（制冷及低温工程专业论文）空冷溴化锂吸收式制冷机的研究.pdf

空冷溴化锂吸收式制冷机的研究 章文斌 ( 浙江大学制冷与低温工程研究所，杭州) 摘要 在国内外空冷吸收式制冷技术最新研究发展动态的基础上，提出采用空冷预 冷却绝热吸收器的溴化锂吸收式制冷循环。 首次对采用空冷预冷却绝热吸收器的单效溴化锂吸收式制冷机进行传热和 热力计算，给出各状态点的参数和换热面积依据吸收制冷系统内部的能量平衡、 质量平衡及相平衡建立单效空冷溴化锂吸收式制冷机的数学模型，进行变工况 模拟计算，对计算结果进行了分析，得到单效空冷溴化锂吸收式制冷机在变工况 时的运行特性。户矿7 7 建立空冷预冷却绝热吸收器的热力学模型并进行数值模拟计算，得到了吸 收器的热力特性。提出空冷预冷却换热器优化设计的数学模型，对其三个主要因 素：设计变量、目标函数和约束条件进行了详细的数学描述，采用罚函数法进行 计算，得到优化设计结果，并与常规设计进行了比较。 设计搭建了一个溴化锂水溶液管内传热特性研究的实验装置，研究了溴化锂 水溶液在管内紊流状态下的传热特性。对实验数据进行线形回归处理，得到溴化 锂水溶液在这种情况下的换热无量纲准则关联式。 关键词：空冷，吸收制湾溴化硅袅拟，优化 噻乞强罐却鬈y 浙江大学硕学位论文 a b s t r a c t s t u d y o na i r - c o o l e dl i t h i u mb r o m i d e a q u e o u s a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t o r z h a n g w e n b i n i n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i t yh a n g z h o u 31 0 0 2 7 ，p r c h i n a a b s t r a c t l i t h i u mb r o m i d ea q u e o u sa b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n c y c l eu s i n ga i r - p r e c o o l e d a d i a b a t i ca b s o r b e rw a s p r o p o s e do n t h eb a s i so ft h el a t e s td e v e l o p m e n ti na i r c o o l e d a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ni nt h ew o r l d at h e r m o d y n a m i cm o d e lo fl i t h i u mb r o m i d ea q u e o u sa i r p r e c o o l e da d i a b a t i c a b s o r b e rw a se s t a b l i s h e d t h et h e r m o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h i sk i n do fa b s o r b e r w a se x p r e s s e dw i t ht h i sm o d e l a no p t i m u md e s i g nm o d e lo fa i r p r e c o o l e dh e a te x c h a n g e rw a ss e tu p i t i n c l u d e st h r e em a i nt h c t o r s ：d e s i g np a r a m e t e r ，o b j e c tf u n c t i o nb a s e do nm i n i m u m e x p e n s e sa n dc o n s t r a i n t s p r o g r a mo f t h i sm o d e lw a sb u i l ta n ds o l v e du s i n gp e n a l t y f u n c t i o no p t i m u mm e t h o d t h e r m o d y n a m i c sa n dh e a tt r a n s f e rc a l c u l a t i o n so fs i n g l e e f f e c tl i t h i u m b r o m i d e a q u e o u sa b s o r p t i o nr e f r i g e r a t o ru s i n ga i r p r e c o o l e da d i a b a t i c a b s o r b e rw e r ec a r r i e d o u t t h ev a l u e so fe a c hs t a t ep o i n ta n dt h ea r e a so fe v e r yh e a te x c h a n g e rw e r e p r e s e n t e d am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i ss y s t e mw a se s t a b l i s h e db yt h ep r i n c i p l eo f m a s s a n d e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dp h a s ee q u i l i b r i u m p r o g r a mw a s c a r r i e do u tt os i m u l a t e t h es y s t e mp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e s a n e x p e r i m e n t a li n s t a l l a t i o nw a s b u i l tu pt oi n v e s t i g a t eh e a tt r a n s f e rp r o p e r t yo f l i t h i u mb r o m i d e a q u e o u ss o l u t i o ni nt u b e t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r e d e a l tw i t ht h e m e t h o do fl i n e a rr e g r e s s i o n s i m i l a r i t yc r i t e r i o ne q u a t i o no fh e a tt r a n s f b rp r o p e r t yo f l i t h i u mb r o m i d ea q u e o u ss o l u t i o ni nt u r b u l e n tr e g i o ni nt u b ew a sg a i n e d ，w h i c hc a n b eu s e di nt h ed e s i g no f a i r p r e c o o l e dh e a te x c h a n g e r s k e y w o r d s ：a i r c o o l e d ，a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ，l i t h i u m b r o m i d ea q u e o u s ，s i m u l a t i o n ， o p t i m u m h 兰堡生墨堂堡主堂堂兰堕生一 兰矍笪兰查 主要符号表 拉丁字母 a 循环倍率 a , b ，c溶液参数公式计算系数 c 。定压比热容 f换热面积 g ，g质量流量 h焓 k 传热系数 c o p性能系数 d管径 q 热流量 s中心距 p压力 n 迎风面管排数 1 1 空气流通方向管排数 n u 努谢尔特数 r e雷诺数 p r 普朗特数 t ，t 温度 u 空气流速 v 溴化锂溶液流速 x 溴化锂溶液浓度 l i 希腊字母 a 九 p u n 6 下标 a a a c b ，b a b s g e n ，g e v a c o n ，k w h h e h s 1 o n 对流换热系数 导热系数 密度 动力粘度 效率 运动粘度 厚度 预冷却器流过空气 冷凝器流过空气 溴化锂 吸收器 发生器 蒸发器 冷凝器 冷媒水 热源 溶液热交换器 加热蒸汽 进口或内部 出口或外部 浓溶液 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 随着世界各国经济的高速发展，人民生活水平和生活质量的提高，制冷空调 技术在国民经济许多方面和人民的生活中，扮演着越来越重要的角色，目前， 用于空调的制冷装置有压缩式制冷方式( 活塞式，螺杆式，离心式，涡旋式) ， 吸收式，蒸汽喷射式。但是除了后两种制冷机外，其它制冷机一般都要消耗大 量的电能或机械能，运转费用高，而且，大部分使用r 1 1 和r 1 2 作为制冷工质， 这两种氟氯烃( c f c ) 扩散到大气中，会对大气中的臭氧层起较强的破坏作用。 1 9 8 7 年在国际会议上签署的关于破坏臭氧层的蒙特利尔议定书规定：目前 压缩制冷所采用的多种氟利昂制冷工质( 主要是氟氯烃类物质，即c f c s ，例如 r 1 1 ，r 1 2 ) 在1 9 9 6 年起相继被禁用，发展中国家最迟于2 0 0 6 年1 月1 日被禁 用。这迫使各国学者致力于寻求c f c s 的替代工质和研究开发无c f c s 工质的新 型制冷机。 城市居民住宅建设的迅速发展，许多地区空调耗能的增长，已经远远超过采 暖耗能的增长。据统计资料显示，在美国等发达国家地区，建筑耗能已经占社会 总耗能约2 5 以上，其中大部分都为空调耗能，空调耗能的急剧增长，严重加剧 了全球能源问题。并且我们正面临水资源严重不足的现状，而水冷式制冷机将消 耗大量的水资源。如何以新的能源方式供给空调耗能，以风冷代替水冷，以降低 常规能源的消耗，减轻全球变暖效应和对臭氧层的破坏，减少水资源的消耗，这 是我们目前面临的迫切问题【2 】。 吸收制冷由于采用对环境无害的工质( 主要以溴化锂水溶液或氨水溶液为 主) ，并能以蒸汽、燃气、燃油、热水等多种热能形式为动力，尤其是能利用余 热、废热、排热等低品位热源，因而被国际上公认为未来制冷机发展的重要方向 之一。尤其是压缩制冷的传统制冷剂c f c s 将被禁止使用的问题出现以后，吸收 制冷作为一种替代制冷方式受到了人们更广泛的重视【3 】。由于吸收制冷对余热利 用和节电节能具有重要的意义，在一些国家，如日本、德国、俄罗斯和美国，对 吸收制冷的研究非常重视。特别是象日本这样能源短缺的国家，对吸收制冷技术 尤为重视，如今，日本已经成为溴化锂吸收式制冷机组的最大生产国，每年产量 已达四至五千台。 早在1 9 7 2 年，联合国第一次环境与发展大会就指出，“石油危机之后，下一 个危机便是水”，1 9 7 7 年联合国大会进一步强调：“水，不久将成为一个深刻的 社会危机”。1 9 9 2 年，一些专家指出，到2 l 世纪，水、粮食和能源这三种资源 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 中，最重要的是水。 我国是一个水资源严重短缺的国家。中国工程院不久前发 布的题为中国可持续发展水资源战略研究综合报告预测，3 0 年后，中国人 均水资源量将由现在的2 2 0 0 m 3 降至1 7 6 0 m 3 。按国际标准，人均水资源量少于 1 7 0 0m 3 的即为用水紧张国家。而且，我国正在实行西部大开发战略，而西部地 区是一个富能源而水资源匮乏的地区，冷却设备空冷化是开发西部的重要部分。 相应制冷空调的冷却器也是耗水量很大的部件，制冷空调的空冷化也应是大势 所趋。 我国多年来一直是用电、缺电大国，虽然每年都在增加发电量，但仍无法满 足用电高峰期的电力需求，电力供应缺口较大，且这一情况在较长时期内难有根 本好转。吸收式机组由于节电和环境保护效益显著，在特定的使用场合还可达到 节能目的，自身特点突出，适合我国国情，因此在我国发展迅速，并形成了以长 沙远大和江阴双良为代表的一批吸收式机组生产厂家，其中远大的直燃机年生产 能力已居世界前列，是目前全球最大的直燃型溴化锂吸收式机组制造商。吸收制 冷机组现已成为我国大中型中央空调设备的主要机型，其市场占有率仍在进一步 扩大。 1 2 吸收制冷的研究与发展“1 早在1 8 世纪，人们就知道，利用硫酸对水蒸汽的吸收可以使未蒸发的水冷 却，进而得到冰。1 8 1 0 年，苏格兰的j o h nl e s li e 发明了间歇型吸收式制冷机， 这是一种最古老的吸收式制冷机。法国的f e r d i n a n dc a r t e 在1 8 6 0 年发明了连 续型吸收式制冷机，并在同年取得了美国的专利，他的样机采用硫酸作为吸收剂， 水作为制冷剂，1 8 5 9 年，f e r d i n a n dc a r r e 又进一步制造了世界上第一台以氨水 溶液为吸收剂，氨为制冷剂的吸收式机组。 吸收制冷的首次大量应用可以回溯到美国南北战争期间，南方联邦为了尽快 恢复被北方联邦破坏的冰块供应而利用吸收制冷制冰。战争结束以后，d a n i e l h o l d e n 对吸收制冷装置作了一些改进，吸收制冷开始在美国南部大量应用于制 造冰块。在二十世纪初期，因为当时的能源价格便宜，这使得吸收制冷机在1 9 0 0 年左右失去了它的应用市场。直到第一次世界大战以后，由于能源紧张，人们又 开始使用吸收式制冷机，并对吸收循环进行了大量的研究，甚至于爱因斯坦也曾 提出过一种无泵吸收循环9 1 。 第二次世界大战末期，美国的c a r r i e r 公司研制出以燃油或燃气锅炉产生的 蒸汽或热水作为热源的商用大型空调吸收式制冷机组，并于1 9 4 5 年成功制造出 世界上第一台以水为制冷剂，溴化锂水溶液为吸收剂，制冷量为5 4 0 k w 的溴化锂 吸收式制冷机。从此，以热能驱动的大容量吸收式冷水机组开始大量开发应用， 并开创了现代制冷利用多种能源的新局面。2 0 世纪6 0 年代，美国和日本相继制 浙江大学硕：l 学位论文 第一章绪论 成蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组，还开发了赢燃型溴化锂吸收式冷热水机 组。此后，日本在溴化锂吸收式制冷机的生产和应用方面逐渐占据了世界首位“1 。 我国对溴化锂吸收式制冷机的研究开始于六十年代初，最初是根据特种船舶 空调的需要提出来的。我国溴化锂制冷机的发展到目前为止，大致可以说经历了 这么四个阶段：六十年代的基础研究阶段；六十年代末至七十年代初的单效机生 产、应用阶段；七十年代末至八十年代初的蒸汽双效机研制、开发阶段：八十年 代至今的技术改进和提高阶段。 总的来说，我国研制生产溴化锂吸收机组的历史不长，发展也并不快，但是 最近十年以来，在改革开放的形势下，我国吸收式制冷技术的研究和开发在质和 量两个方面都有飞跃的发展。我国于1 9 9 2 年制成直燃型双效溴化锂吸收式冷热 水机组和采用高效传热管及新型微机控制的溴化锂吸收式制冷机，还制成第二类 溴化锂吸收式热泵工业样机。以1 9 9 4 年的第一届“全国溴化锂制冷机、空调热 泵机组技术展览会”为标志，我国开始了直燃型溴化锂冷热水机组的商业化生产， 并且在大型建筑和工业领域中大规模推广应用。同时，蒸汽和热水并用的余热型 溴化锂吸收式冷水机组和热水型二级溴化锂吸收式冷水机组等利用余热的节能 设备也进行了开发和应用，溴化锂吸收式制冷机在热电联产系统和热电冷联供系 统中也开始了实际应用。当前，我国在溴化锂吸收式制冷机的生产和应用方面已 居世界第二位，国内不少厂家溴化锂机组产品的主要技术指标已经接近国际先进 水平，但在机型品种、总体水平和总体质量方面，与国外机组相比还存在一定的 差距”。 1 3 基本循环 图卜1 吸收制冷循环示意图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 吸收制冷循环的原理示意图如图1 1 。以使用溴化锂水溶液作为工作流体的 吸收制冷循环为例，溴化锂稀溶液在发生器中被加热，产生制冷剂水蒸汽，水蒸 汽在冷凝器中被冷却，并凝结成液体水。液体水然后经节流减压后进入蒸发器并 在其中吸热蒸发，产生制冷效应，液体水重新汽化为水蒸汽。另一方面，发生器 中发生水蒸汽后的溴化锂溶液经溶液热交换器降温和节流减压后，进入吸收器， 吸收来自蒸发器的水蒸汽，而后，吸收了水蒸汽的溴化锂稀溶液则由溶液泵输送， 经溶液热交换器升温后，重新进入发生器发生，并完成吸收制冷循环【6 1 。 1 4 吸收式制冷机的发展趋势 1 4 1 吸收循环的高效化 吸收制冷机组具有节电、无环境公害、用能品种多等优点，从而被公认为绿 色环保制冷设备。但目前，世界上除了日本等国外，电压缩式机组在空调市场中 仍占主导地位，其主要原因是，电压缩式机组在能量的有效利用方面具有明显优 势”。以一次能源消耗量相比，电压缩式机组为0 1 2 2 k g k w h ，双效蒸汽型溴化 锂吸收式冷水机组为0 1 7 2k g k w h ，单效溴化锂吸收式冷水机组为0 3 4 4 k g k w h 。由此可见，若用一次能源制冷，目前溴化锂吸收式机组的能耗高于电压 缩式机组，在能源的利用率方面还逊色于电压缩式机组。除了以余热、废热、排 热等低品位热源为动力的吸收式机组外，现有的其它类型吸收式机组都还不能视 为真正意义上的节能产品。然而，就原理而言，进步提高吸收式机组的热力性 能，使之在能源的高效利用方面实现突破，具有很大的技术潜力，其中一个重要 的发展方向就是研制多效吸收式机组。 目前市场上吸收式机组的主流机型多为以燃油或燃气为能源，且采用与蒸汽 双效型机组相当的流程的直燃型机组，其在吸收式机组中所占的比例逐年增大。 日本每年直燃式机组占8 0 ，我国吸收式机组年产量约3 0 0 0 台套，其中直燃式 机组占3 5 。直燃式机组由于采用了高热势热源，产生的烟气温度高达1 0 0 0 c 以 上，烟气具有较高的可用能，而蒸汽型机组的加热蒸汽温度一般不超过1 7 0 c 。 因此，直燃式机组采用目前的双效流程显然不尽合理，研究和开发新型多效循环， 合理有效地利用高品位热源，以提高机组的热力性能，是今后吸收式制冷机工业 发展的方向，甚至可以说是生存的基础“1 。 1 4 2 机组小型化 近些年来，国内外房地产商纷纷投资各种别墅型中小型建筑，这些建筑通常 为2 到3 层，单元建筑面积为1 5 0 - 3 0 0 m 2 ，且为了方便计费和管理，般每一单 浙江大学硕l 学位论文 第一章绪论 元设计一套独立的空调系统，每个单元用户的冷负荷在1 5 k w - 5 0 k w ，热负荷 15 k w 一4 5 k w 。 1 9 8 1 年日本冷冻空调协会出版的“气体吸收冷温水机q a ”一书中定义小型 吸收式冷热水机组为单机制冷量7 k w 一1 0 5 5 k w ，并采用单效或双效吸收制冷循环 的机组。在该书1 9 9 3 年的修订版中，又将单机制冷量的范围拓宽至 1 0 5 k w 一1 7 5 8 k w 。这种机组大多是以燃油或燃气为能源的直燃型吸收式制冷机 组，外形为整体式结构，可在室外或屋顶安装，也可数台单机并列设置，冷量调 节方便，因而在中小型建筑中颇有应用的市场。 小型吸收式冷热水机组与同类型的大中型吸收式机组相比，热力系数较低， 外形尺寸与重量较大，这是小型吸收式机组不能得到迅速发展的重要原因。但是 随着人民生活水平的逐步提高而对生活居住条件提出的进一步要求、中小型建筑 ( 中型商场、写字楼、新兴居住小区和别墅建筑等) 业的发展、以及国家鼓励使 用燃气制冷政策的颁布，加之这种机组自身的特点及高效吸收循环在小型机组中 的应用，这种小型吸收式机组将会占有一定的市场，并得到一定的发展“。 1 4 3 机组空冷化“3 1 5 溴化锂吸收式制冷机的冷却介质通常是水，必须配备大容量的冷却水系统， 但在一天之内干球温度变化大的地区、水源紧缺地区或无水场合、建筑环境要求 ( 风冷机高度比冷却塔低) 以及超高层建筑( 2 0 0 m 以上水冷条件受到限制) 等 场合，水冷溴化锂制冷机的应用就受到限制，尤其随着人类生活居住质量的提高， 各种家用型的制冷装置尤其是以别墅型中央空调系统为代表的一类小型制冷机 的市场前景很大。住宅集中空调将成为2 l 世纪一个新的消费热点，然而吸收式 制冷机组的空冷化问题一直是吸收制冷在这一领域得到大量应用的最大障碍。虽 然很早已经有以溴化锂水溶液为工质对的空冷吸收式机组问世，但发展不快，主 要原因是空冷机组的工况条件与溴化锂水溶液的物性要求不能完全匹配，溴化锂 水溶液的吸收不足与易发生结晶等弊端，在风冷机组中更为突出。所以一方面， 各国学者致力于新型吸收工质对的寻找，另一方面，寻求一种更为可行的空冷解 决方案也是我们迫切需要解决的问题。 1 5 课题研究的背景、意义和内容 1 5 1 空冷的需要 全球水资源紧张和臭氧层破坏是当今全球性的两大重要环境问题，以水- 溴化 锂水溶液作为工质对、热能为动力的吸收式制冷机，由于其工质对环境无害，而 f f 江大学硕j ：学位论文 第一章绪论 且具有明显的节能节电效果，应用正日益广泛。溴化锂吸收式制冷机的冷却介质 通常是水，必须配备大容量的冷却水系统，在水源紧缺地区或无水场合，水冷溴 化锂吸收式制冷机的应用就受到限制，尤其随着人民生活水平的提高，各种家用 型的制冷装置特别是以别墅型中央空调系统为代表的一类小型制冷机的市场前 景很大，而吸收式制冷机要进入这些领域，必须要解决冷却介质空冷化的问题， 因此空冷溴化锂吸收式制冷机的研究具有现实意义【i 3 。侈】。 1 5 2 空冷的优点 与水冷吸收式制冷机相比，空冷吸收式制冷机没有冷却水循环系统，其优点 如下： 经济性：由于没有冷却塔、冷却水配管、冷却水补给管等设备，节约了用水， 降低了设备成本和运行费用和维护费用。 设置性：由于没有与制冷机机身相分离的冷却塔，空冷吸收式制冷机结构可 以更加紧凑，且便于放置。 便利性、可靠性：由于不需补给冷却水，运行方便、稳定可靠。由于没有 冷却塔以及配管系统，安装施工方便。 1 5 3 空冷带来的不利因素l 悖】 在相同气候条件下，“空冷”相比“水冷”会对吸收式制冷机热力循环特性 造成影响。空冷机组因采用空气直接冷却，例如选定进风温度3 5 ，出风温度 4 0 5 0 ，则吸收器中溶液的最低温度以及冷凝温度约为4 5 5 5 ，比水冷机组 的相应温度要高。若维持蒸发温度或冷媒水出口温度不变，贝l j 溶液浓度要提高， 整个吸收循环要向高温、高浓度、高压侧偏移，这可能使循环的高压压力超过允 许值或者使溶液进入结晶区。因此，“空冷”吸收式制冷机不能采用和“水冷” 吸收式制冷机相同的运行参数和循环。由于空气的热容量和传热系数均比水的 小，其温升和热交换部件的传热温差都要比水冷机组大，才能使空气流量和传热 面积不至于过大。空冷吸收器为了增大传热面积，一般要在吸收器空气侧加肋片。 1 5 4 目前的空冷发展概况 近几年来，关于以水溴化锂水溶液为工质对的空冷吸收循环，各国学者开展 了大量的研究。研究的重点集中在如何克服由于冷却介质温度升高而引起冷凝温 度和吸收终了溶液温度的上升对循环特性造成的影响。现已有以下几种方案队 1 5 ，i 引。 ( 1 )直接空冷多段吸收逆流冷却 浙江人学硕：学位论文 第一章绪论 如图5 1 所示，高温浓溶液在管内顺次流过四段吸收器，吸收从蒸发器来的 制冷剂水蒸汽，冷却空气在管外逆溶液流向进行冷却，若空气进风为3 5 。c ，出 风为4 3 ，浓溶液进口4 96 c ，通过第四段冷却降到4 7 。c ，并最终降为4 1 ，比 空气出口温度4 3 还要低2 ，已达到或接近“水冷”时的温度水平。 但这种方案存在一些问题：需要几套吸收器泵、管道、阀门，结构复杂，运 行电耗较大，控制也较复杂；管内吸收阻力较大，易产生吸收不足；吸收器的传 热温差较小，所需吸收器面积较大。 水蒸 气4 3 cd e rd 7 rd 。t 浓 三 一 5 0 = 3 7 ：= 3 9 ： = 4 1 ： ；- 、稀溶液4 1 c h卣h 蓍乱 图5 1直接空冷多段吸收逆流冷却 ( 2 ) 间接空冷管外单级吸收逆流冷却 图5 - 2 间接空冷管外单级吸收逆流冷却 从图5 - 2 可以看出，吸收器并不是直接进行风冷，而是在吸收器外设置一个 干式空冷换热器，采用中间冷却介质( 通常是水) 在吸收器传热管内下进上出， 与在传热管外上进下出的溶液进行热交换，逆流换热冷却后，再返回干式空冷换 热器，并在其中经由风冷后，重新进入吸收器。图中同时给出了各处的温度值。 这种方案不象前者那样需要多套吸收器泵系统，也可希望获得接近“水冷” 的温度水平，而且为管外吸收，吸收阻力小。其不足之处在于：多了一套水冷却 浙江大学硕j + 学位论文 笫一章绪论 器系统，且其传热面积较大；经过两次传热，增加了一次传热温差，溶液吸收终 了温度比前者要高。该种方案中吸收器实际上仍是采用水冷。 如图5 3 所示，单级蒸发单级吸收过程为a b ，吸收压力对应的蒸发温度为5 左右，要将溶液浓度由6 2 5 降至5 7 5 ，就必须将溶液冷却到4 0 以下。但 空冷循环降不到这个温度，假如只降到4 5 ，则稀溶液浓度只能达到6 0 左右， 使循环往高浓度方向偏移了2 5 。 如果采用两级吸收，即用a c 和c d 两级吸收，其对应的蒸发温度分别为5 和8 c 左右，虽然溶液温度只能冷却到4 5 c ，但仍能使溶液的最终浓度达到5 8 左右。 这种循环比多段吸收结构简单，比间接“空冷”的溶液吸收终了温度要低， 综合效果较好。 ( 3 )两级蒸发、两级吸收循环 3 0 t s ( ) 2 0 1 0 0 4 0 t 2 5 06 07 0 2 0 p ( k _ p a ) 1 0 ) 3 图5 3 两级吸收循环的吸收过程 ( 4 )适当提高蒸发温度和稀溶液浓度的单级吸收循环 如图5 - 3 所示，如果溶液只能冷却到t 2 ( 4 5 ) ，则可让吸收压力上升到p ：， 稀溶液浓度增加到x ，采用单级蒸发单级吸收仍能完成这一过程。这种循环最 为简单，但整个循环向高温、高压、高浓度方向有所偏移。为了防止结晶，应适 当减小溶液浓度差即放气范围。由于其蒸发温度较高，对于允许相对湿度较高的 场合，或者直接冷却空气的小型空调装置仍是适用的。 ( 5 )对双效、多效吸收循环采取溶液并联流程 如图5 4 所示，串联流程为a d 一e c g h a ，并联流程为a - d e - f - g - h a 及 a b _ c - g h a 。在相同溶液浓度和冷凝温度下，并联流程相比串联流程，高压发生 器的压力可以下降3 0 左右，而且随着进入低压发生器溶液流量比例的增大，压 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 力还可以进一步减小。 8 0 t s ( ) 1 6 0 图5 - 4 “并联”、“串联”高压发生器压力比较 ( 6 ) 提出新工质对h 2 0 l i b r z n c l 2 等的研究，试验表明，它们在循环向高 浓度侧偏移时性能比传统的h 2 0 l i b r 工质对有改善。 ( 7 ) 将冷凝器和吸收器进行并联冷却或者一部分空气先冷却冷凝器再冷却 吸收器的后半段。这种方法也可以降低溶液吸收终了温度，因而降低双效 循环中高压发生器的压力和温度。 o k a n o ，t ；a s a w a ，y ；f n i m o m 【z 0 j 等认为：用传统的b r l i + h 2 0 需要很大的换 热器来防止b r l i + h 2 0 溶液的结晶，因而很难发展成实用的空冷系统，而 n h 3 + h 2 2 0 也许可以用作实用的空冷系统，但在受环境条例的限制，因而发展一 种新工质对是完全必要的。通过通过多次实验发现：用h 2 0 + l i b r + l i i + l i c l l 有 很好的防结晶的性能，并研究了几种配比的结晶溶度，发现l i b r l i i + l i c l + l i n 0 3 以1 0 0 ：7 5 ：4 1 ：2 5 的摩尔配比+ h 2 0 的性能最好，并将其用于空冷吸收式制冷 机，性能优于用l i b r + h 2 0 的吸收式制冷机 s r i n i v a sg s r i m e l l a l 2 1 1 等研究了用于氨一水为工质对的吸收式热泵的不同管 翅类型的冷凝氨气的空冷器。对用四种不同类型的翅片的换热器的传热与压降特 性建立模型，进而得出详细设计这些换热器的计算程序。该程序能用于一个很宽 的变量范围，可用于不同的翅片类型，不同管排，不同流程布置。系统分析了几 何参数对传热、压降的影响。并对制冷剂和空气温度，氨的气液相状态引起换热 器性能的变化作出曲线，从而可以优化换热器的设计。作者还分析指出，采用波 纹状翅片能使换热器质量最小。这些结果对用于不同设计目标和限制条件的换热 器的优化具有指导意义。对氨水吸收式制冷机的空冷化研究提供了帮助 n 枷m如则加，； 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 1 5 5 绝热吸收预冷却空冷方案 比较前述各种空冷解决方案可知，无论是采取吸收器直接空冷或是间接空冷 的方式，都不可避免地或者增加了循环附加部件，使机组成本增加；或者使循环 温度升高，效率降低，都没有使问题得到很好的解决。 本文基于传热过程和传质过程的相异性这样的出发点，把吸收过程看作是 一个必须完成的传质过程，传热只是传质过程中的伴随现象，提出一种预冷却绝 热吸收器模型，吸收过程的放热通过吸收器外的预冷却空冷排出，吸收器内进行 绝热降膜吸收，将传热和传质过程分开进行，针对溴化锂水溶液的特点，可以分 别对其传热和传质过程进行强化，在设计上更具有灵活性【2 2 - 2 4 。该方案将在以下 章节进行具体描述和相应的热力计算。并将它用于溴化锂吸收式制冷机，实现机 组空冷化。 1 5 6 本文的研究工作 1 ) 提出预冷却绝空冷换热器的优化设计计算的数学模型，对其三个主要因素： 设计变量、基于年费用最小的目标函数和约束条件进行了详细的数学描述。 2 ) 提出预冷却绝热吸收的空冷溴化锂吸收式制冷循环的吸收器设计方案，建立 溴化锂水溶液的空冷预冷却绝热吸收器的热力学模型并进行热力学数值计 算。 3 ) 对单效空冷溴化锂吸收式制冷机进行传热和热力计算，给出各状态点参数和 换热面积。 4 ) 建立单效空冷溴化锂吸收式制冷机的物理模型，并进行了变工况模拟计算， 对计算结果进行了分析，得到了单效空冷溴化锂吸收式制冷机在变工况时的 运行特性。 5 ) 设计加工了一个溴化锂水溶液管内传热特性研究的实验装置，实验研究了在 水溶液在管内过渡流和紊流状态下的传热特性。对实验数据进行线形回归处 理，得到了溴化锂水溶液在这种情况下的换热无量纲准则关联式。 浙江大学硕士学位论文 第二章空气预冷却器的优化设计 第二章空气预冷却器的优化设计 溴化锂吸收式制冷机由水冷改为空冷，将导致换热面积的增加很多，采用预 冷却绝热吸收器，则换热面积的增加，集中在空冷预冷却换热器上，从而导致初 投资和运行费用的增加。如何最大限度地减小空冷器的初投资和运行费用，将是 空冷溴化锂吸收式制冷机投入实用的关键步骤之一。本文将就给定空冷预冷绝热 吸收器所需工况，将空冷换热器的费用最小作为目标函数，通过优化设计，使目 标函数达到最小值，亦即达到最经济。 2 1 空气预冷却器的优化设计的数学模型 为使模型不致过于复杂，本文在计算时作了如下假设： 1 有关流体物性为常数。 2 不考虑各变量随时间的变化。 3 加工费用一定。 于是本文优化计算的目标函数可取为： ，：兰+ a ( 2 1 ) 门玎 、7 式中空冷器的初投资费用为b ，使用年限为n n 年， 输送流体所需能耗费用为a ( 溶液泵功恒定，则a 为风机所耗功率费用) a ，b 不能直接反映出热交换器设计中密切关系的几何量与物理量，所以下面进 一步对a ，b 进行分析 2 5 , 2 6 ： 已知传热基本方程式为： f ：熹(22)at k m 7 q 是溴化锂溶液进出口温度，流量的函数，因此： f ：生譬枭掣 ( 2 3 ) k 砌 7 冷器传热系数： k=：二!，一 上o c a r 0 o 丑堑a , , + 去等 式中6 传热管壁厚； 传热管材料的热导率； a 。紫传热管每米管长平均面积 ( 2 4 ) 浙江大学硕士学位论文 第二章空气预冷却器的优化设计 r b 胀管后翅片与基管之间的接触热阻 硒污垢热阻 溴化锂溶液的传热系数根据本文实验结果，通过线形回归拟合实验数据，得 到以下公式： 旷o o o 嗍s 等心”8 9 2 ”n ” ( 2 s ) 式中特性温度为瓦= 堡掣： 特性尺寸为传热管内径d i ： 空气侧表面传热系数和压降由下列式子计掣”l ： 1 空气横向流过圆管外横向矩形翅片管束 式计算： a a = 0 2 5 1 每2 r e “7 少 式中 d c - 一当量直径 翅侧换热系数和压降由下列 ( 2 6 ) ：( 华) 一o z 。( 尘巫+ 1 ) “。( 粤) ” ( 2 7 ) d 6 j s 2 一d 迎风动压 印。= 华 ( 2 8 ) 迎风静压： 印2 = o 1 0 8 孚( p _ “。) 7 ( 2 9 ) “f 电动机输入功率： p ：! ! ! 竺! 塑! ! f 2 1 0 ) 7 7 伽巩 式中i 、h ，l _ 一风机全压效率；( 给定) n 。风机传动效率；( 给定) 2 空气横向流过圆管外环形翅片管柬，翅侧换热系数和压降由下列式子 计算： 对于低翅片管束，d 1 4 d b = 1 2 1 6 ，d b = 1 3 5 - 1 6 m m 浙江大学硕士学位论文 第二章窜气预冷却器的优化设计 了d b a f = 0 15 0 7 ( 生笋) o ”( 纠a ( 争p 6 4 ( 7 5l “d 。 对于高翅片管束，d ( d b = 1 7 2 4 ，d b = 1 2 4 1 m m 丁d b a f - 0 1 3 7 8 ( 生争) 07 1 8 ( 等) ；( 争- 9 6 l“ 式中d 6 d b 分别为翅片外径和翅根直径，m y ，h ，6 广一分别为翅片的间距、高度和厚度，m g 。最小流通截面处质量流量，k g m 2 h 卸= 等# 电动机输入功率 q ，印 p 2 玎向t 式中n 胁风机全压效率：( 给定) n 。风机传动效率；( 给定) 溴化锂溶液的雷诺数： r e 8 ；4 g - n p n 7 r - a i f l b 式中g b 溴化锂溶液的流量： pb 溴化锂溶液的密度： ub 溴化锂溶液的动力粘度； 均给定或由定性温度查表或计算而得。 溴化锂溶液的普朗特数： p r 8 ：旦 p a a n 式中a b 溴化锂溶液的热扩散率。 空气的雷诺数： r e ：丝! 竺! 坚：巳 “ 心 式中 pa 空气的密度 ua - 空气的动力粘度 ( 2 1 1a ) f 2 1 l b ) f 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 兰塑蔓苎塑型兰型型垒l 一塑三童窒皇堡堡塑登箜垡丝堡生 翅片根部外沿直径： d 62 d o + 2 8 ： r 2 1 7 ) 式中 6 厂一翅片厚度； 迎风面管中心距： 。2 = j lx c o s 3 0 0 f 2 1 8 ) 空气流通方向管中心距： s l = 2 5 d 。 f 2 1 9 ) 每米管长翅片侧面面积： 口，= 2 ( 叩z 一三巩2 ) s ， ( 2 2 0 ) 式中s 广一翅片节距； 每米管长翅片间管面面积； q b2 一r 耐b ( s l 一6 ，) i s f q 2 1 ) 每米管长翅片侧总面积： o o l 2 o ，4 - a b ( 2 2 2 ) 当量直径 一(口以均j毒d。= l ! 一 t 。丽 r 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 6 ) - 。 浙江大学硕士学位论文 第二章空气预冷却器的优化设计 2 雨鬻丽“一 式中u r 一风速 空冷器所需空气体积流量： 铲彘pacau 2 一lj 迎风面积： 彳。：生 1 “ 翅片相当高度： = 鲁c 剩1 + 0 3 5 i n ( c 豪- 。， 式中c 正方形顺排c = 1 1 4 5 等边三角形叉排c = 1 0 6 3 翅片参数： 压_ 一j 蒜 翅片效率： 。t h ( m h ) n 2 矿 翅片表面传热效率： r i o ：! 尘墨 o ，+ 传热温差由下列三式得到： = 瓦一l ： f 2 = 瓦2 一l l 呱2 髫 r 2 2 7 ) 佗2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) r 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 浙江大学硕士学位论文第二章空气预冷却器的优化设计 所需有效翅片管总长： ：上 口0 ， 迎风面高度： h ：生 翅片宽度： b = i t s l c o s 3 0 0 管内溴化锂溶液的沿程阻力【2 6 】 旷错： 管内溴化锂溶液的局部压力损失【2 6 】： 胪纠。20 1 3 1 + 0 a 6 3 ( 协t ) 所需泵功率： g 8 ( p ，+ p 。) 见2 茅 式中：r l 。泵的传动效率： n ，一泵全压效率； 风机和泵功率所耗费用： 4 = 0 + p b ) d ，f s d 1 0 0 0 式中 d r _ 一空冷器每天工作时间 t 空冷器每年工作天数 s d 单位电价： 传热管所耗费用： 以= 三p r l ( a 0 2 - - d 2 ) 式中 s 广一传热管单价 p r 一传热管密度： 翅片所耗费用： b c = d ，l 占f 。p c j r r 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) f 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) f 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 单位时) ； ( 单位天) ； ( 单位元千瓦时) ( 单位元千克) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) 塑堕曼造翌翌兰墅垒笙墅一一 塑三皇至皇堡堡塑壁塑垡些墼生 式中p 。翅片密度； s c 翅片单价 ( 单位元千克) 弯头费用： 6 。= ( 7 l 一1 ) s 。 式中s w 弯头单价 初投资费用： b = b ，+ b 。- i - b 。 以上将式( 2 4 3 ) 和( 2 4 7 ) 代入式( 2 1 ) ，得到了目标函数。 其中，设计变量为： x 。( u a ，l ，d o ，s f ，n ，n ，6 f ，v b ，s 1 ) 所需满足的约束条件： 1 n ：旦一o 5 s l 2 。：三 3 t a i t a 2 t b 2 4 1 u a 6 5 o 0 0 8 d o 00 1 8 6 0 3 1 1 7 0 0 0 1 8 s 0 0 0 2 5 8 2 n 6 9 1 n 2 0 1 0 o 0 0 0 1 5 6r 0 0 0 0 3 11 o 5 v b 2 迎风面积a y 约束条件： 垃劬知，2 薏 赴 单位m s 单位m ) 单位m 1 单位m 1 ( 单位m ) ( 单位m s ) ( 2 4 6 ) r 2 4 7 ) ( a l ，a 2 由用户给定，或按标准，单位m2 ) ( 实际若需要，如一些大中型换热器，由于场地或运输的限制，可考虑侧面积约束，) 1 3 v b ：4 g _ b 蒯 浙江大学硕上学位论文 第二章空气预冷却器的优化设计 ，。旷嚣 至此，目标函数、设计变量、已知变量和约束条件已经确定。本文选用计算速度 较快，易收敛的惩罚函数法【2 7 】进行求解。 2 2 优化设计程序流程： 开始 ，。，。，。l l 输入用户要求 _ j 一 赋优化设计变量初值 石吾酮赢酉薮_ 鬲可酉 数法求解 一一一_ 1 _ 一一 优化结果 一- j _ 输出 协渥蓓丽萌哥疆萌丽 2 3 优化设计结果及与常规设计的比较 系统要求：g b = 3 0 0 l h ，进口温度t b l = 4 3 c ，出口温度t b 2 = 3 7 5 c 。 根据上述物理模型，将u a ，l ，d o ，s f ，t a 2 ，n ，n ，6f ，v b ，s l 作为设计变量。其边界可根据实际情况而定。本文采用圆管外横向矩形翅片管束， 管束呈等边三角形排列。根据文献【2 6 1 将边界定为： 1 t a l - 3 5 1 k t b 2( 单位) 2 2 u a 6( 单位m s ) 3 0 0 0 8 d o 0 0 1 8( 单位m ) 4 0 3 1 1 ( 单位m ) 5 0 0 0 1 8 s f 0 0 0 2 5( 单位m ) 6 1 n 6 7 1 n 2 0 8 0 0 0 0 1 5 6r 0 0