（化工过程机械专业论文）烟气驱动的热管废热溴化锂制冷机的计算机模拟.pdf

南京工业大学硕士学住论文 摘要 烟气驱动的热管废热溴化锂制冷机利用高效的热管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，目前烟气驱动的热管废热溴化锂制冷 机己生产出样机，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，开发了烟气驱动的热管废热溴化锂制冷机 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、热 管溴化锂废热发生器设计模块、单双效热管废热溴化锂制冷机系统设计模块、 单双效热管废热溴化锂制冷机变工况性能模拟模块、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热管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 动的热管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热管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热管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：烟气热管溴化锂废热发生器溴化锂制冷机设计模拟 a b s t r a c t 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 rw i t hh e a tp i p ed r i v e nb yw a s t eh e a to ff l u e g a s t r a n s f e r sw a s t eh e a tf r o mf l u e g a s t o h i g hp r e s s u r e l i t h i u mb r o m i d e - w a t e r g e n e r a t o rb yh i g h e f f c i e mh e a tp i p e a tp r e s e n t , p r o t o t y p eh a sb e e ni nu s e t h em a t u r es o f t w a r eh a sn o te x i 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 n m a n u a l c o m p u t a t i o nc o n s u m e sm u c ht i m e m o r e o v e r 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 g d u t ya r en o tk n o w n 1 k c o s to f e x p e r i m e n t i st o oh i 曲t l om a i nw o r ko f t h i sp a p e r i sc o m p i l i n gt h e c o m p u t e r a i d e dd e s i g na n ds i m u l a t i o ns o f t w a r eo f t h i s “n do f m o d e l t h es o f t w a r eh a ss i xm o d u l e s ：t h e r m op 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 n o fh e a tp i p el 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 噜h e a t , s y ；t e md e s i g no f s i n g l e o 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 sw i t i lh e a tp i p e 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 rw i t hh e a tp i p ei n v 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 f e 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 e s o f t w a r em 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 e d e s i g no fm u l t i p a r a m e t e ra n ds e l e c td e f e r c 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 j 陀n t n e e d s a l s o , i tl a y s8f o u n d a t i o nf o rd y n a m i c s i m u l a t i o n o f s y s t e m b yt h i sw o r k ，t h e w h o l es y s t e m d e s i g n a n ds i m u l a t i o ns o f t w a r eh 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 n b e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l ta n d e x p r i m e n t d 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 t t w s 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 r e d i c t i o nm o r ec o n v e n i e n ta n da c c e l e r a t e sp o p u l a r i z eo ft h i sk i n do f m o d e l k e y w o r d s ：f l u eg a s 。h e a tp i p el 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 y w 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 i l 南京工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 吸收式制冷的发展 1 7 7 5 年，爱丁堡的化学教授w i l i a mc u l l c n 利用乙醚在真空下蒸发使水结冰， 接着他的学生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 i t c 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 r i s e n 于 1 8 7 8 年建成了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工作的 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 t e 在美国获得了以氨水为工质对的吸收式制冷技术 的专利，标志着吸收式制冷工质在发展历史上的第一次重大突破。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 d e r 公司生产出了世 界上第一台大型空调用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 6 1 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 约占3 5 ，日本约占3 0 ，韩国约占2 0 。近十年来，我国溴化锂吸收式制冷 机产量大幅度增长，尤其是1 9 9 7 年达到3 5 7 5 台，产值占我国中央空调冷源机组 第一章绪论 总产值的五分之二以上，随后产量则逐年下降，稳定在年产量2 5 0 0 - - 3 0 0 0 台左 右【1 】。八十年代我国溴化锂吸收式制冷机的型式单一，仅热水型和蒸汽型。9 0 年代除热水型和蒸汽型外，直燃型冷热水机组问世，并且销量不断上升，现在已 占总销量的一半以上。接着，热水两段型溴化锂吸收式制冷机组、小型直燃机组、 直燃机与冷却塔联在一起的小型一体型机组、直燃机和热水器联在一起的小型组 合机组也相继问世。 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不合理。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【2 】比较了几种形式的制冷设备， 结果如表卜1 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。 我国工业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1 3 1 。 工业余热资源分布在各工业行业，更为集中的是在钢铁、有色金属、化工、建材、 石化、轻纺与机械等七个工业部门的企业中。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 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 3 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设备。 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有定型产品，这主要是考虑到废气的强腐蚀性，不宜 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 2 南京工业大学硕士学位论文 表l - 1 制冷设备的比较 t a b l e 1 - ic o m p a r eo f d i f f e r e n t r e f r i g e r a t o r 氨压缩式蒸喷c k 气式)废热溴化 溴化锺吸收锂吸收式 制冷机形式离心活塞 高压低压 式( 单效蒸( 单效废 式式汽驱动)气直接驱 动) 冷媒水出口温度 1 0i 01 51 577 蒸汽( o 7 蒸汽( o 2 蒸汽 动力源电电烟气废热 0 鲫p a0 3 9 p a )( 0 7 m p a ) 冷却水进出口温 差 52 56 2 56 2 599 冷却水量 2 4 04 7 54 5 05 5 03 0 03 0 0 能电( k w )3 2 53 2 59 o9 77 87 8 耗蒸汽( t h )3 03 83 o _ 运行费用( 元h ) 1 0 91 1 21 2 31 2 71 33 占地面积( m 2 ) 1 7 63 0 02 2 92 2 91 3 61 3 6 i ；l 音较大较大犬犬小小 污染有有无无无无 要求要求 操作维修方便方便方便方便 高高 表l - 2 我国溴化锂制冷机组发展情况 t a b l e i - 2d e v e l o p m e n to f l i b r r e f r i g e r a t o r 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 的热管溴化锂废热发生器取代传统的高压发生器，引入热管溴化锂废热发生器比 3 第一章绪论 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。 热管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， 当然就更谈不上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热管废热 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 研究内容 1 ) 把烟气、水和水蒸汽热物理性质的大量图表拟合成可供设计模拟软件查 阅的数据文件或供设计模拟软件调用的函数；建立热物性模型计算溴化锂水溶液 在各种浓度和温度条件下的热物性参数；基于以上热物性模型编制热物性计算的 子程序，方便系统设计和变工况性能模拟主程序的调用。 2 ) 开发热管废热溴化锂制冷机系统设计和变工况性能模拟软件，软件共分 为六大模块，包括工质热物性模块、热管溴化锂废热发生器设计模块、单，双效 热管废热溴化锂制冷机系统设计模块、单，双效热管废热溴化锂制冷机变工况性 能模拟模块、各状态点热力学参数模块、热力学分析模块等。力争本软件的设计 能使热管废热溴化锂式制冷机的系统设计更为方便和准确，针对不同工况，可利 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。同时为热管废热溴化锂吸收式制冷系统的动态模拟及运行 仿真奠定基础。 3 ) 在柴油机废烟气驱动的热管废热溴化锂制冷机实验台上测试热管溴化锂 废热发生器的传热性能和阻力降，了解热管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，了解热管溴化锂废热发生 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。 4 ) 整理试验结果和计算结果，进行分析比较，得出结论。 5 ) 利用系统设计与模拟软件分析机组的变工况性能，包括烟气流量及进口 4 南京工业大学硕士学位论文 温度、冷却水进i ：1 温度，冷媒水出口温度、发生器稀溶液循环量和热管溴化锂废 热发生器热侧的管排数对系统运行特性的影响。 5 第二章文献综述 第二章文献综述 在进行热管废热溴化锂制冷机的系统设计和变工况性能模拟前，本章首先简 要介绍一下溴化锂制冷的有关知识和热管溴化锂废热发生器的应用。 2 1吸收式工质对及其热物性数学模型 2 i 1吸收式工质对 能用于吸收式制冷的工质对有很多，若按制冷剂分，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 的一项调查表明 4 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，其它的工质对大都未工业化。 氨一水是吸收式制冷机中最早使用的传统性工质对直至今日仍被广泛使 用，常温下，氨是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0 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，为了予以分离，必须设置精馏器，从而 装置变得复杂昂贵。 在高于o c 时，采用水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，它采用热能驱动，能够节省电能；其次，做为制冷剂的 水具有较大的蒸发潜热而且没有毒性；第三水溴化锂具有较高的化学稳定性； 另外，由于水一溴化锂在真空条件下工作，因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， 必须控制溴化锂溶液的温度和浓度，防止结晶，溴化锂制冷机难于实现空冷化： 其次，溴化锂溶液是一种强电解质，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热力系数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，使吸收面 积增大，难于实现小型化。针对水一溴化锂工质对的这些缺陷，有关空冷化、表 6 南京工业大学硕士学位论文 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，目前国际上主要研究与开发的新型吸收式制冷工质如表2 1 所示， 其主要物性参数如表2 - 2 所示【5 】。 表2 1 新型吸收式制冷工质对 t a b l e 2 - 1t h en e w t 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 g m e d i u m 制冷剂吸收剂 l i c hl i b r + l i s c n ；l i b r + z n b r z ：l i b r + z n c l 2 ：l i b r + c 2 h 6 0 2 ； 水( h 2 0 ) l i b r + c a c h ；l i b r + l i i + c 2 h 6 0 2 ：l i b r + l i i + l i c i + l i n 0 3 ； l i n 0 3 + k n 0 3 + n a n 0 3 氨( n i - b ) l i n 0 3 ：l i s c n ；n a s c n ；h 2 0 + l i b r ；h 2 0 + c a c l 2 ；h 2 0 + l i n 0 3 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 表2 - 2 新型吸收式制冷工质物性参数 t a b l e 2 - 2p h y s i c a lp r o p e r t yo f t h en e w t 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 g m e d i u m 7 第二章文献综述 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计算、优化设计和过程模拟过程中，必须取得工质的热 物性，如果用传统的人工查图表的方法，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。对于热管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【6 】 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【7 】、王培红等的t u r b op a s c a l 程序【8 】 以及杨宇等的基于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 【9 】，但i f c 6 7 公式繁复，在各个计算子区域间各公式的一致性不好，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【1 0 、王培红等【1 1 】也先后把这些公式程序化，极大方 便了水和水蒸汽熟物性的计算。 1 9 7 9 年，m c n e e l y 【1 2 给出了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【1 3 ，张绪源 等【1 4 1 根据m c n c d 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【1 5 】综合了这些资料，概括了溴化锂水溶液的热物性，并对不同 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差别是由 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【1 6 1 ， 并编制了可视化程序【1 7 1 ，方便地利用了国外溴化锂溶液物性的测试数据，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 吸收式制冷系统工质对包括 吸收剂和制冷剂。图2 - i 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 图2 1 吸收制冷原理 f i g 2 - ia b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o np r i n c i p l e 8 南京工业大学硕士学位论文 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，同时吸收器中的溶液稀释，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，避免溶液温度上升，吸收器中装有冷却盘管，喷淋在管子上 的溶液，由管内的冷却水冷却，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而 保持一定的浓度，应设置发生器。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 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 中冷却盘管的冷却水所冷凝，制冷剂再回到蒸发器中。此外，为了提高热效率， 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发展 溴化锂制冷机根据系统可分为单效型、多效型：根据结构型式可分为单简、 双筒和三筒型；根据热源可以分为直燃型、蒸汽型、热水型；根据泵可以分为三 泵、两泵和无泵系统等。 目前国内各厂家生产的溴化锂吸收式制冷机主要有三大类。一类为被广泛采 用的蒸汽双效机组，该机型利用品位较低的0 2 0 6 m p a 的蒸汽作为制冷热源， 具有效率高、运行可靠、易维护保养等特点；另一类为热水型机组，它以9 0 1 3 0 左右的工业余热水为制冷热源，因此该机型的节能性是最显而易见的；再 一类是直燃型机组，该机型带有燃油型燃烧器，它的特点是无需另外配置制冷热 源设备，而且还另具供应生活热水的能力。 在我国，蒸汽型溴化锂制冷机组很早就得到应用，根据工作蒸汽的品位高低， 可以选用双效和单效型1 9 7 8 年上海第一冷冻机厂在试验、分析、消化、吸收 国外样机技术的基础上，试制成功了1 7 4 4 k w 单效溴化锂吸收式冷水机组。1 9 8 2 年，我国第一台正式鉴定的蒸汽双效机组，由上海7 0 4 研究所、合肥通用机械研 9 第二章文献综述 究所联合设计，开封通用机械厂试制成功。 国内热水型溴化锂制冷机组的开发较晚，到1 9 8 9 年，上海第一冷冻机厂生 产出了国内第一台利用9 0 。c i 作热水制取1 0 ( 2 冷水的低温热水型机组。开封通 用机械厂、江阴溴化锂制冷机厂也相继生产出了同类型的机组。1 9 9 3 年彬州空 调设备总厂推出了系列化以9 5 ct 作热水制取7 冷水的热水型溴化锂制冷机 组。1 9 9 2 年上海交通大学、山东潍坊制冷空调设备厂生产出了单双效合一的以 o 6 m p a 蒸汽和1 0 t c 热水并用的余热型溴化锂制冷机组。1 9 8 7 年广州能源研究 所开发了8 0 8 6 c 热水的双级溴化锂冷水机组。在热水型机组的基础研究方面， 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、广州 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帜【1 8 1 。 近几年来国内直燃型吸收式冷热水机组发展甚快，自1 9 9 2 年由上海7 0 4 所、 开封通用机械厂、开封锅炉厂在吸收国外技术的基础上研制了3 4 9 k w 燃气双效 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 燃汕型吸收式冷热水机组的鉴定。1 9 9 4 年上海华源n 口进制冷空调公司试制成 功了制冷量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 燃油吸收式冷热水机组并通过鉴定【1 9 1 。 2 2 3溴化锂吸收式制冷机的工作循环1 2 0 图2 1 所示是单效溴化锂吸收式制冷机的制冷循环目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o 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，热源供给高压发生器，高压发生器 的冷剂蒸汽进入低压发生器加热其中的溴化锂溶液，与单效机相比，双效机组的 加热量可减少1 1 3 ，冷凝器的冷却负荷可减少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程和并联流程。稀溶液出吸收器后，先后进入高、低 l o 南京工业大学硕士学位论文 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 据稀溶液是先进入高压发生器，还是先进入低压发生器，分为串联流程和倒串联 流程；在并联流程中，根据稀溶液是在低温溶液换热器之前还是之后分成两路， 以及凝水换热器的设置位置又可分成更多的循环流程。近年来，还出现了一种串 并联流程，即稀溶液出吸收器后分成两路进入两个发生器，从高压发生器流出浓 溶液先进入低压发生器，与其中的溶液一起流回吸收器，如图2 4 所示。各种流 程均各有特点，一般说，先后进入高、低压发生器的串联流程操作方便，调节稳 定，为国外大部分产品采用：并联流程具有较高的热力系数，为国内的大部分产 品采用；串并联流程介于两者之间，近年来被国内外较多的产品所采用。 ( b ) 串联液程( b ) 倒串联流程 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 荆泵1 0 溶液泵l l 吸收器1 2 低温溶液热交换器1 3 高温溶液热交换罂 图2 2 双效串联流程溴化锂吸收式制冷机 f i g 2 - 2s e r i e s - w o u n d d o u b l e - e f f e c tw a t e r l i b ra b s o r p t i o nc y c l e ( 8 ) 低温溶液热交换器前分漉( b ) 低温溶液热交换器后分流 l 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 狰却水泵8 蒸发器9 冷 剂泵i o 溶液泵1 1 吸收器1 2 低温溶液热变换器1 3 高沮溶液热交换器1 4 凝水换热器 图2 - 3 双效并联流程溴化锂吸收式制冷机 f i g 2 3s h u n t - w o u n d d o u b l e - e f f e c tw a t e r l i b ra b s o r p t i o nc y c l e 第二章文献综述 近年来国际上研究得较多的一个循环称为g a x 循环。这一循环最早是在 1 9 1 1 年由a l t e n k i r e h 和t e n c k h o f f1 2 1 】提出来的，如图2 - 5 所示。从图中我们 可以看出，它的基本组成与传统循环相似，所不同的是，它比一般的单效循环多 了两个换热器g a x 和a h e 。它的主要特点是利用了吸收过程的热量，并将该部 分热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 c ) 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，并且提出了许多改进的循环。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 】。 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1 0 溶液泵1 1 吸收器1 2 低温溶液热交换器 1 3 高温溶液热交换罂 图2 - 4 双效串并联流程溴化锂吸收式制冷机 f i g 2 - 4s e r i e sp a r a l l e ld o u b 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 g 2 - 5g a xc y c l e 2 2 4 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 ： 1 ) 外界条件：通常是指冷媒水出口温度、热源温度、冷却水进口温度、冷 却水与冷媒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 1 2 南京工业大学硕士学位论文 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。 当冷媒水出口温度降低时，蒸发压力下降，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，冷凝压力下降，溶 液中水蒸汽便大量蒸发，冷剂水量增加，同时，吸收器中也因冷却水温度的下降 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 冷量有所增加；对于蒸汽型机组来说，当工作蒸汽压力提高时，浓溶液温度上升， 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 量增加。 还存在一些不利因素影响制冷机的性能。系统中如果存在不凝性气体，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，吸收效率下降，制冷量下降：溴化锂制冷机运转一段 时期之后，传热管内壁上逐渐生成一层水垢，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剂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 5 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，手工设计工作量异常复杂繁重，灵活性差，精度 不商，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1 2 4 开发了w l b a r 系统模块优化设计软件，建立了一套完整的溴化锂吸 收式制冷机的设计模型。张卫华等1 2 5 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 2 6 1 曾经开发了双效机辅助设计程序，其热物性是采用m c n e e l y 的国外溴化锂溶液拟 合公式。文献【2 7 】论述了溴化锂吸收式制冷机的设计准则，其特色是考虑了在 垂直恒温平板上流动的溴化锂水溶液对水蒸汽非等温吸收模型。文献 2 8 1 建立 了蒸汽溴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，进行了优化设计。 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 互耦合的过程。系统的仿真模型从是否考虑时间维上可以分为动态模型与静态模 1 3 第二章文献综述 型，从是否考虑空间维上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1 2 9 。 l ( 1 l a l i d 【3 0 】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型， 与一般的只考虑吸收器中的传热的模型不同的是，新模型既考虑了吸收器中的传 热也考虑了传质。v l i e t 【3 1 】建立了双效溴化锂制冷机变工况性能的数学模型， 探讨了不同的设计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 3 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 n 教授开发了吸收式循环模拟的 a b s i m 软件，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【3 3 】。 国内姚寿广 3 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， 开发了设计和变工况性能的模拟优化程序。陆震等【3 5 】曾开发一种利用酒精生 产中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 拟的方法进行了计算机模拟。郭开华等 3 6 1 对五种类型的双温升吸收式热变换 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 出了各变换器的制热工作范围。 2 3 热管溴化锂废热发生器 2 3 1热管溴化锂废热发生器 热管是一种高效传热元件，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的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。 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日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 功了气气热管换热器、热管蒸汽发生器、热管热风炉等高效热管换热设备，使 1 4 南京工业大学硕士学位论文 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。 9 0 年代以来，南京化工大学把热管技术应用到溴化锂制冷领域，开发了如 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【2 】： 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 间抉热设备的费用； 5 ) 制冷机不与废气直接接触，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 图2 6 热管溴化锂废热发生器 f i g 2 - 6l i t h i u mb r o m i d e - w a t e rg e n e r a t o r w i t hh e a tp i p ed r i v e nb yw a s t eh e a t 2 3 2热管溴化锂废热发生器的设计和模拟数学模型 热管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，热管 溴化锂废热发生器的设计计算和常规换热器有相似之处，但设计中应考虑选择适 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。热管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， 1 5 第二章文献综述 有三类计算模型：一是把整个热管溴化锂废熟发生器看成为块热阻很小的间壁 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间壁式换热器的计算 方法相同；二是认为热管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立传热模型：三是定壁温计算模型，它主要是针 对热管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 要把各排热管的壁温都控制在烟气的露点以上，从而可以免除露点腐蚀以及因结 露而形成的灰堵。 热管换热器模拟的数学模型很多文献都有论述，其中杨景昌【3 7 】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。 2 4 工具软件介绍 2 4 1v i s u a lb a s i c v i s u a lb a s i c 是由m i c r o s o f t 公司开发的在w i n d o w s 9 5 9 8 ，2 0 0 0 平台上的主力 编程语言之一，由于它避开了c + + 编程过于烦琐和抽象的缺点同时又能够实现大 多数w i n d o w s 编程目的，因而一经推出就风靡全球，目前全世界大约有几百万 编程人员在使用v b 编程，是一种十分强大和有生命力的w i n d o w s 编程语言。 在诸多的软件开发工具中，v i s u a lb a s i c 脱颖而出，已成为目前世界上最为 优秀的编程工具之一。v i s u a lb a s i c ( b e g i n n e r sa l l - p u r p o s es y m b o l i ci n s t r u c t i o n c o d e ) 以其继承了b a s i c 的简单、高效、易学易用、代码清晰、可读性好的特点， 并且容入了面向对象，过程可视化事件驱动等软件开发的最新技术，同时有强大 的编译器以及网络与数据库的开发能力【3 8 】，所以v i s u a lb a s i c6 0 作为一种方 便易用的前端开发工具在实际程序开发中被广泛采用。据统计世界上计算机语言 使用人数最多的是v i s u a lb 骶i c 【3 9 】，仅在数据库信息系统开发领域，v i s u a lb a s i c 就占了将近9 0 的份额，这主要是因为其所见即所得，面