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1、小型太阳能气泡泵吸收式制冷机研究 - 暖通论文 摘要： 本文确定了设计 计算 参数下小型太阳能气泡泵吸收式制冷 机制冷循环中各状态点参数，进行了发生器、冷凝器、蒸发器、吸 收器、溶液热交换器的热负荷计算和加热热水、冷水、冷却水、稀 溶液等循环介质的流量计算。进行了发生器、冷凝器、蒸发器、吸 收器、溶液热交换器等换热设备所需的传热面积计算。根据求得的 传热面积确定了各换热设备的传热管数，计算了热水进出口配管、 冷却水进口配管、冷媒水进口配管的内径尺寸，为开发小型吸收式 制冷机提供了一定的 理论 和实践基础。 关键词： 太阳能 气泡泵 吸收式制冷机 传热计算 1 简介 太阳能吸收式空调在我国 目前
2、 应 用 很广泛。它将常规的溴化锂或氨水吸收式空调与太阳能热水相结 合，实现夏季空调、冬季供热或全年供热水功能。虽然吸收式空调 采用溴化锂制冷机方案技术已相对成熟，但系统成本若不能大幅度 降低，推广前景并不乐观。日本矢崎株式会社已商品化生产小型无 泵循环溴化锂制冷机，有制冷量 4000W 到 174000W 系列产品。我 国尚未实现小功率溴化锂制冷机生产，现有的厂家生产成本过高， 功率偏大，同时辅助热源又不可缺少，管理难度大。因此，开发生 产低成本的系列制冷机，如无泵溴化锂制冷机、小型氨水制冷机及 其循环泵等，并实现其商品化生产已成为当务之急。图 1 是小型太 阳能吸收式制冷机组成的太阳能空调
3、和供热系统的原理图。本系统 主要有太阳能集热器、蓄热槽、辅助热源、热水型吸收式制冷机、 冷却塔、空调器和控制系统等组成。 图 1 小型太阳能空调、供热系统太阳能吸收式制冷机的加热热源 是 7595的热水。热水在发生器管中作强制对流换热，加热溶液 产生蒸汽，一般设计成单效。该机无溶液泵与冷剂泵，溶液的循环 靠气泡泵来实现。2 热力计算 设计计算参数：吸收式制冷机额定制 冷量为 2.0 ；经蒸发器的冷冻水进口温度 12.015.0、出口温度 9.011.0；经吸收器或冷凝器的冷却水进口温度 30.032.0， 出口温度 34.038.0；加热热水温度 75.090.0。2.1 设计工况 计算 取冷
4、冻水进口温度 14，冷冻水出口温度 9；冷却水 进口温度 29.5，冷却水出口温度 34.5；加热热水进口温度 ，加热热水出口温度 。2.2 选定设计参数图 2 单效吸收式制冷循环 h- 假定不考虑 的 影响 。 蒸发 温度 7，则蒸发压力 1001pa ； 吸收器压力 ，取 80pa，则 920pa ； 冷凝器和吸收器的冷却水用并流动方式， 冷凝温度 38.0，冷凝压力 5631pa； 发生器出口浓溶液温 度 82.0； 吸收器出口稀溶液温度 38.0； 根据压力 ， 和温度 ， ，在 图上查得： 56 ， 60 ，可得 4.0 。 溶液热交换器出口浓溶液温度 ，取 17，则 55。 由 6
5、0 ，查溴化锂溶液的结晶曲线，其结晶温度 约为 39。 55-3916，因此选取 17是可行的。由 得 式中 ，可得 kJ/kg，则 62。2.3 各状态点参数值 根据上述所选取的参数，可确定制冷循环中各状态点的比焓值以及温度、压力和质量分数。 循环中各状态点号见图 2。各状点参数值见表 1。2.4 各换热设备的 热负荷计算 各换热设备的热负荷计算见表 2。由蒸发器的单位热负 荷 ，可求得冷剂水的循环量： kg/h 热平衡计算得： 5471.83kJ/kg， 5471.87kJ/kg 相差很小，热平衡。热力系数 计算： 表 1 各状态点参数表 序号 名 称 状态点 比焓值（kJ/kg） 温度
6、（） 压力（Pa） 质量分数（） 1 蒸发器出口冷剂蒸汽 1 2933.84 7 1001 0 2 蒸发器中冷剂水 1 448.46 7 1001 0 3 吸收器出口 稀溶液 2 255.59 38 920 56 4 冷凝器出口冷剂水 3 578.14 38 5631 0 5 冷凝器进口冷剂蒸汽 3 2990.40 79 5631 0 6 发生器出口浓溶液 4 326.82 82 5631 60 7 发生器中开始沸腾溶液 5 317.60 72 5631 56 8 吸收器进口浓溶液 6 272.35 47 920 60 9 溶液热交换器出口稀溶液 7 293.65 62 56 10 溶液热交换
7、器出口浓溶液 8 282.83 55 60 表 2 各换热设备的热负荷计算表 设备名称 单位热负荷计算公式 单位热负荷（kJ/kg） 热负荷计算公式 热负荷值（kw） 发生器 3116.13 2.65 冷凝器 2412.26 2.05 蒸发器 2355.70 2.60 吸收器 3059.61 2.00 溶液热交换器 615.9 0.52 2.5 各工作介质的流量计 算 2.5.1 加热热水流量加热水的温度从 86降到 80，则产生单位 冷剂蒸汽的加热量为： 25.20kJ/kg ，考虑 15 的热损失裕量， 则加热热水量 435.4kg/h2.5.2 冷水量0.35 2.5.3 冷却水量冷却水
8、 带走的热量为： 4.05kw 冷却水量为： 0.697 2.5.4 稀溶液循 环量0.028 3 传热面积 计算 3.1 k 值的选取 传热管的材料，除发生器采用不锈钢管外，其余换热设备均采用紫铜管。对于发生器采 用整体轧制低翅片管，其传热系数可以达到 13001600 ，这里取 为 1300 。由于冷凝器的传热系数比较高，在机组中占的空间也较 小，相对而言强化传热的要求就不迫切。采用光管时的传热系数就 可达 41005200 ，本文取 为 4500 。蒸发器采用喷淋形式，因此 喷淋密度，喷淋方式对传热性能有较大的 影响 。以铜管为传热管 的蒸发器，传热系数的值一般在 22002500 之间
9、，这里取 =2300 。对于吸收器采用 目前 国内使用较多的 F 管，也称为斜槽管，在 合适的运行条件及造作参数下，F 管的传热系数可达 1500 ，但是 F 管易出现冷量衰减的情况。这里取 1200 。对于溶液热交换器， 设计流速为 0.40.5m/s 时，传热系数可达 450580 ，这里取 580 。3.2 传热系数校核 传热系数可用下式校核： 式中： 以原管外表面积为基准的传热系数， ；、 管内、外表面换 热系数， ；、 管内、外表面单位面积上的污垢热阻， ；、 圆内、管外径，m；圆管材料的热导系数， 。计算传热系 数的关键在于如何求得圆管内、外两侧的表面换热系数。对于发生 器，以热水
10、为热源，可按下式计算管内对流表面传热系数：式中： 传热管内热水的流速， ；热水在进出口平均温度下的导热 系数， ；热水在进出口平均温度下的运动粘性系数， ； 热水在进出口平均温度下的普朗特数。发生器中溴化锂溶液在管外 沸腾，对于喷淋式发生器，可用下式估算 ：式中 是喷淋密度， ， 试验范围为 0.0220.035 。文中，设 2 ， 0.015m ， 0.016m， 0.0001 ， 0.00008 ，紫铜管 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，所选值合适。3.3 传热面积
11、计算 各 设备传热面积计算见表 3。表 3 制冷机各设备所需的传热面积 设备 名称 传热系数(W/m 2 K) 计 算 公 式 传热外表面积（ ） 冷凝器 4500 0.087 蒸发器 2300 0.268 发生器 1300 0.476 吸收器 1200 0.237 溶液热交换器 580 0.048 4 结构计算 设计太阳能吸收式制 冷机，还要进行结构计算。结构计算的 内容 包括：各换热设备的 结构尺寸，配管大小，传热管的数量，工作介质在系统中的流速， 阻力损失，主要零部件强度刚度和温差热力计算以及溴化锂溶液需 要量的估算等。4.1 各换热设备传热管数 n 的计算 根据求得的传热 面积用下式确
12、定传热管数：式中： 换热设备所需总管子数； 换热设备传热面积 ；传热管的有效长度(m)；传热管外 径（m ） 。各换热设备传热管数计算结果见表 4。表 4 各换热设备传 热管数计算 设备 传热管外径（m） 传热管有效长度（m） 所需总 管子根数 冷凝器 0.016 0.43 4 蒸发器 0.016 0.44 12 发生器 0.016 0.80 12 吸收器 0.016 0.40 12 溶液热交换器 0.010 0.38 4 4.2 配 管尺寸计算 配管尺寸由下式计算：式中： 配管内径（m ） ； 配管中介质流速。水在配管中的流速一般为 1.53.0m/s。由于热 水流量较小，可以取更小值。这里
13、取加热热水配管流速 1.0m/s.则热 水进出口配管内径为 0.012m。取冷却水进口配管流速 1.5m/s。计算 得配管内径为 0.013m。取冷媒水进口配管流速 1m/s。计算得冷媒水进口配管内径为 0.011m。5 总结 溴化锂吸收式制冷机在不同的热 源温度下工作。随着热水温度的降低，发生器温度和溶液循环量随 之减少，热水温度对制冷量的影响较大，因此存在最适宜的集热温 度，目前该温度一般为 8090。在设计时，应酌情考虑提高冷媒 水出口温度，降低冷去水进出口温度。优化设计及变工况条件下最 佳运行参数的调整越来越要求利用计算机进行设计和计算。本文旨 在为小型太阳能气泡泵吸收式制冷机的设计提供一定的 理论 基础 和初步的设计计算，对于新机型的开发还需要计算机的辅助设计和 计算以及更广大 科技 人员和厂家的大力合作。参考 文献 1 戴 永庆主编. 溴化锂吸收式制冷技术及 应用 . 机械 工业 出版社， 1996.10；2 高田秋一著. 耿惠彬，戴永庆，郑玉清译. 吸收式制冷 机. 机械工业出版社，1985.06
