小型太陽能氣泡泵吸收式制冷機(jī)研究

小型太陽能氣泡泵吸收式制冷機(jī)研究

摘要：本文確定了設(shè)計計算參數(shù)下小型太陽能氣泡泵吸收式制冷機(jī)制冷循環(huán)中各狀態(tài)點參數(shù)，進(jìn)行了發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器的熱負(fù)荷計算和加熱熱水、冷水、冷卻水、稀溶液等循環(huán)介質(zhì)的流量計算。進(jìn)行了發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器等換熱設(shè)備所需的傳熱面積計算。根據(jù)求得的傳熱面積確定了各換熱設(shè)備的傳熱管數(shù)，計算了熱水進(jìn)出口配管、冷卻水進(jìn)口配管、冷媒水進(jìn)口配管的內(nèi)徑尺寸，為開發(fā)小型吸收式制冷機(jī)提供了一定的理論和實踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：太陽能氣泡泵吸收式制冷機(jī)傳熱計算

1簡介

太陽能吸收式空調(diào)在我國目前應(yīng)用很廣泛。它將常規(guī)的溴化鋰或氨水吸收式空調(diào)與太陽能熱水相結(jié)合，實現(xiàn)夏季空調(diào)、冬季供熱或全年供熱水功能。雖然吸收式空調(diào)采用溴化鋰制冷機(jī)方案技術(shù)已相對成熟，但系統(tǒng)成本若不能大幅度降低，推廣前景并不樂觀。日本矢崎株式會社已商品化生產(chǎn)小型無泵循環(huán)溴化鋰制冷機(jī)，有制冷量4000W到174000W系列產(chǎn)品。我國尚未實現(xiàn)小功率溴化鋰制冷機(jī)生產(chǎn)，現(xiàn)有的廠家生產(chǎn)成本過高，功率偏大，同時輔助熱源又不可缺少，管理難度大。因此，開發(fā)生產(chǎn)低成本的系列制冷機(jī)，如無泵溴化鋰制冷機(jī)、小型氨水制冷機(jī)及其循環(huán)泵等，并實現(xiàn)其商品化生產(chǎn)已成為當(dāng)務(wù)之急。

圖1是小型太陽能吸收式制冷機(jī)組成的太陽能空調(diào)和供熱系統(tǒng)的原理圖。本系統(tǒng)主要有太陽能集熱器、蓄熱槽、輔助熱源、熱水型吸收式制冷機(jī)、冷卻塔、空調(diào)器和控制系統(tǒng)等組成。

圖1小型太陽能空調(diào)、供熱系統(tǒng)

太陽能吸收式制冷機(jī)的加熱熱源是75～95℃的熱水。熱水在發(fā)生器管中作強(qiáng)制對流換熱，加熱溶液產(chǎn)生蒸汽，一般設(shè)計成單效。該機(jī)無溶液泵與冷劑泵，溶液的循環(huán)靠氣泡泵來實現(xiàn)。

2熱力計算

設(shè)計計算參數(shù)：吸收式制冷機(jī)額定制冷量為；經(jīng)蒸發(fā)器的冷凍水進(jìn)口溫度～℃、出口溫度～℃；經(jīng)吸收器或冷凝器的冷卻水進(jìn)口溫度～℃，出口溫度～℃；加熱熱水溫度～℃。

設(shè)計工況計算

取冷凍水進(jìn)口溫度＝14℃，冷凍水出口溫度＝9℃；冷卻水進(jìn)口溫度＝℃，冷卻水出口溫度＝℃；加熱熱水進(jìn)口溫度℃，加熱熱水出口溫度℃。

選定設(shè)計參數(shù)

圖2單效吸收式制冷循環(huán)h-ξ

假定不考慮的影響。

①蒸發(fā)溫度＝7℃，則蒸發(fā)壓力＝1001pa；

②吸收器壓力，?。?0pa，則＝920pa；

③冷凝器和吸收器的冷卻水用并流動方式，冷凝溫度＝℃，冷凝壓力＝5631pa；

④發(fā)生器出口濃溶液溫度＝℃；

⑤吸收器出口稀溶液溫度＝℃；

⑥根據(jù)壓力，和溫度，，在圖上查得：＝56，＝60，可得－＝。

⑦溶液熱交換器出口濃溶液溫度＝，取＝17℃，則＝55℃。由＝60，查溴化鋰溶液的結(jié)晶曲線，其結(jié)晶溫度約為39℃。－＝55-39＝16℃，因此選?。?7℃是可行的。由得

式中，可得kJ/kg，則＝62℃。

各狀態(tài)點參數(shù)值

根據(jù)上述所選取的參數(shù)，可確定制冷循環(huán)中各狀態(tài)點的比焓值以及溫度、壓力和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。循環(huán)中各狀態(tài)點號見圖2。各狀點參數(shù)值見表1。

各換熱設(shè)備的熱負(fù)荷計算

各換熱設(shè)備的熱負(fù)荷計算見表2。

由蒸發(fā)器的單位熱負(fù)荷，可求得冷劑水的循環(huán)量：kg/h

熱平衡計算得：/kg，/kg相差很小，熱平衡。

熱力系數(shù)計算：表1各狀態(tài)點參數(shù)表序號名稱狀態(tài)點比焓值溫度壓力質(zhì)量分?jǐn)?shù)1蒸發(fā)器出口冷劑蒸汽1’7100102蒸發(fā)器中冷劑水17100103

吸收器出口稀溶液238920564冷凝器出口冷劑水338563105冷凝器進(jìn)口冷劑蒸汽3’79563106發(fā)生器出口濃溶液4825631607發(fā)生器中開始沸騰溶液5725631568吸收器進(jìn)口濃溶液647920609溶液熱交換器出口稀溶液762－5610溶液熱交換器出口濃溶液

8

55－60表2各換熱設(shè)備的熱負(fù)荷計算表設(shè)備名稱單位熱負(fù)荷計算公式單位熱負(fù)荷熱負(fù)荷計算公式熱負(fù)荷值

發(fā)生器冷凝器

蒸發(fā)器

吸收器溶液熱交換器

各工作介質(zhì)的流量計算

加熱熱水流量

加熱水的溫度從86℃降到80℃，則產(chǎn)生單位冷劑蒸汽的加熱量為：＝＝/kg，考慮15的熱損失裕量，則加熱熱水量＝/h

冷水量

＝

冷卻水量

冷卻水帶走的熱量為：＝

冷卻水量為：＝

稀溶液循環(huán)量

＝

3傳熱面積計算

k值的選取

傳熱管的材料，除發(fā)生器采用不銹鋼管外，其余換熱設(shè)備均采用紫銅管。

對于發(fā)生器采用整體軋制低翅片管，其傳熱系數(shù)可以達(dá)到1300～1600，這里取為1300。由于冷凝器的傳熱系數(shù)比較高，在機(jī)組中占的空間也較小，相對而言強(qiáng)化傳熱的要求就不迫切。采用光管時的傳熱系數(shù)就可達(dá)4100～5200，本文取為4500。蒸發(fā)器采用噴淋形式，因此噴淋密度，噴淋方式對傳熱性能有較大的影響。以銅管為傳熱管的蒸發(fā)器，傳熱系數(shù)的值一般在2200～2500之間，這里取=2300。

對于吸收器采用目前國內(nèi)使用較多的F管，也稱為斜槽管，在合適的運行條件及造作參數(shù)下，F(xiàn)管的傳熱系數(shù)可達(dá)1500，但是F管易出現(xiàn)冷量衰減的情況。這里?。?200。對于溶液熱交換器，設(shè)計流速為～/s時，傳熱系數(shù)可達(dá)450～580，這里?。?80。

傳熱系數(shù)校核

傳熱系數(shù)可用下式校核：

式中：——以原管外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)，；

、——管內(nèi)、外表面換熱系數(shù)，；

、——管內(nèi)、外表面單位面積上的污垢熱阻，；

、——圓內(nèi)、管外徑，m；

——圓管材料的熱導(dǎo)系數(shù)，。

計算傳熱系數(shù)的關(guān)鍵在于如何求得圓管內(nèi)、外兩側(cè)的表面換熱系數(shù)。對于發(fā)生器，以熱水為熱源，可按下式計算管內(nèi)對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

式中：——傳熱管內(nèi)熱水的流速，；

——熱水在進(jìn)出口平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，；

——熱水在進(jìn)出口平均溫度下的運動粘性系數(shù)，；

——熱水在進(jìn)出口平均溫度下的普朗特數(shù)。

發(fā)生器中溴化鋰溶液在管外沸騰，對于噴淋式發(fā)生器，可用下式估算

式中是噴淋密度，，試驗范圍為～。文中，設(shè)＝2，＝，＝，＝，＝，紫銅管＝，＝，＝，＝，＝，把上述值代入式、()、()中可得＝1305，所選值合適。

傳熱面積計算

各設(shè)備傳熱面積計算見表3。表3制冷機(jī)各設(shè)備所需的傳熱面積設(shè)備名稱傳熱系數(shù)(W/m2K)計算公式傳熱外表面積冷凝器4500蒸發(fā)器2300發(fā)生器1300

吸收器1200溶液熱交換器580

4結(jié)構(gòu)計算

設(shè)計太陽能吸收式制冷機(jī)，還要進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。結(jié)構(gòu)計算的內(nèi)容包括：各換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，配管大小，傳熱管的數(shù)量，工作介質(zhì)在系統(tǒng)中的流速，阻力損失，主要零部件強(qiáng)度剛度和溫差熱力計算以及溴化鋰溶液需要量的估算等。

各換熱設(shè)備傳熱管數(shù)n的計算

根據(jù)求得的傳熱面積用下式確定傳熱管數(shù)

式中：——換熱設(shè)備所需總管子數(shù)；

——換熱設(shè)備傳熱面積；

——傳熱管的有效長度(m)；

——傳熱管外徑。

各換熱設(shè)備傳熱管數(shù)計算結(jié)果見表4。表4各換熱設(shè)備傳熱管數(shù)計算設(shè)備傳熱管外徑傳熱管有效長度所需總管子根數(shù)冷凝器4蒸發(fā)器12發(fā)生器12吸收器12溶液熱交換器4

配管尺寸計算

配管尺寸由下式計算

式中：——配管內(nèi)徑；

——配管中介質(zhì)流速。

水在配管中的流速一般為～/s。

由于熱水流量較小，可以取更小值。這里取加熱熱水配管流速/s.則熱水進(jìn)出口配管內(nèi)徑為。

取冷卻水進(jìn)口配管流速/s。計算得配管內(nèi)徑為。

取冷媒水進(jìn)口配管流速1m/s。計算得冷媒水進(jìn)口配管內(nèi)徑為。

5總結(jié)

溴化鋰吸收式制冷機(jī)在不同的熱源溫度下工作。隨著熱水溫度的降低，發(fā)生器溫度和溶液循環(huán)量隨之減少，熱水溫度對制冷量的影響較大，因此存在最適宜的集熱溫度，目前該溫度一般為80～90℃。在設(shè)計時，應(yīng)酌情考慮提高冷媒水出口溫度，降低冷去水進(jìn)出口溫度。優(yōu)化設(shè)計及變工況條件下最佳運行參數(shù)的調(diào)整越來越要求利用計算