组，它的循环流程要复杂的多，根据稀溶液进入高、低压发生器的 方式，目前常见的有串联流稃和并联流程。稀溶液出吸收器后，先后进入高、低 压发生器的被称为串联流程，如图2 2 所示：稀溶液出吸收器后分成两路，分别 进入高、低压发生器的被称为并联流程，如图2 3 所示。此外在串联流程中，根 9 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 量作为发生热的一部分，从而减少了发生热，使效率得以提高。研究结果表明， g a x 循环与普通吸收制冷循环比较，在发生温度较低( 如1 3 0 ) 时，c o p 可 提高1 0 左右，在发生温度较高( 如1 7 0 ) 时，c o p 可提高3 3 以上。g a x 循环既具有较高的效率，工作压力又不太高，所以近年来受到了国外研究者的极 大关注，对其进行了大量的研究，并且提出，许多改进的循环。如带分支回路 g a x 、v x g a x 循环等，前者c o p 可比简单g a x 循环还要提高3 0 ，而后者 要提高5 0 以上 2 2 j 。 1 高压发生器2 低压发生器3 冷凝器4 冷却塔 5 冷却盘管6 冷水泵7 冷却水泵8 蒸发器9 冷 剂泵l o 溶液泵1 1 吸收器1 2 低温溶液热交换器 1 3 高温溶液热交换器 图2 4 双效串并联流程溴化锂吸收式制冷机 f i g2 4s e r i e sp a r a l l e ld o 曲l e e f f e c tw a t e r l i b r a b s o r p t i o nc y c l e 图2 5 g a x 循环 f i 9 25 g a xc y c l e 2 2 3 溴化锂制冷机的变工况性能及其影响因素 溴化锂吸收式机组的性能，通常是指机组在不同工况条件下运行时产生的制 冷量及相应的热力系数等主要经济指标。不同运行工况条件包括 2 3 1 ： i ) 外界条件：通常是指冷媒水出口温度、热源温度、冷却水进l j 温度、冷 却水与冷嫫水流量以及传热管的结垢情况等； 2 ) 内部条件：通常指溴化锂溶液循环量的变化、不凝性气体的存在、冷剂 水的污染以及表面活性剂的添加等。 我们必须了解制冷机组的这种运转性能和研究它们的变化规律，从而确定和 选择制冷机组的调节、控制方案，使制冷机在最合理的情况下工作。 胡_ i 犀一 面 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 当冷媒水出口温度降低时，蒸发乐力下降，吸收能力减弱，溶液吸收水分减 少，稀溶液浓度上升，制冷量下降；当冷却水进口温度下降，冷凝压力卜- 降，溶 液r p 水蒸汽便大量蒸发，冷剂水量增加，同时，吸收器中也因冷却水温度的f 降 稀溶液温度下降，促使吸收效果增强，吸收大量的水蒸汽，稀溶液浓度下降，制 冷最有所增加：对于蒸汽型机组来说，当工作蒸汽压力提高时，浓溶液温度卜升， 蒸发出更多的水蒸汽，浓溶液浓度上升，由于蒸发的水蒸汽增多，冷凝器中冷凝 的冷剂水量增加，制冷量也增加，对热水型机组来讲，随着热水温度的增加制冷 最增力。 还存在一些不利因素影响制冷机的性能。系统中如果存在彳i 凝性气体，不仅 造成吸收过程传质、传热减弱，并且不凝性气体停滞于传热管表面形成热阻，影 响传热，使溶液温度升高，吸收效率f 、_ 降，制冷量下降；溴化锂制冷机运转一段 时期之后，传热管内壁卜逐渐生成一层水垢，增加了传热热阻，传热恶化，制冷 量也随之下降；另外溴化锂制冷机冷荆水中溴化锂的含量也会对机组的性能产生 很大的影响，因为冷剂水中含有溴化锂成分，使蒸汽压下降，即蒸发温度所对应 蒸发压力变小，吸收能力减弱，制冷量下降。 2 2 4溴化锂制冷机的设计计算及动态仿真模型的发展 溴化锂制冷机热力参数多，手工设计t 作最异常复杂繁重，灵活性差，精度 不高，针对这种情况，国内外已经研制了多套用于溴化锂制冷机设计的软件。周 健等 2 4 1 开发了w l b a r 系统模块优化设计软件，建立_ 一套完整的溴化锂吸收 式制冷机的设计模型，张卫华等但”编制了热管废热单效溴化锂制冷机的计算机 辅助设计计算程序，但以上两种模型仅仅针对的是单效机组：袁秀玲等瞄1 曾经 开发了双效机辅助设计程序，其热物性是采 jm c n e e l y 的国外溴化锂溶液拟合公 式。文献1 2 7 1 论述了溴化锂吸收式制冷机的设计准则，其特色是考虑_ r 在垂直恒 温平扳上流动的溴化锂水溶液对水蒸汽非等温吸收模型。文献忙”建立了蒸汽澳 化锂两效吸收式制冷机的数学模型，运用溴化锂水溶液的物性软件，编制程序， 进行r 优化设计。 溴化锂吸收式制冷系统部件较多，工作过程是一个传热和传质同时存在，相 1 2 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 堑耦合的过程。系统的仿真模型从是否考虑时间维卜可以分为动态模型与静态模 型，从是否考虑空间维f i 可以分为分布参数模型与集中参数模型。目前所建立的 仿真模型大都以部件模型为基础，将部件模型连接后作为系统模型2 。 k h a l i d ”0 l 基于物质和能量守恒建立了单效溴化锂制冷机的稳态仿真模酗，j 一般的只考虑吸收器中的传热的模型不同的是，新模犁既考虑r 吸收器中的传热 也考虑了传质。v l i e t t ”1 建立了双效溴化锂制冷机变工况性能的数学模型，探讨 了不同的设汁和操作参数对制冷机制冷量和热力系数的影响。g r o s s m a n p 2 曾经 建立了低温热源驱动的单级热泵变工况性能的计算机模型，考虑了废热温度、冷 却水温度和稀溶液循环量对机组的影响。 由在o r n l 工作的以色列工科大学g r o s s m a l l 教授开发了吸收式循环模拟的 a b s r m 软t ：，可以用来研究各种循环结构，计算应用各种工质的循环运行参数 和性能系数，并进行分析比较，目前o r n l 正在根据p h i l l i p s 的设计数据开发 g a x 循环的吸收器模型，最终目标是在各个部件模型的基础上得到整个g a x 系 统的模型1 。 国内姚寿广口4 1 也建立了单、双效溴化锂吸收式制冷机运行的数学模型，开 发_ ：r 设计和变工况性能的模拟优化程序。陆震等”5 1 曾开发一种利用酒精生产， 1 余热制取工艺流程中所需低温冷水溴化锂制冷系统，并对该系统运用流程模拟的 方法进行丁计算机模拟。郭开华等例对五种类型的双温升吸收式热交换器进行 了计算机模拟研究，分析比较了五种变换器的循环特点，制热性能及经济性，研 究了外部热源条件及换热器传热性能对热变换器的制热性能的影响，并指出r 各 变换器的制热工作范丽。 2 3 溴化锂废热发生器 2 3 ，l溴化锂废热发生器 热管是一种离效传热元件，它利用相变传热，内热阻极小，具有很好的传热 性能。由各独立热管元件组成灼热管换热器与其它形式的换热器比较具有传热性 能好，汇源分隔，温度展平，热流变换，热控制，单向导热等特点。 1 3 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 从七十年代以来，世界各国相继发展热管换热器这项技术，并已实现了系列 化生产。如美国q _ d o t 公司开发的热管换热器和门本古河电器公司设计的热管换 热器都已用于工业。我国自七十年代后期开始研究热管换热器以来，相继开发成 功r 气一气热管换热器、热管蒸汽发生器、热管热风炉等高效热管换热设备，使 热管换热器的应用范围从早期的余热回收拓展到电子仪器和设备的散热、自然能 源的利用和化学反应中的应用等方面。 0 0 年代以来，大连三洋制冷有限公司把热管技术应用到溴化锂制冷领域， 开发r 如图2 6 所示的热管溴化锂废热发生器取代传统的高压发生器，在溴化锂 制冷系统中引入热管换热器比其它换热设备具有独特的优点f 4 】： 1 ) 热管换热器传热效率高，可以在烟气侧加大换热面积提高传热量； 2 ) 设备运行时单根热管元件损坏，整个设备可照常运行而不受影响； 3 ) 分离式热管的使用可使制冷机远离热源，便于操作； 4 ) 溴化锂制冷机废热发生器与分离式热管结合，直接吸收废热，省去了中 间换热设备的费用； 5 1 制冷机不4 j 废气直接接触，有效防止了烟气对主体设备的腐蚀，仅需要 定期检修热管元件。 冷剂蒸汽 烟气进门 化锂溶液进1 1 图2 6 溴化锂废热发生器 f l g26 h e a t p i p e f o r w a s t e h e a t g e n e r a t o r 2 3 2溴化锂废热发生器的设计和模拟数学模型 溴化锂废热发生器的设计计算主要内容包括两大部分：换热器的热力计算和 1 4 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 热管的传热计算和极限校核，设计计算的主要任务在于求取总换热系数，然后根 据平均温差及热负荷求得总传热面积，从而定出管子根数，由此可见，溴化锂废 热发生器的设计计算和常规换热器有相似之处，但设计巾应考虑选三择适当的标 准迎面风速和适合的翅片管参数，并应重视原始设计参数的核实及计算公式的验 证。溴化锂废热发生器的设计方法正在不断完善改进，就目前而言，有= 类计算 模型：一是把整个溴化锂废热发牛器看成为一块热阻很小的间壁的等效间壁式计 算模型，这种模型的计算方法基本上和常规问壁式换热器的计算方法相同：j ：是 认为溴化锂废热发生器换热的热流呈阶梯式变化的离散型计算模型，可以通过离 散的方法建盘传热模型；三是定壁温计算模型，它主要是针对溴化锂废热发生器 在运行中易产生露点腐蚀和积灰而提出的，主要目的是要把各排换热管的壁温都 控制在烟气的露点以匕，从而可以免除露点腐蚀以及因结露而形成的灰堵。 换热器模拟的数学模型很多文献都有论述，其中杨景昌”7 1 对溴化锂制冷机 的吸收器中利用水重力热管进行了探讨，针对在换热管外壁面上溴化锂溶液降膜 吸收水蒸汽并移出吸收热的传热传质过程进行了数值模拟，发现利用热管作为吸 收器的传热传质元件，传热温差小，但在较大的浓度差和较大雷诺数下，所需热 管加热段长度太长。 1 5 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 3 系统设计与计算机模拟 废热溴化锂制冷机加热源是余热、废热或化学反应热，从总体来看，人人提 高了能源的利用率。溴化锂废热发生器是一种高效的换热设备，可以将废热回收 与溴化锂吸收式制冷机结合起来，具有换热效率高、操作维修方便、结构简单等 优点。所以溴化锂废热发生器的使用，必将大大促进利用废热废气驱动的溴化锂 吸收式制冷机的发展。 3 1 机组的工作原理 本系统流程如 图3 1 所示( 以双效 机组为例) ，采用废热 溴化锂发生器回收烟 气余热来驱动溴化锂 制冷机，夏天制冷， 冬天还可断开冷凝器 冷却水的供给，发生 器产生的蒸汽直接经 u 型管通到蒸发器， 此时蒸发器做冷凝器 使用，而产生热水供 用户使用。这样，产 生的废气余热制热制 冷，实现热、冷联供 ( 8 )( 7 ) ( 1 ) 热源( 2 ) 废热溴化锂发生器( 3 ) 高压发生器( 4 ) 低压发生器( j ) 冷 凝器( 6 ) 节流装置( 7 ) 蒸发器( 8 ) 吸收器( 9 ) 高温溶液热交换器a 0 ) 低 温溶液热交换器 图31 烟气驱动的废热溴化锂制冷机系统图 f l g3 11 1 1 es y s t e mo f h e a tp i p ef o rl i b rr e 台1 9 e m t o r & i v e nb yf l u eg a s 既减少了热污染，又提高了经济效益。 3 2 系统设计及模拟流程 烟气驱动的废热溴化锂制冷机组由溴化锂废热发生器和溴化锂制冷机两部 分组成，废热热量由澳化锂废热发生器导入溴化锂制冷机的高压发生器，凶此 工程硕士学位论文烟气驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 废热发生器的换热嚣等于溴化锂制冷机发生器中溴化锂溶液的加热量，这一耦 合关系使得溴化锂废热发生器的设计模拟和溴化锂制冷机的设计模拟紧密结合 在一起。其机组的系统设计和模拟主要包括以下二三部分：工质热物性的模拟、 溴化锂废热发生器的设计和模拟、单双效溴化锂制冷机的系统设计和模拟。本 文采用如图3 2 流程设计和模拟。 3 3 工质热物理性质的数学 模型 应用电子计算机对机组进行系统设 计和计算机模拟，必然面临一个工质状 态变化时热物性如何取得的问题，显然， 这时不太可能再用以往人工查图表的方 法，而是需要建立工质热物理性质的数 学模型，并将它编制成子程序，供系统 设计和模拟主程序调用。 3 3 1烟气 图3 2 机组设计模拟流程图 f i g 32f l o wc h a i to fs i m u l a t i o n d e s i g n 烟气是燃料与空气燃烧的产物，是多种气体的混合物，在通常应用范围内， 烟气可以按理想气体考虑，遵循理想气体状态方程式。烟气的热力性质还取决于 组成气体的性质和成分，而组成气体的种类和成分则j 燃料种类和过量空气系数 有关，这就使得烟气热物性的计算更加复杂化。许圣华3 8 1 把烟气看作氮气、二 氧化碳、氧气、水蒸汽的混合物，根据理想气体混合物物性参数的推导方法，得 出了烟气物性参数的计算公式： c p = g ：+ g ，( ：肋。+ g o 。c m ：+ g n 2 0 ：o ( 3 1 ) 其中： q ，= 1 0 2 5 8 + l8 6 9 1 0 。4 t ( ：= 0 8 3 7 3 + 9 0 9 1 0 。4 f 一6 1 3 6 4 1 0 。f 2 + 15 9 0 9 1 0 1 0 ，3 c p 。，= 0 9 0 5 4 - t - 3 3 2 5 1 0 4 f 一1 1 l 1 0 7r 2 1 7 三堡堡主堂堡堡查塑兰驱动的废热溴化锂制冷机模拟设计计算的研究 = 二二一：! ：! ! c m ：0 = 1 8 2 4 3 + 6 4 7 8 x 1 0 。4 r 式( 3 1 ) 的适用范围为0 ，1 0 0 0 。c 。 p m p 2 瓦了 ( 3 2 ) 其中： m 2 2 8 t 0 6 2 r _ , ：+ 4 4o l r f , o ：+ 3 2 乜+ 1 8 0 1 6 r h ，。 1 0 3 8 5 9 札 1 1 3 9 4 9 ( v 。 f l = 1 3 8 8 x ( 了i 詈+ 弓西 j ：尘：如：0 + 3 9 1 ) ，r o ：2 0 2 p + 4 1 n ； 一十_ ：+ 彳l ，+ 层爿2 r + 嘎 其中： + 而1 2 6 2 2 9 兰0 3 8 + 罢t 鲁1 1 9 ) 1 旷5 ( 3