太陽能氣泡泵制冷機(jī)管理論文
時間：2022-07-05 03:28:00
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摘要：本文確定了設(shè)計(jì)計(jì)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(diǎn)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)踐基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：太陽能氣泡泵吸收式制冷機(jī)傳熱計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)。
2熱力計(jì)算
設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)：吸收式制冷機(jī)額定制冷量為2.0；經(jīng)蒸發(fā)器的冷凍水進(jìn)口溫度12.0～15.0℃、出口溫度9.0～11.0℃；經(jīng)吸收器或冷凝器的冷卻水進(jìn)口溫度30.0～32.0℃，出口溫度34.0～38.0℃；加熱熱水溫度75.0～90.0℃。
2.1設(shè)計(jì)工況計(jì)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＝29.5℃，冷卻水出口溫度＝34.5℃；加熱熱水進(jìn)口溫度℃，加熱熱水出口溫度℃。
2.2選定設(shè)計(jì)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，取＝80pa，則＝920pa；
③冷凝器和吸收器的冷卻水用并流動方式，冷凝溫度＝38.0℃，冷凝壓力＝5631pa；
④發(fā)生器出口濃溶液溫度＝82.0℃；
⑤吸收器出口稀溶液溫度＝38.0℃；
⑥根據(jù)壓力，和溫度，，在圖上查得：＝56，＝60，可得－＝4.0。
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℃，因此選取＝17℃是可行的。由得
式中，可得kJ/kg，則＝62℃。
2.3各狀態(tài)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)號見圖2。各狀點(diǎn)參數(shù)值見表1。
2.4各換熱設(shè)備的熱負(fù)荷計(jì)算
各換熱設(shè)備的熱負(fù)荷計(jì)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(jì)算得：5471.83kJ/kg，5471.87kJ/kg相差很小，熱平衡。
熱力系數(shù)計(jì)算：
表1各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)表序號
名稱
狀態(tài)點(diǎn)
比焓值（kJ/kg）
溫度（℃）
壓力（Pa）
質(zhì)量分?jǐn)?shù)（％）
1
蒸發(fā)器出口冷劑蒸汽
1’
2933.84
7
1001
2
蒸發(fā)器中冷劑水
1
448.46
7
1001
3
吸收器出口稀溶液
2
255.59
38
920
56
4
冷凝器出口冷劑水
3
578.14
38
5631
5
冷凝器進(jìn)口冷劑蒸汽
3’
2990.40
79
5631
6
發(fā)生器出口濃溶液
4
326.82
82
5631
60
7
發(fā)生器中開始沸騰溶液
5
317.60
72
5631
56
8
吸收器進(jìn)口濃溶液
6
272.35
47
920
60
9
溶液熱交換器出口稀溶液
7
293.65
62
－
56
10
溶液熱交換器出口濃溶液
8
282.83
55
－
60
表2各換熱設(shè)備的熱負(fù)荷計(jì)算表設(shè)備名稱
單位熱負(fù)荷計(jì)算公式
單位熱負(fù)荷（kJ/kg）
熱負(fù)荷計(jì)算公式
熱負(fù)荷值（kw）
發(fā)生器
3116.13
2.65
冷凝器
2412.26
2.05
蒸發(fā)器
2355.70
2.60
吸收器
3059.61
2.00
溶液熱交換器
615.9
0.52
2.5各工作介質(zhì)的流量計(jì)算
2.5.1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：＝＝25.20kJ/kg，考慮15的熱損失裕量，則加熱熱水量＝435.4kg/h
2.5.2冷水量
＝0.35
2.5.3冷卻水量
冷卻水帶走的熱量為：＝4.05kw
冷卻水量為：＝0.697
2.5.4稀溶液循環(huán)量
＝0.028
3傳熱面積計(jì)算
3.1k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(yùn)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。這里取＝1200。對于溶液熱交換器，設(shè)計(jì)流速為0.4～0.5m/s時，傳熱系數(shù)可達(dá)450～580，這里取＝580。
3.2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(jì)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(jì)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(yùn)動粘性系數(shù)，；
——熱水在進(jìn)出口平均溫度下的普朗特?cái)?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(yàn)范圍為0.022～0.035。文中，設(shè)＝2，＝0.015m，＝0.016m，＝0.0001，＝0.00008，紫銅管＝550.94，＝0.676，＝0.353，＝2.13，＝0.028，把上述值代入式（3.2.1）、(3.2.2)、(3.3.3)中可得＝1305，所選值合適。
3.3傳熱面積計(jì)算
各設(shè)備傳熱面積計(jì)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(jì)算公式
傳熱外表面積（）
冷凝器
4500
0.087
蒸發(fā)器
2300
0.268
發(fā)生器
1300
0.476
吸收器
1200
0.237
溶液
熱交換器
580
0.048
4結(jié)構(gòu)計(jì)算
設(shè)計(jì)太陽能吸收式制冷機(jī)，還要進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)算以及溴化鋰溶液需要量的估算等。
4.1各換熱設(shè)備傳熱管數(shù)n的計(jì)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（m）。
各換熱設(shè)備傳熱管數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。
表4各換熱設(shè)備傳熱管數(shù)計(jì)算設(shè)備
傳熱管外徑（m）
傳熱管有效長度（m）
所需總管子根數(shù)
冷凝器
0.016
0.43
4
蒸發(fā)器
0.016
0.44
12
發(fā)生器
0.016
0.80
12
吸收器
0.016
0.40
12
溶液熱交換器
0.010
0.38
4
4.2配管尺寸計(jì)算
配管尺寸由下式計(jì)算：
式中：——配管內(nèi)徑（m）；
——配管中介質(zhì)流速。
水在配管中的流速一般為1.5～3.0m/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1.0m/s.則熱水進(jìn)出口配管內(nèi)徑為0.012m。
取冷卻水進(jìn)口配管流速1.5m/s。計(jì)算得配管內(nèi)徑為0.013m。
取冷媒水進(jìn)口配管流速1m/s。計(jì)算得冷媒水進(jìn)口配管內(nèi)徑為0.011m。
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(jì)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(jì)及變工況條件下最佳運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整越來越要求利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。本文旨在為小型太陽能氣泡泵吸收式制冷機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)和初步的設(shè)計(jì)計(jì)算，對于新機(jī)型的開發(fā)還需要計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算以及更廣大科技人員和廠家的大力合作。
參考文獻(xiàn)
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