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东南大学硕士学位论文 一 板式换热器用于氨水吸收式制冷机的强化传热研究 摘要 由于节约能源和环境保护的需要，吸收式制冷机已经得到越来越广泛的应 用。但传统的氨水吸收式制冷系统存在系统中的设备多，体积大，钢材消耗量大， 制冷循环的c 卯值较低等缺点。为了克服氨水吸收式制冷系统的缺点，需要推 广应用新型吸收式循环以提高制冷系统的c 卯值，同时采用板式换热器以实现 制冷机组的紧凑化。 本文针对国内外学者提出的中压双效复叠吸收式制冷循环进行了研究。传统 的氨水复叠吸收式制冷循环通过回收冷凝热供发生器发生，因此压力很高。而中 压双效复叠吸收式制冷循环中通过回收吸收热来供发生器发生，所以压力较低。 循环将吸收热加以回收利用，从而提高了氨水吸收式循环系统的热效率，改善了 循环性能。 本文编制了氨水吸收式制冷机的热力设计程序和优化分析程序。通过具体计 算分析讨论了热源进口温度变化、冷却水进口温度变化、蒸发温度变化等对中压 双效复叠吸收式循环性能的影响，得出了循环随温度变化的规律，并在相同工况 下与单级和双级循环进行了比较。所得结论为中压双效复叠吸收式循环的优化设 计和实际应用提供资料。此外还建立了板式换热器的换热实验台，对两种型号的 板式换热器的性能进行比较，并且对实验结果进行了讨论。 关键词：氨水；吸收式制冷；板式换热器 东南大学硕士学位论文 s t u d yo ne n h a n c e m e n t o fh e a to f p l a t1 y p eh e a te x c h a n g e ra p p l i c a t i o ni n a m m o n i a a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nc h i l l e r a b s t r a c t f o re n e 礓yc o n s e a t i o na 1 1 de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t 1 1 ea b s o 印t i o nc h i l l e r sh a v e b e e nw i d e l yu s e d h o w e v e rm ec c 垆( c o e 伍c i e n to fp e r f o m a n c e ) o fc o n v e n t i o n a l 猢0 1 1 i a - w a t e ra b s o 印t i o nr e 衔g e r a t i o ns y s t e mi sr e l a t i v e l ys m a l l e rb e c a u s eo fi t s c o m p l i c a t e ds y s t e m ，b u l k ye q u i p m e n t ，a i l d m o r es t e e lc o n s u m p t i o n i no r d e rt o o v e r c o m et h ed e f - e c t so ft l l ea m m o n i a - w a t e ra b s o r p t i o nr e 衔g e r a t i o ns y s t e ma n d i m p r o v ei t sc ( ) 尸，w en e e dt oe x t e n dt l l ea d v a l l c e da b s o l l ) t i o nc y c l es y s t e ma j l du s e p l a tt y p eh e a te x c h a n g e r i nt h i st l l e s i s ，m ed e t a i l e dm e o r e t i c a l 砌y s i sf o rt h ei n t e m e d i a t ep r e s s u r e d o u b l ee f f e c tc y c l ei sc a r r i e do u t g e n e r a l l y t l l et r a d i t i o n a la m m o l l i a - w a t e rd o u b l e e 伍e c t i v ec y c l eu s eh e a tr e l e a s e d 丘o mt l l ec o n d e n s e r ，w h e r ep r e s s u r ei sv e r yl l i g h h o w e v e r ，i nm ei n t e n n e d i a t ep r e s s u l ed o u b l ee f f e c tc y c l e ，m ea b s o 甲t i o nh e a ti su s e d t og e n e r a t et 1 1 er e 衔g e r a n tv a p o r ，吐l e r e f o r em el l i 曲p r e s s u r ec a nb ek e p ta tt h es 锄e l e v e la l st 1 1 es i n g l ee 疏c tc y c l e c a l c u l a t i o ns o r w a r eo f m ei n t e r n l e d i a t ep r e s s u r ed o u b l ee a 、e c tc y c l ew a s p r o g r a m m e d b ya n a l y z e t l l ei n t e 胁e d i a t e p r e s s u r e d o u b l ee 岱：c t c y c l e ， t l l e p e r f i o r m a n c ec h a n g et r e n do fm ei n t e n n e d i a t ep r e s s u r ed o u b l ee f f e c tc y c l eu n d e r d i 仃e r e n tt e m p e r a b l r e w o r k i l l g c o n d i t i o nw a so b t a j n e d ，w l l i c hw i l l g u i d e m e o p t i m i z a t i o nd e s i g na n a l y s i so fm ei n t e 姗e d i a t ep r e s s u r e d o u b l ee 丘宅c t c y c l e m o r e o v e r ，e x p e r i m e n t so fh e a t 扛a i l s f e rp e d i o m l a n c ef o rp l a th e a te x c h a n g e r sw e r e c o n d u c t e d ，a r l dt h ef e a t u r e so ft w op l a th e a te x c h a n g e r s 、e r ec o m p a r e da j l dd i s c u s s e d k e y w o r d s ：a i y 皿o i l i a w a t e r ；a b s o 印t i o nr e 衔g e r a t i o n ；p l a th e a te x c h a n g e r i i 东南大学硕士学位论文 希腊字母： 口 7 f 6 r 下标： 0 a d b h k w r i i l 主要符号表 比热 性能系数 直径 换热面积 循环倍率 质量流量 体积流量 焓值 传热系数 压力 单位热负荷 温度 平均温差 ，速度 液相浓度 气相浓度 努塞尔数 勃朗特数 雷诺数 传热系数 效率 溶液的质量分数 厚度 相对误差 比重 蒸发器的参数 吸收器的参数； 发生器的参数 热水参数 冷凝器的参数 冷却水参数 回流冷凝器的参数 高温级循环 低温级循环 j ( 埏) m m 2 k g h m 3 h k j k w ( m 2 k ) p a l ( j k n l s w “m 2 k ) k 瓜g m k g m 3 勺d f厂g矿鼬k p g珊饥w x y 阶髓 东南，大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：兰礁 日 期：2 缉 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：墨型塾导师签名： 日期：o 岁d 夕。岁 第一章耩论 1 餐一蟹 馕泠 l 。l 论文硬究麴嚣景窝意义 随翁生产的发展和人们生活水平的提高，制冷技术的成用已经日黼广泛。根据 制冷原躞的不同，铡冷机可以分为蒸汽压缩式、吸收式、蒸汽喷射式等多萃申，其中 强蒸汽压滚式裁冷瓿瓣痘臻最为蕊遮。但鬏掇热力学繁一秘麓二定薅，潮冷必矮滔 耗能羹，在压缩式制冷祝中是消耗电能才能使制冷系统歪常互手# 。虽然豳家已经建 设了大批电厂，但是仍然不能满足：e 业生产萃睇人民生活对电力霜求的快遴增长。夏 季空调用电高峰期的电力短缺已经严重影响到了工业生产和人民生活。 爨瓣爨氧层教渡坏已经霉l 起人键戆关注，怒当今全球蠖环境闯题之一，它鼹人 类貔生存环境造藏了巨大瓣危害，保护臭氡臻混经藏鸯煎界各国酌追留任务。为了 保护大气的臭氧屡，目前一些常用的氟利昂系列制冷荆的使用已开始受到控制，并 逐渐地被禁止使用，成出其他物质的制冷剂替代。因此，在当前的世界制冷业中， 一方嚣正在较极研究c f c 豹替代物矮；另一方覆灭 | 、 也抱注意力转到熬健方式静 潮冷锤环主。疆蓉索帮议定书瓣鬟三效，节约钷源、绦护环凌己成为法定韵责任， 也己越濑越受人们的羲视。因此，研究如何利用直接排放到大气环境中去的余热和 凌蒸，采臻吸收式制冷德环送蜇涮冷，提离吸收式翎冷德环豹性能系数( a 。_ 囝，减 小制冷设备的体积，对加快c f c 代用进程、节约能源具有熬耍的现实懑义。许多 生产行l l f 懿蘸j 蠢、石濠纯王、较王纺绥、食鸶秀霸工麓) 在蒸生产过程中，不攫嚣要 一定酶冷量，丽且述有大豢的低赫位余熟摔国。露栗能翻用这鄢分摊商环境中去韵 余热，采用吸收式制冷来满足这类企业生产时所需的冷量，黼能节约大燃的能源， 降低生产成本。 鬟籍最秀零嗣瓣啜收式裁冷系统为溪稼键壤浚式铡冷系统秘萋c 承缀羧式翻冷 系统。谢暂制冷滠发出于受到制冷潮的限制，遇常不稚低予5 ，一般仅爝于空调； 后者的制冷温度范嘲非常大( + l o 6 0 ) ，不仅可用于空调，丽且更重婺豹是露以 应用予o 以下的凿通制冷场合。擞然在空调应用场合氨水吸收式制冷系统的效率 低于嗣样条 孛下鲶溪纯锤啜收式测冷系统，毯囊零要制取o 娃下温凄露，就只能 选择氨承吸竣式潮冷系统。然纛，传统筋氨承啜浚式裁冷系统，嚣其系绞中熬竣备 多，体积大，钢材消耗量大，制冷循环的“妒值较低。如何克服氨水吸收式制冷 系统的缺点，提高氨水吸收武制冷系统的( 瑚p 值，是在我圜推广应用氨水吸收式 键冷系统进行余热制冷的关键掰在硪。 灸了充分发挥氨农设蔽式联冷系统麴优势，提商疆琢静瞧熊系数，扩大英蘩蠲 范围，鳕前世界各图正在积极研究备种新的吸收式制冷循环1 3 - 4 j ，以提高其憾能系数， 降低能源的消耗。箕中主簧几种新戮高性能系数蔽敬式裁冷缀环包括复熬式吸l | 殳制 冷循环、复合式吸收制冷循环和g a x 吸收式制冷循环。但楚由于吸收式制冷机系 统莰务较多，系统复杂，对予薮鳌褒注麓系数骧渡式麓冷循环豹礴究还泰宠全或熬。 蕊此封髓对多耱新黧壤牧式制冷循琢进行数学建模，以便对德环的各种王况下豹热 力性能做一个比较全坷的分析评价就显得非常必要，同时也滞要和目前已经成熟应 用的其他吸收式循环傲一个客观嗽较。本文为了解决这些阉鼷，对几种比较誊见的 菱叠式锤环以及零缴氨基骥寝式簇环透露了数学建搂窝热力诗奠，在珑鞍分撰鹣基 础上对循环的住靛送行了评价和想结，以便于猩不同的工况下选用合适豹循环，从 瓶为德环的实际应罔提供理论依攒。 东南大学硕士学位论文 1 2 氨水吸收式循环研究与发展现状 吸收式制冷机的工作原理早在1 8 2 4 年就已经为英国物理学家和化学家法拉第 所应用j 当时他使液氨蒸发产生冷效应，随后又在一个封闭的系统中用氯化银将氨 气吸收。1 8 5 0 年法国工程师凯利爱在在巴黎制造出了第一台氨水吸收式制冷机。凯 利爱最初的制冷机是间歇工作的，两年后他又制成了连续运行的制冷机，这比德国 人林德制造的第一台氨压缩式制冷机约早2 0 年【lj 。但早期的氨水吸收式制冷机发展 比较缓慢，这一方面是因为往复式压缩机运行可靠，随后问世的氟利昂类工质性能 优越；另一方面则是由于当时能源价格低廉的缘故。直到上世纪3 0 年代由于吸收 式制冷机的系统和设备都得到改进，现代化学工程的原理在系统中得以充分应用， 特别是发展了氨水精馏，使氨水吸收式制冷系统有所发展。 迄今为止在吸收式制冷系统中真正实用的工质对只有两种，即溴化锂与水、氨 与水。前者以水为制冷剂，以溴化锂为吸收剂；后者以氨为制冷剂，以水为吸收剂。 虽然溴化锂吸收式制冷机有着许多优点，但是它用水作制冷剂，蒸发温度不能达到 o 以下，因此只能局限于产生5 以上的冷媒水供空调和某些工艺过程冷却之用。 若要获得0 以下的低温，就需要采用氨水吸收式制冷机。这种制冷机所需的热源 温度不高，低于2 0 0 ，而产生的蒸发温度范围能从+ 1 0 直到一6 0 ，单机制冷量 可以小到1 m w 以下，也可以大到超过2 2 m w 【lj 。 但是，氨与水的沸腾温差较小，需要对发生器中发生出来的氨蒸汽进行精馏。 因为精馏过程存在较大的不可逆传热传质损失，所以氨水吸收式制冷循环的制冷效 率较低。为了充分发挥氨水吸收式制冷系统的优势，提高循环的性能系数，世界各 国正在积极研究各种新的吸收式制冷循环。下面主要介绍几种新型高性能系数吸收 式制冷循环研究的进展。 1 2 1 复叠式吸收制冷循环 单纯复叠式吸收制冷循环是由高温高压发生和中温中压两个氨水吸收式制冷 循环复叠而成。高温热源加入到高压发生器内，产生高压饱和氨蒸汽，因饱和压力 的提高，使氨蒸汽的冷凝温度也随之提高，这样就可利用氨的冷凝热来作为中压发 生器的热源。冷凝以后氨液经减压进入蒸发器内蒸发，吸收低温环境的热量。蒸发 后的氨蒸汽在吸收器内被低浓度氨水溶液吸收，所产生的吸收热也作为中压发生器 的热源。显然该级循环实际上就是一台热泵，它是利用高温热源的热量提取低温环 境的热量，获得比加入的高温热量更多的中温热量。在中压发生器内，利用高压级 循环中冷凝器和吸收器所排出的热量使发生器内的氨水分离，经中压冷凝器冷凝 后，减压进入同一台蒸发器内吸收低温环境的热量。蒸发后的氨蒸汽在吸收器内被 较高浓度氨水所吸收。在该级制冷循环中冷凝和吸收过程的热量被冷却水带走。 采用复叠式吸收制冷循环可以大幅度地提高制冷系统的性能系数( c 卯) 。目 前已经在研究中的复叠式吸收制冷循环还包括中压双效复叠式吸收制冷循环和降 压发生复叠式吸收制冷循环等，具体内容将在第三章中介绍。 1 2 2 复合式吸收制冷循环 采用复合式制冷循环有两个目的：一是提高制冷循环的性能系数，二是增大制 冷的温度范围。虽然溴化锂吸收式制冷系统具有良好的性能被广泛地用于中央空调 系统，但采用水作为制冷剂的溴化锂吸收式制冷系统，因制冷温度不能低于5 ， 而使其使用范围受到极大的限制。为了扩大溴化锂制冷系统的使用范围，提出了复 2 第一章绪论 合式制冷循环，它是由溴化锂吸收式制冷循环和氨水吸收式制冷循环复合而成。 在复合式制冷循环中，溴化锂吸收制冷循环中冷凝热和吸收热均作为低温级氨 水吸收制冷循环的加热热量。与复叠式吸收制冷循环不同的是，因溴化锂吸收式制 冷系统不能在低于5 以下的场合工作，因而其制冷剂不能与低温吸收式制冷系统 在同一低温等级下蒸发，吸收低温热量。高温级制冷循环制冷剂所吸收的热量仅仅 是低温级制冷循环制冷剂冷凝所放出的热量。由于氨水制冷循环制冷剂冷凝压力的 降低，在冷却水温度不变的条件下，可使加入发生器内的热源温度降低。 由于低温级复合的是制冷温度可在o 以下的氨水吸收式制冷系统，可使复合 式制冷循环的制冷温度范围扩大，从而使溴化锂吸收式制冷系统的应用范围扩大。 同时因复合式制冷循环内只有低温级制冷循环内的吸收热向外界排出，因此复合式 制冷循环也具有较高的性能系数。目前己提出的复合式制冷循环包括单纯复合式吸 收制冷循环以及双级复合式吸收制冷热泵循环。此外还可以采用除氨水工质对之 外的其他新型吸收式制冷工质对，如t f e n m p 、t f e e 1 8 1 、i 也2 e 1 8 l 、r 1 2 3 扼t f e 竺【3 ，4 】 寸 o 1 2 3g a x 吸收式制冷循环 所谓g a x ( g e n e r a t o r a b s o r b e r h e a te x c h a n g ec y c l e ) 吸收制冷循环就是在具有高 温热的条件下为了提高吸收式制冷循环的性能系数，将吸收过程所排出的部分热量 回收，作为发生过程的部分加热热量。 对氨水吸收式制冷循环的研究与分析表明，在制冷温度和冷却水温度一定的条 件下，当放气范围达到一定值后，单靠提高发生器内溶液温度，增大循环的放气范 围，对提高制冷系统的性能系数不仅不起任何作用，而且性能系数随放气范围的继 续增大而略有减少。这是因为此时吸收制冷循环的吸收热并不随放气范围的增加而 减少【2 j 。因此，当具有较高热源温度的条件下，在增大循环放气范围的同时，回收 吸收过程的部分热量作为发生器内的加热热量，以减少向环境的排热，使制冷系统 的热力系数有较大幅度的提高。g a x 吸收制冷循环包括直接g a x 循环、间接g a x 循环和分支g a x 循环等。 1 3 板式换热器在制冷技术中的应用与发展现状 氨水吸收式制冷机是热交换器的集合体，换热器的性能对整个机组的质量、性 能以及系统运行的经济性和可靠性起着重要作用。传统的氨水吸收式制冷机的各个 换热器大多采用卧式或立式布置的管壳式换热器结构，其换热效果较差而且体积庞 大。在满足制冷机组性能的条件下，用户总是希望制冷机的体积和重量越小越好， 以减小机组的占地面积。另一方面，制造厂家也希望提高机组的紧凑性和性能，以 使自己的产品在市场上具有竞争力。因此，强化换热器的传热，减少重量和体积， 降低金属消耗量一直是重要的研究方向。近年来，随着新型全焊接式的板式换热器 制造技术的发展，板式换热器在制冷技术中的应用表现出强劲的发展潜力。 由于与传统的壳管式换热器相比，板式换热器具有十分明显的发展优势，自7 0 年代开始在制冷装置中得到应用以来，已经日益受到人们的重视，特别是许多发达 国家，如欧洲、美国、日本、澳大利亚等都非常重视制冷用板式换热器的研究和应 用。同本在8 0 年代初开始研制制冷用板式换热器，并在制冷装置中使用，收到了 良好的经济效益i 得到了高度的评价。世界上一些著名的制冷公司如约克、丌利、 川恩、同立、前川等也都相继在制冷装置中采用制冷用板式换热器。这种钎焊型板 东南人学颂l j 学位论文 式换热器由于采用纯铜作焊接剂，主要应用在氟利昂制冷系统，不能在对铜有腐蚀 作用的氨制冷系统中使用。进入9 0 年代后，制冷用板式换热器又得到进一步发展， 一种能够应用于氨制冷系统的板式换热器在瑞典斯特尔公司研制成功。这种新型的 组合式板式换热器( w p h e ) 结合了板框式( p h e ) 和钎焊式( c b e ) 的特点，在氨侧采用 焊接密封，在载冷剂侧仍采用垫片密封。与传统制冷系统相比，采用这种板式换热 器的氨制冷系统不仅在机组材料、体积重量上有明显的优势，而且性能系数也要高 1 0 一2 0 。目前，这种系统已经形成8 个产品，冷量从l o k w 1 0 0 0 k w ”。氨用 板式换热器的丌发成功不仅拓宽了板式换热器在制冷技术中的应用范围，而且对于 保护大气臭氧层，保护环境都有重要意义，同时也必将促进制冷技术的进一步发展。 我国自6 0 年代初开始生产板式换热器，到1 9 9 4 年，以节能型产品定点的板式 换热器生产厂家即达1 5 家，并且一些厂家还进行了板式蒸发器及其传热特性的研 究工作。在我国，制冷用板式换热器的应用尚处于起步阶段，但应用规模不断扩大， 许多制冷厂家，如上海冷气机厂、天津开利、北京万众、上海新晃等，都在自己的 产品中采用了制冷用板式换热器，其发展势头十分强劲。 板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备，它的应用几乎涉及到所有的工业领 域，而且其类型、结构和使用范围还在不断发展。近年来，焊接型板式换热器开始 在制冷装置中作为主要的换热设备得到应用，极大地提高了制冷装置的紧凑性，减 轻了重量，改善了制冷性能，降低了材料和运行成本，其优越性已越柬越为人们所 认识。同时我国生产钎焊型板式换热器的厂家也逐渐增多，甚至一些乡镇企业也能 生产铜钎焊的板式换热器( 如图1 1 ) ，但对于氨吸收式制冷系统需要采用镍基钎焊的 板式换热器，焊接质量还不能完全过关。随着我国经济的发展，制冷技术的发展前 途远大，特别是各种大型的工业用制冷装置和空调用制冷装置发展迅速，这为各种 制冷用板式换热器的应用提供了广阔的市场。 幽1 1 钎焊烈板式换热器的结构 与管壳式换热器相比，板式换热器具有以下明显的优点酗l ( 1 ) 结构简单i 制造方便 4 第一章绪论 板式换热器的零件数量与管壳式换热器相比很少，通用性很高，只需用有限的 几个系列的板片尺寸，改变传热板片的数量就可以得到不同传热面积的板式换热 器。 ( 2 ) 传热效率高，对数平均温差大，末端温差小 目前，板式换热器传热板片的波纹形式达二十余种，最常用的有人字形、水平 平直形和锯齿形等。这些板片叠置在一起时形成的众多的接触点使得流体在狭窄的 板间流动时，即使流速很低，雷诺数仅为1 0 0 5 0 0 时就可产生旺盛紊流，提高传 热效率。流体在管壳式换热器的壳程中流动时存在旁路，没有充分参与换热，而板 式换热器不存在旁路，流体换热充分。所以板式换热器有较高的传热系数，一般认 为是管壳式换热器的3 5 倍。而且冷热流体在板式换热器内的流动总体上是并流 或逆流的流动方式，其温差修正系数一般大于o 9 ，通常为0 9 5 以上；在管壳式换 热器中流体总体上是错流的流动方式，其温差修正系数通常较小。同时板式换热器 的末端温差很小，对于水水换热可以低于1 ，而管壳式换热器大约为5 ，因此 采用板式换热器对于回收低温位的热能是很有利的。 ( 3 ) 体积小，重量轻，价格便宜 由于板式换热器的传热系数高，有效传热温差大，加上传热板片薄，板片间距 小，因而其结构紧凑，金属消耗量小，单位体积内的换热面积为管壳式换热器的2 5 倍。在相同的热负荷下，它的体积只有壳管式换热器的l 3 左右，重量则仅为壳管 式换热器的1 5 左右。在相同材料情况下，板式换热器的费用比壳管式低，在某些 应用场合，相同热负荷下全不锈钢的板式换热器甚至比全碳钢的壳管式换热器还要 便宜。 ( 4 ) 结垢少，可靠性高 由于流体在板式换热器中流动时湍流剧烈，杂质不易沉积，板式换热器的污垢 系数比壳管式换热器的污垢系数小得多；板间通道的流通死区小；不锈钢制造的换 热面光滑、且腐蚀附着物少。 可以预计，随着人们对板式换热器的了解和认识，板式换热器以其高效传热、 结构紧凑、节能节材并具环保功能等特点，必将会越来越广泛地应用于制冷装置中。 1 4 本文研究的主要工作 1 ) 本文对新型以氨水为工质对的中压双效复叠吸收式循环机理进行了深入分析。 2 ) 编制了氨水吸收式制冷机的热力l 设计程序和优化分析程序( 包括氨水溶液的物 一| 生计算程序、热力计算程序、优化分析计算程序等) 。 3 ) 利用计算程序分析讨论了热源进口温度变化、冷却水进口温度变化、蒸发温度 变化等对中压双效复叠吸收式循环性能的影响：比较了相同工况下单级、双级 和复叠式制冷循环的设备热负荷、c d 尸值等指标。为中压双效复叠吸收式循环 的优化设计和实际应用提供理论依据。 4 ) 建立了板式换热器的换热实验台，并且对两种型号的板式换热器进行了对比实 验，根据实验数据拟合了传热系数的计算公式。 东南人学硕? i ：学位论文 第二章氨水溶液状态参数计算 2 1 氨水溶液的性质及状态方程 ， 一 2 1 1 氨水溶液的性质 氨一水是吸收式制冷机最早使用的一种工质对，直至今日仍被广泛使用。氨的 热力性质有着许多优点，主要是：在制冷机工作温度范围内压力适中，属于中压制 冷剂；其气化潜热很大，在常用的蒸发温度下达1 3 0 0 l ( j l ( g 左右，约为r 2 2 的7 倍： 标准沸点为一3 3 4 ，在常用制冷温度下能使制冷机的低压部分压力保持在大气压力 上下；凝固点为7 7 7 ，因此一般认为它的制冷温度可低至4 6 ，也有人认为可 低达6 0 ；它的价格低廉，容易获得。氨的主要物性如下： 化学式 n h 3 分子量 1 7 0 3 成分 n ( 8 2 3 6 ) ；h ( 17 6 4 ) 比重 0 5 9 7 1 ( 气态氨，对空气而言) 熔点 7 7 7 沸点3 3 4 自燃点6 3 0 在常温下，氨是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体。氨对人体具有较大的 毒性，当空气中含氨量达0 5 0 6 ( 容积百分比) 时，半小时内人即中毒。氨还 可以燃烧和爆炸，如果空气中混有1 5 5 2 7 容积的氨，可以引起爆炸。当有水时， 氨对铜及其合金( 磷青铜除外) 有腐蚀性，它与铜可结合生成铜氨络合离子。氨极 易溶于水组成氨水溶液，在常温下，一份体积的水可以溶解7 0 0 倍的氨，因而，氨 水溶液是一种很理想的吸收剂。氨与水的沸点不如溴化锂与水的沸点相差大，仅相 差1 3 3 。因此，在氨水吸收式制冷机的发生器中，从溶液中蒸发出来的不仅是氨 气，还不可避免地会带有少量水蒸汽，通过装设精馏塔，用精馏方法将水蒸汽从氨 气中分离出来，可以使进入冷凝器的氨蒸汽浓度提高到9 9 。8 以上【1 ，7 1 。 2 1 2 氨水溶液的状态方程 斯托克尔( w f s t o e c k e r ) 在进行氨水吸收式制冷机的模拟研究时，曾根据文 献 8 的数据应用最小二乘法导出了一个氨水溶液的多项式。吉恩( j a i n ) 和盖勃尔 ( g a b l e ) 也用上述文献中的数据导出了在0 3 4 4 5 0 5 4 7 2 m p a 和1 7 2 3 2 4 3 2 m p a 两个压力范围内的多项式。1 9 7 1 年舒尔茨( s c h u l z ) 为饱和液相和饱和气相分别发 表了温度范围为7 3 至1 7 7 ，压力范围为0 9 8 0 7 k p a 至2 4 5 2 m p a 的氨水状态方 程式【9 】，后来又经过进一步修正，计算结果比较满意。 2 1 3 舒尔茨氨水溶液状态方程 舒尔茨氨水溶液状态方程是以温度丁和压力尸为自然独立变量的自由焓的表达 式，他在分别得到饱和液相和饱和气相方程的基础上，根据平衡相之间的化学势应 相等的条件将两相的方程关联起来。舒尔茨氨水溶液状态方程式如下，、其中的热力 参数采用了对比态形式： 。 1 纯组分 气相： 6 第二章氨水溶液状态参数计算 哪= 聊一秒酹+ ( c 盘阳一等韶+ 口h 丢 + c 1 9 ( 万一) + c 2 臼协一) + c 3 唔帕嚣_ 2 等) 式中 嚷= q + d 2 p + d 3 伊2 液相： g ：= h 棚 + 9 i c ；印一睁6 + 4 ( 万一) + 4 1 至三_ ；兰佥+ 4 口( 万一) + 4 臼2 ( 万一乞) 式中 嚷= 骂+ 岛臼 2 混合物状态方程 气相： g = ( 1 一y ) g 2 d + y g 导岍，+ 口( 1 一y ) l i l ( 1 一y ) + p y l i l y 液相： g = ( 1 一x ) g 2 0 + x 6 簧州，+ 乡( 1 一x ) l n ( 1 一x ) + 臼x l i l x + g ； 式中 睇= e + e 万+ e 万2 + ( e + e 万) 乡+ ( e + e 万) 臼2 + 磊臼3 + 【岛+ 鼻。万+ e 1 万2 + ( 鼻2 + e 3 万) 秒 ( 2 x 一1 ) + 巧4 + e 5 万+ e 6 万臼 ( 2 x 一1 ) 2 ) x ( 1 一x ) 方程中的符号：彳，小b ，2 、c ，3 、d ，3 、n ，6 一系数 无因次馘对雌号号；昧= 志；专 基准值：死= 1 0 0 k ；n = 1 0 m p a ；r m = 8 31 4 3 j ( m 0 1 k ) 上标：g 一气相；f 一液相；m 一混合物；i 一组分标记；e 一过剩 下标：r 一对比值；b 一基准值；m 一摩尔参数 方程式中的系数见表2 1 。 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 根据热力学关系式，从以上状态方程可以推导出氨水吸收式制冷计算所需的热 力学参数表达式。 东南大学硕士学位论文 表2 1 舒尔茨状态方程系数 工质 纯组分 。顶 混合物 趴 h 2 0n h 3瓤 a l 0 0 2 6 9 4 9 0 0 3 1 8 2 1 9f l 2 5 5 0 7 8 a 2 o 0 0 0 0 0 9 9 5 80 0 0 0 0 5 0 4l6 f 2 0 4 9 3 5 a 3 0 0 4 0 5 2 90 0 0 7 1 2 9 4 f 3 0 0 1 1 5 9 9 4 a 4 0 0 0 0 7 7 3 4 4 o 0 0 2 6 5 1 7f d 一1 6 5 3 5 3 b 17 7 2 2 1 16 1 8 8 8 1 f 5 2 5 7 5 31 b 2 0 3 9 3 8 6 41 2 6 7 0 6 f 6 2 5 6 5 9 3 c 1 0 1 7 6 4 1 6，一o 2 0 3 3 1 2f ，3 2 5 8 5 4 c 2 2 - 3 0 4 1 71 8 3 9 5 0 f 8 1 4 9 8 5 7 c 3 8 2 8 5 9 8 4 6 9 0 6 9 f o1 6 0 5 3 2 d 1 4 0 9 2 4 93 8 2 9 1 8 f l o 0 2 8 4 6 81 d 2 0 0 8 9 0 5 8o 0 2 3 6 9 f 1 1 - 0 0 0 5 38 6 5 d 3 o 0 2 3 8 7 50 0 4 4 9 5 f 1 2 o 7 8 4 6 21 0o 5 0 6 9 93 2 5 1 5 f 1 3 0 7 7 5 9 9 5 0 3 o o2 1 4 1 0 f 1 4 o 3 7 8 7 2 h ； 6 0 9 3 4 72 6 6 3 9 2 f 1 5 o 0 2 2 5 9 3 6 。；厂 2 1 7 6 9 7 5 2 0 9 1 6 f 1 6 8 0 0 5 7 2 s ：1 3 4 4 2 08 2 9 2 8 1 s 1 ) 厂 5 7 1 6 9 71 7 0 2 0 1 1 ) = ；2 ) - = f _ l ，2 ，r 式中函为相的数目，是组分的数目 所以二：。= 导：。，磊，= 如， 对于二元系统，可推导出以下关素式： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 第二章氨水溶液状态参数计算 巍峨邓训( 等卜掣 = ( 1 一少) - 甜2 。+ g 3 + 研一1 - l n ( 1 一y ) 】+ 9 ( 1 n y 一1 ) ) + g = g 州3 + 臼l n y( 2 1 3 ) 魄。魂叫( 等卜g = 一y 卜掣2 。+ g 3 + 针一1 乩( 1 一y ) 】+ 9 ( 1 1 1y + 1 ) ) + 甜 = g 2 d + 乡l i l ( 1 一y ) ( 2 1 4 ) 巍咄邓叫( 等卜咄 _ ( 1 叫p g 一卟h ”圹1 】+ 助p 娟h 弛肘州叫飘。 ( 2 - 1 5 ) 噍。咆一文譬卜印 一p g 一卟m h h 刈+ ( 斟。p = j + 删叫+ 哪一叫警) ( 2 1 6 ) l 咖目。 。 p l n ( h ) + 盱具。刮q 州一) 。_ p 俐刚h ，秽h y u 唧斜弛”卅印吼，。j g 叫 9 东南火学颂j 卜学位论文 懈* 船弛朋烈h ，_ 叫卜 p e x p 吉 掣- n x 嘲邯叫( 警卜秽3 - 少= o p 方程式( 2 - 1 8 ) 是一个包含f 、nx 参数的方程式，它反映了氨水溶液相平衡时f 、 p 、x 之间的关系。方程式( 2 1 9 ) 是一个包含f 、mx 、歹参数的方程式，它反映了氨 水溶液相平衡时，、ax 、y 之间的关系。 ( 4 ) 纯氨处于气液相平衡时，、p 之间关系式厂( f ，尸) = o 根据热力学原理，纯组分处于气液相平衡时，满足 嘭= g ；( 2 2 0 ) 因此纯氨处于气液相平衡时f 、p 之间关系式为： g 爸h 、- g 管h 3 弧g 3 一g k o ( 2 二2 1 ) 2 2 氨水溶液状态点参数计算函数编制 将以上推导结果用s 砌c 抖编写成可供调用的函数，可以计算出氨水溶液气 液状态点参数温度丁、压力p 、气液相浓度x 、少以及焓值办。 函数1 求解氨水气相焓值日 又q ，p ，协= h 警= q 一协h 蜚。j + y h 管h ， 邓训p 一警小p 一等 。 = ( t y ) 月吾+ q ( 乡一岛) + 譬( 俨一诺) + 导( 扩一岛) + c ；( 刀一) + 2 g ( 考一专 啦。 + y 月吉+ 日( 9 一岛) + 譬( 伊一留) + 孚( 矿一喏) + c ! ( 趸一) + 2 c j ( ；一专) 时7 ( 2 2 2 ) 函数2 求解氨水液相焓值日 凡q ，p ，曲= ，h 譬= q 心h 嚣参+ x h 蛩h ，+ h 袅 划叫p 一文警小卜文等肿一愕l l o 第二章氨水溶液状态参数计算 _ ( 1 一x ) 匆+ e ( 一皖) + 鲁( 秒2 一留) + 4 ( 万一) + 鲁( 矿一2 ) 一4 以万_ ) 珂_ + x f - 硪+ 蜀( 目l + 争( 秒z 一引+ 4 ( 万一) + 每( 万z 一：) 一4 p z ( 万一) - | 嗍 + g j ；一叫等) p 2 3 ， 式中 秒( 烈，= - 学一掣一等一掣一毪硼叫 函数3 气液相平衡时丁、尸、x 之间关系式： 以 一一e 冲斜柑m ”卅g ；叫( 斟。钟。 p * h 弛州邯叫助掣3 - 1 = 。 p 2 4 ， 函数4 气液相平衡时丁、p 、x 、j ，之间关系式： 坤以一即* h 弛州州叫( 斟。一叫卜岬甾， 函数5 纯氨气液相平衡方程： 、 六( 丁，p ) = g 3 一g 3 = o( 2 2 6 ) 由以上方程可以编制子函数程序，通过调用程序可以根据氨水溶液三个参数温 度丁、压力p 、液相浓度x 其中的两个确定溶液的状态。需要编制的子函数程序如 下： 1 根据溶液温度丁、压力尸确定液相浓度x 、焓值办以及气相浓度弘焓值办”。 舻，d x 、扫、弘办” ( 2 2 7 ) 2 根据溶液温度丁、液相浓度x 确定压力尸、液相焓值乃以及饱和气相浓度弘焓 值办”。 苁丁，x ) _ 尸、办、少、j i z ”( 2 - 2 8 ) 3 根据压力p 、液相浓度x 确定溶液温度丁、液相焓值办以及气相浓度”焓值办”。 ( p ，z ) 一丁、办、y 、办”( 2 2 9 ) 4 根据溶液温度丁、压力p 、浓度x 确定溶液焓值办。 ， + 妒，丁，x ) 一办( 2 3 0 ) 因为压力p 可能不等于溶液温度丁下的饱和压力p o ，所以要首先判断溶液的状 态点是处于过冷区还是两相区。由式中的函数火丁，x ) 确定溶液饱和压力凡，然后 判断p 与p o 的大小。当p p o 时溶液状态处于过冷区，当p p o 时溶液状态处于 两相区，当p = n 时溶液处于饱和状态。 一銮塑叁兰塑：! ：堂篁堡苎 当溶液状态处于过冷区或饱和状态时，溶液焓值办等于液相焓值办，可根据溶 液温度丁和饱和压力尸。确定。 当溶液状态处于两相区时，可由式( 2 - 2 8 ) 中的函数苁丁，z ) 确定溶液液相状态点 伽，向) 和气相状态点帆，办，) ，然后由方程( 2 3 1 ) 确定溶液焓值庇。 办=! 兰二丛生塑+ 厅 ( 一) ( 2 3 1 ) 5 根据压力p 、溶液浓度x 、溶液焓值厅确定处于两相区时的溶液温度丁。 苁尸，x ，办) 一 丁 ( 2 3 2 ) 传统方法是在焓浓图上用直角三角形试凑法确定处于两相区时的溶液状态。莉 用计算机可以用迭代的方法提高计算精度和效率。迭代过程如图2 1 所示： 图2 1 两相区温度迭代求解流稗 6 根据纯氨气的压力尸确定温度丁或根据纯氨气的温度于确定压力p 。 苁尸) 一 丁 ( 2 3 3 ) 以d p f 2 3 4 1 调用编制的氨水溶液状态参数函数进行计算，并用计算结果与文献【1 0 薮据迸 1 2 第二章氨水溶液状态参数计算 行比较。计算结果比较如表2 2 所示。 表2 2 氨水溶液状态参数计算结果比较 计算结果文献 1 0 数据 、温度液相浓度气相浓度液相焓值气相焓值液相浓度气相浓度液相焓值气相炝值 压力p = 1 6 1p a 1 4 0o 2 1 9 30 7 8 2 8 4 5 6 1 9 21 8 2 2 6 30 2 1 9 5o 7 9 0 54 5 6 3 6 1 8 1 3 8 1 1 3 0o 2 6 1 5o 8 4 4 13 9 3 0 4 71 7 2 8 7 50 2 6 1 80 8 5 0 23 9 3 5 61 7 2 1 5 3 1 2 0o 3 0 5 3o 8 9 0 83 3 0 5 1 91 6 5 0 1 4o - 3 0 6 0o 8 9 6 43 3 1 1 81 6 4 3 7 4 】0 00 3 9 9 4o 9 5 0 32 1 2 8 1 51 5 2 7 9 70 3 9 9 50 9 5 1 8 2 1 3 1 1 1 5 2 5 5 9 9 00 4 5 1 90 9 6 7 91 6 0 6 7 11 4 7 9 4 60 4 4 9 0o 9 6 9 01 6 0 3 51 4 7 8 4 8 0 0 5 1 0 40 9 8 0 01 1 5 8 1 91 4 3 6 4 2o 5 0 4 5o 9 8 1 01 1 5 9 7 1 4 3 6 7 4 7 00 5 7 8 1o 9 8 8 48 1 8 5 0 61 3 9 7 0 40 5 7 3 10 9 8 8 08 2 0 61 4 0 0 0 6 6 00 6 6 2 10 9 9 4 66 5 9 2 6 81 3 5 9 7 70 6 6 2 00 9 9 5 06 6 9 91 3 6 2 0 5 5 0o 7 8 6 80 9 9 9 89 0 7 4 6 51 3 2 3 2 50 7 9 0 50 9 9 8 49 0 4 31 3 2 6 6 7 压力p = 0 8 m p a 1 2 00 1 8 6 8o 7 7 5 83 8 6 0 51 8 1 1 0 90 1 7 5 60 7 7 0 33 8 6 0 21 8 0 8 5 7 1 0 00 2 6 8 60 8 9 9 62 5 1 5 0 7 1 6 2 2 2 0 2 6 3 6 0 8 9 5 72 5 0 3 7 1 6 1 5 5 6 9 00 3 1 2 4o 9 3 6 71 8 5 6 6 91 5 5 4 70 3 0 9 4o 9 3 1 9 1 6 7 4 7 1 5 4 8 9 9 8 00 3 5 8 50 9 6 1 81 2 3 0 7 41 5 0 0 1 70 3 5 7 40 9 5 6 81 2 3 5 11 4 9 2 6 8 7 00 4 0 8 00 9 7 7 96 5 3 8 9 51 4 5 5 20 4 0 8 6o 9 7 3 86 4 4 81 4 5 0 6 6 00 4 6 2 6o 9 8 7 91 4 7 2 21 4 1 6 8 80 4 6 2 40 9 8 5 01 5 4 91 4 1 2 3 8 5 0o 5 2 4 9o 9 9 3 82 5 8 5 9 31 3 8 2 9o 5 2 5 5o 9 9 2 12 4