毕业设计（论文）-氨气吸收式制冷机组蒸发器的设计.doc

陕西理工学院毕业设计氨气吸收式制冷机组蒸发器的设计（陕西理工学院热能与动力工程专业汽车092班，陕西 汉中 723003）指导教师：绪论能源短缺和环境恶化成为全世界范围内人们最为关注的焦点，世界各国都在积极进行清洁的可再生能源如太阳能、地热能、风能、潮汐能的研究开发。太阳能是公认的未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的替代能源之一，具有取用方便、能量巨大、无污染、安全性好等优点。据有关资料,我国是太阳能资源十分丰富的国家，三分之二的地区年辐射总量大于5020MJ/m2，开发利用太阳能具有很大潜力。吸收式制冷以自然存在的氨为制冷剂，对环境和大气臭氧层无害；以热能为驱动能源，在同一机组中还可以实现制冷和制热（采暖）的双重目的。整套装置除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运转安静，振动小；同时，制冷机在真空状态下运行，结构简单，安全可靠，安装方便。在当前能源紧缺，电力供应紧张，环境问题日益严峻的形势下，吸收式制冷技术以其特有的优势已经受到广泛的关注。目前，吸收式制冷正在向着小型化、高效化的方向发展，吸收式制冷已经成为制冷技术的主要发展方向之一，有着非常广阔的前景。太阳能吸收式制冷是利用溶液浓度的变化来获取冷量的装置，即制冷剂在一定压力下蒸发吸热。再利用吸收剂吸收制冷剂蒸汽。自蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器并被吸收剂强烈吸收，吸收过程中放出的热量被冷却水带走，形成的浓溶液由泵送入发生器中被热源加热后蒸发产生高压蒸汽进入冷凝器冷却，而稀溶液减压回流到吸收器完成一个循环。它相当于用吸收器和发生器代替压缩机，消耗的是热能。热源是太阳能。吸收制冷的基本原理一般分为以下五个步骤：（1）利用工作热源（如水蒸气、热水及燃气等）在发生器中加热由溶液泵从吸收器输送来的具有一定浓度的溶液，并使溶液中的大部分低沸点制冷剂蒸发出来。（2）制冷剂蒸气进入冷凝器中，又被冷却介质冷凝成制冷剂液体，再经节流器降压到蒸发压力。（3）制冷剂经节流进入蒸发器中，吸收被冷却系统中的热量而激化成蒸发压力下的制冷剂蒸气。（4）在发生器A中经发生过程剩余的溶液（高沸点的吸收剂以及少量未蒸发的制冷剂）经吸收剂节流器降到蒸发压力进入吸收器中，与从蒸发器出来的低压制冷剂蒸气相混合，并吸收低压制冷剂蒸气并恢复到原来的浓度。（5）吸收过程往往是一个放热过程，故需在吸收器中用冷却水来冷却混合溶液。在吸收器中恢复了浓度的溶液又经溶液泵升压后送入发生器中继续循环。吸收式制冷当今的应用吸收式制冷以自然存在的水或氨等为制冷剂，对环境和大气臭氧层无害；以热能为驱动能源，除了利用锅炉蒸气、燃料产生的热能外，还可以利用余热、废热、太阳能等低品位热能，在同一机组中还可以实现制冷和制热（采暖）的双重目的。整套装置除了泵和阀件外，绝大部分是换热器，运转安静，振动小；同时，制冷机在真空状态下运行，结构简单，安全可靠，安装方便。在当前能源紧缺，电力供应紧张，环境问题日益严峻的形势下，吸收式制冷技术以其特有的优势已经受到广泛的关注。目前，吸收式制冷正在向着小型化、高效化的方向发展，各国对吸收式技术的开发研究主要集中在联合循环、余热利用、吸收式热泵、吸收和发生过程的机理研究、换热结构和换热表面、界面活性剂及缓蚀剂、机组优化设计及经济性分析、系统的特性仿真等方面。吸收式制冷已经成为制冷技术的主要发展方向之一，有着非常广阔的前景。1.吸收式制冷机的设计计算1.1吸收式制冷机工作原理：吸收式制冷机是利用工质（溶液）的特性完成工作循环，而获得冷量的制冷装置。吸收式制冷循环式利用相变过程伴随的吸、放热特性来获取低温的。吸收式制冷机由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、节流阀和溶液泵等设备组成。它利用热源（水蒸气、热水或油、天然气燃烧）在发生器中加热具有一定浓度的溶液，使其中作为制冷剂的低沸点组份部分被蒸发出来。然后送入冷凝器冷凝成为液体，由节流阀降压到蒸发压力，在蒸发器中蒸发制冷。蒸发器出来的制冷剂蒸气被发生器中完成发生过程后剩下的溶液吸收，使溶液重新恢复到原有浓度，再有发生泵送到发生器中循环使用。吸收式制冷剂循环包括了高压制冷剂蒸气的冷凝过程、冷剂液体的节流过程和其在低压下的蒸发过程。1.2吸收式制冷机的工质吸收式制冷机的工质，通常是采用两种不同沸点的物质组成的二元溶液，以低沸点（或易挥发）组份为制冷剂，高沸点组份为吸收剂，两组份统称“工质对”。最常用的工质对有溴化锂水溶液和氨水溶液。为使吸收式制冷机具有良好的性能和较高的工作效率，工质对必须具有良好的性质。其中制冷剂的性质和要求与压缩蒸气制冷循环相同，而吸收剂则必须具有较强吸收制冷剂的能力，此能力越强系统中所需要的吸收剂循环量就越少，可以节省发生器加热量，同时减少吸收器冷却负荷和液泵功率等。众所周知，溴化锂吸收式制冷机组已成功地应用于空调和工艺冷却过程。近年来，由于节能和环保的要求，这种制冷机在国内外都取得了迅猛发展。但是，水-溴化锂工质对有其致命的缺点：1、高浓度时易结晶；2、对某些金属有较强的腐蚀性。而氨水溶液是一种在低工作温度下工作的工质对。它以氨作为制冷剂。作为氨水溶液，氨具有极大的溶水性。常温下1个体积的水，甚至可以溶解700倍于自身体积的氨。氨水溶液中氨大部分以分子状态存在，很容易从溶液中逸出。与其它形式的制冷机相比较，氨水吸收式制冷机具有如下特点：1.采用蒸气或热水作为热源，有利于废热的综合利用，特别适合于化工、冶金和轻工业中的制冷设备；2.以氨作为制冷剂，能制取0以下的低温；3.整个装置除泵外为塔、罐等热交换设备，结构简单，便于加工制造；4.氨价格低廉，来源充足；对大气臭氧层无破坏作用。 氨水溶液中氨与水的沸点相差不大，使水相对于氨存在一定的挥发性。氨水在发生器中被加热时，有部分水会随氨一起蒸发出来。因而必须采用精馏设备，用以提高冷凝器的氨蒸气浓度（99.8%）。 吸收式制冷循环示意图1.3单级氨水式制冷剂流程：氨水吸收式制冷机的工作循环，其中特别设有一个包含有发生器的结构较为复杂的氨精馏塔。它通过溶液在塔内反复蒸发和冷凝，使气相和液相分别以饱和蒸气和饱和液体进行温度变化，即液相温度上升，气相温度逐渐下降，最后形成纯水和纯冷剂氨蒸气。精馏塔结构以进料口为界面，下部的热质交换区称提馏段；上方的热质交换区称精馏段。提馏段下方设有发生段（即再沸段），用于加热浓溶液产生氨和水的蒸气，供进一步馏用。浓度为的的点1a状态fkg浓溶液进入精馏塔后，与精馏段下流的液体一起沿提馏段下流到发生段（再沸器）a,途中与从发生段蒸发出来向上流动的氨蒸气进行热交换，将溶液加热到沸腾状态点1，形成（1+R）kg、浓度为的氨蒸气，并继续上升经过精馏段c与分凝器d的回流液进行热质交换，溶液浓度进一步提高到，达到点5状态。在分凝器d中冷凝回流液，其所放出的热量被冷却水带走。从精馏塔顶出来的点5的纯氨气，在冷凝器中放出的热量后，凝结成为氨液，热量由冷却水带走。氨液经过氨液过冷器D过冷后，有节流阀节流到蒸发压力下的点7状态，在蒸发器E中蒸发制冷。蒸发器出来的点8状态氨气，经过过冷器加热后，进入吸收器B被从发生段底部引出浓度为的（-1）液体，经溶液热交换器F冷却到达压力的溶液所吸收，变为点4,浓度为的浓溶液。在吸收过程中浓溶液放出的热量被冷却水带走。该浓溶液然后由溶液泵输送，经溶液热交换器加热，再次进入精馏塔发生并精馏，如此不断循环。 图为单级氨水吸收式制冷机组循环系统 A-精馏塔（a-发生段 b-提馏段 c-精馏段 d-分凝段） B-吸收器 C-冷凝器 D-氨液过冷器 E-蒸发器 F-溶液热交换器 P-氨水泵 V-节流阀1.4氨水吸收式制冷机工作循环的热 循环过程(图1.4.1) ） 图1.4.1 氨水吸收式制冷机工作过程在图上的表示氨水吸收式制冷循环由如下的热力过程组成：1a-1为进入精馏塔的浓溶液在提馏段被加热的过程。1-2为浓溶液在发生段的加热气化过程。该过程中大量氨气和部分水蒸气被蒸发出来，溶液浓度有降低为。其开始蒸发出的蒸气状态和蒸发终了的蒸气状态分别为点和点的状态。因此在发生段内蒸气状态为点和点的平均状态点，其浓度为。-为提馏段的热质交换过程。点状态的蒸气上升与点状态的溶液进行热质交换，使溶液中的氨蒸发。点状态的氨蒸气浓度有提高到，达到点状态。-为精馏段热质交换过程。溶液浓度进一步提高到。-6为冷剂氨蒸气在冷凝器中的冷凝过程。-为冷剂氨蒸气在过冷器中的过冷过程。-为点状态的过冷液体经节流阀节流到压力，其湿蒸气达到点7状态的节流过程。由于该过程焓值不变，浓度不变，故两点重合。7-8为蒸发器中的蒸发过程。点8通常为湿蒸气状态，以利于限制蒸发温度的波动范围。此外，点2状态的饱和稀溶液，由发生段引出后要经历如下热力工程。-为发生段底部引出液在溶液热交换器中的降温过程。-为降温后的引出液的节流过程（因前述原因点3与点重合）。-为稀溶液进入吸收器后的吸收过程。3点状态的饱和液体吸收经过冷器其温度从点8状态上升到点状态的蒸气，最后形成点4状态的浓溶液。点4状态的浓溶液经溶液泵提升到压力，达到点状态。升压过程其浓度和焓值均不变，点和点4重合。经溶液热交换器后达到点，再回到精馏塔的发生段，重新投入循环. 2蒸发器的原理及计算方法：蒸发器是制冷装置中的另一种交换设备。对于制冷系统来说，它是制冷剂从系统外吸热的热交换器。在蒸发器中，制冷剂的液体在较低的温度下沸腾，转变为蒸气，并吸收被冷却物体或介质的热量。所以蒸发器是制冷系统中制取冷量和输出冷量的设备。制冷装置中的蒸发器，按其被冷却介质的特性，可以分为冷却液体载冷剂的蒸发器及冷却空气的蒸发器两大类。冷却空气的蒸发器有多种结构型式，不论是液体载冷剂的蒸发器还是冷却空气的蒸发器，都是制冷剂在管内蒸发而空气或载冷剂在管外侧被冷却。如果蒸发器是装在冷箱内或冷库库房内，而且空气系自由运动，则习惯上称之为冷却排管。冷却空气的蒸发器，都是以制冷剂在管内蒸发直接冷却空气的，包括冷却排管和空气冷却器（冷风机）的蒸发器两种。冷却排管多应用于冷库的冷藏库房及试验用低温装置。其共同点是制冷剂在管内蒸发，管外空气只作自然对流。为了增强传热和节约管材，冷却排管大都用翅片管作成。对于氨制冷装置应用钢管，一般用套片式翅片管；对于氟利昂装置多用钢管，翅片管则是绕片和套片式都有。有时为了制造方便，有的冷却排管也是用光管制成的。冷却排管按其在室内安装方式，可分为墙排管及顶排管两类。前者是按墙安装，后者则是吊装在顶棚的下面。墙排管有直管式及蛇管式两种。直管式只适用于氨，而蛇管式对于氨及氟利昂都适用。直管式墙排管在我国冷藏库中适用较多。一般用多跟高度为2.53.5,立管的高度和根数，可根据所需的冷却排管面积、冷库建筑的净高度等确定。工作时氨液从下横管的中部进入，氨气由上横管的中部排出。这种墙排管的充氨量为排管容积的80%，因此它属于满液式蒸发器。直管式墙排管的优点是结构简单、便于制造；制冷剂蒸气容易排出，从而保证了传热效果。与直管式相比，蛇管式墙排管充液量小，其缺点是冷却排管内的制冷剂蒸气不能很快地离开，而要经过冷却排管全部长度后才能排出去，这样就影响了传热效果。2.1蒸发器主要尺寸的确定：由于制冷循环为20KW的制冷量,即为设计的蒸发器的热负荷.可作以下计算:冷却排管的计算目的是确定传热面积，从而选用或制作合适的排管。冷却排管的面积，可按传热基本公式计算，即 式中，-冷却排管的热负荷，由冷间的负荷决定（W）； F-冷却排管的外表面积（）； -冷间空气温度与制冷剂蒸发温度之差（），一般=715； K-冷却排管的传热系数。 以氨为制冷剂，计算冷藏库排管的传热系数可参阅制冷空调原理及应用表7-6和表7-7。表7-6中列有三种温差（5、10、15）。若温度差不同于表列值使，可按下式进行温度差修正： 式中，K-实际温差下的传热系数； -温差为10时的传热系数； -冷间空气温度与制冷剂蒸发温度之间的实际温差（）。蒸发器冷水进口温度,冷水出口温度,最低蒸发温度,冷凝温度,过热度,过冷度. 图1.1系统制冷循环压焓图2.1.1求冷水质量循环的单位质量制冷量为 :式中:-5时制冷剂的饱和蒸气的质量焓; 饱和蒸气过热吸收的热量; 过冷液的质量焓.由氨的热力性质表查得,.将个数值代入式中，则有 制冷剂的质量流量为 冷水的体积流量为 2.1.2蒸发器结构的初步规划结构的初步规划如图4-26所示传热管的无缝钢管,管束按正三角形排列,管距取70mm,壳体内径1400mm,流程数N=4,总管数Z=255,则每一流程平均管束,管长l=1320mm折流板数,折流板间距,管板厚,折流板厚度,折流板上缺口高,折流板下缺口高,上缺口内含管束下缺口内含管束,壳体直径附近含管束. 图4-23 蒸发器结构初步规划图蒸发器外侧总面积为 有效传热面积为 2.1.3 计算管外水的表面传热系数用下标“1”表示管外冷水的参数,首先计算平均水流速度.折流板的平均间距s为 横向流通面积为横向流速为折流板上下缺口面积为上下缺口面积的平均值为纵向流速为横向截面上流速与折流板缺口处的纵向流速的几何平均值为冷水的平均温度在定性温度下的雷诺数为管外冷水侧表面传热系数可得2.1.4 计算管内沸腾表面传热系数用下标“2”表示管内制冷剂参数.假设按内侧传热表面计算的热流密度查表得a=0.0241,(该假设将在后面检验),则管内沸腾传热系数为.每根管中氨的质量流量为质量流速为将a和代入有由确定,单位为2.1.5 计算阻力及传热温差制冷剂饱和蒸气流速为饱和蒸气的雷诺数为摩擦阻力系数为制冷剂饱和蒸气沿程阻力为里昂向流动时制冷剂沿程阻力为由表查得=0.742代入上式得总阻力有下式在4附近,压力每边花100KPa,饱和温度约变化5.6,故蒸发器制冷剂进口温度应为对数平均温差2.1.6 计算热流密度及传热系数传热系数计算式为 查表得到氨侧的污垢系数,水侧的污垢系数,单位为.故得按内侧表面计算的热流密度与按外侧表面计算的热流密度的关系为 将,和的值代入得 用试凑法解方程得,由此可知的假设正确,的计算式使用合理.按外表面计算的热流密度为 2.1.7 计算传热面积根据得所需面积的计算值为 在上述计算中,没有考虑蒸发器出口处氨蒸气的过热度对传热系数的影响.根据试验,当过热度提高到5时,传热系数下降30,所以实际需要的传热面积为 与初步规划中所定的有效传热面积17.38相比,只差0.4,故初步规划是合理的2.1.8蒸发器强度校核.1）壳体圆筒：加热室： 厚度内径面积：金属横截面积：2）管子管子外径：d=57mm ,管子壁厚： ，管子根数：n=334 ,管间距：s=70mm,隔板槽面积管子金属总截面积：开孔面积：管子有效长度：l =2500mm管束模数（其中管子的弹性模量）管子回转半径管子受压失稳当量长度：系数管子稳定许用应力： 系数计算：开孔后面积:管板布管区面积：（正三角形形排布）管板布管区当量长度：系数： （）管板：假设管板厚度管子加强系数：=9.97法兰：管箱由查图3-14得图3-15得壳体圆筒：查图3-14得=0.0045查图3-15得旋转刚度：管束模量：按查图3-16，3-18得，按Q,K查图3-17得：壳程压力下的危险组合：，采用不计膨胀差计算：r=0, :系数，当m0时取与两者中的较大者，当m0时，系数，当m0时按K,m查图3-20(a)实线，当m0时按K,m查图3-20(b)实线,查得=0.1，所以， 管板应力： =故满足应力要求 =3.96=故满足应力要求壳程圆筒轴向应力： = =故满足应力要求 =管子应力： =-7.82MPa,0时取与两者中的较大者，当m0时，系数，当m0时按K,m查图3-20(a)实线，当m0时按K,m查图3-20(b)实线,查得=0.13，所以，3， 管板应力：=故满足应力要求 =-3.04MPa=故满足应力要求壳程圆筒轴向应力： = =故满足应力要求 =管子应力： =4.994MPa一根管子的截面积a=3.14=588拉脱应力：以上应力满足要求.上述计算按照GB151-89钢制管壳式换热器2.1.9蒸发器外壳体强度校核 壳体材料选用Q235-A，设计压力P=0.66MPa,t=164.7度时，实验温度下的许用应力，缝系数，=235MPa（1）实验压力：a 圆筒=0.03MPa=0.03/.6=5%,可以考虑MPa=1.25=0.79MPaMPa, 取设计压力0.9MPab.椭圆封头 =1.253=0.79MPaMPa, 取设计压力0.9MPac.锥形封头液面高度小于5米，取h=5m=0.06MPa=1.25=0.79MPaMPa, 取设计压力0.9MPa （2）应力校核 a. 圆筒 b.椭圆形封头 c. 锥形封头由上述计算结果可知，外壳体水压实验是安全的，即外壳体能够满足所需的强度要求。2.1.10法兰及附件的选配1外壳体法兰的选配：据=2000mm,P=0.6MPa,查JB4702-92容器支座压力容器法兰选材16MnR,PN=0.6MPa的乙型平焊法兰DNDD1D2D3D4Had规格数量20002160211520762056205387285162127M24602.1.11焊接有关的焊接结构及采用的形式依据GB150-98和压力容器与化工设备实用手册。3节流机构：节流机构是制冷装置中的重要部件之一，它的作用是将冷凝器或贮液器中冷凝压力下的饱和液体（或过冷液体），节流降至蒸发压力和蒸发温度，同时根据负荷的变化，调节进入蒸发器制冷量的流量。4蓄氨罐设计由于太阳能一天供给八小时所以要蓄16小时的工质用量。由氨、浓氨水、稀氨水的流量：V0= 0.4 m3/h =1.91 m3/h =1.53 m3/h综合考虑空间得氨、浓氨水、稀氨水存储罐体积尺寸(m)为：1.722(6.8 m3) 3011(30 m3) 6.322(25.2 m3)致谢毕业论文暂告收尾，这也意味着我大学四年的学习生活既将结束。回首既往，我能于这样美丽的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。本论文是在孟欣老师的悉心指导下完成的，从论文的选题、文献的采集、框架的设计、结构的布局到最终的论文定稿，从内容到格式，他都费尽心血。没有孟老师的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我论文的顺利完成。孟老师诲人不倦的教学态度，严谨缜密的治学方式，勤奋不辍的科研精神，激励着我不断前进，籍此论文完成之时，谨向孟老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在大学的几年时间里，我不仅从热能与动力工程教研室老师们那里学到专业知识技能和思考问题的方法，还学到了严谨治学的科研精神和积极进取的人生态度。老师们广博渊深的知识修养，分析、解决问题的能力以及不断对新领域、新方法探索研究的精神，都将使我终身受益。感谢汽车班的同学，他们在学习和生活中给我的帮助和鼓励使我受益良多;尤其是乔彦平同学，还有宿舍的舍友们，也是在们的帮助和支持下，我的论文才能够顺利完成，再次表示衷心的感谢!最后，还得感谢自己的朋友、家人，是他们精神上的鼓励和物质上的帮助激励我不断努力和前进。参考文献1.国家技术监督局.GB150-98:钢制压力容器.北京：中国标准出版社，1998.2.国家技术监督局.GB150-89:钢制管壳式换热器.北京：中国标准出版社，1989.3.姚玉英主编.化工原理.天津:天津科学技术出版社,1994.4.陈英南等编.常用化工单元设备的设计.上海:华东理工大学出版社,1993.5.华南理工大学化工原理教