【正文】 20xx 年 2 月 28 日，國家主席胡錦濤宣布了《中華人民共和國可再生能源法（草案）》于 20xx 年 1 月 1 日起正式實施。我國太陽能資源儲備豐富，太陽光輻射到地面的光照強度最高可達 800MW/s，如果將 %輻射到地面的太陽能按 5%的轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換為電能，我國每年的發(fā)電標煤耗將降低 17000 億噸。因此，使用新型制冷劑和使用非常規(guī)中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 2 能源提供動力已成為空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能減排工作的關(guān)鍵。 1997 年，美國宣布稱，至 20xx 年以太陽能為主的可再生能源要發(fā)展到占全國能源構(gòu)成的20%；日本制定 “陽光計劃 ”，加大對太陽能利用技術(shù)的研發(fā)；歐洲某些國家建成了許多太陽能利用研究實驗基地，發(fā)展太陽能工業(yè)； 1970 年，我國開始對太陽能利用器件研究，將太陽能利用列入國家計劃行列。 （ 2）太陽能發(fā)電 未來太陽能大規(guī)模利用主要用來發(fā)電，包括光 熱 電轉(zhuǎn)換和光 電轉(zhuǎn)換兩種，前者一般利用太陽能集熱器吸收熱量再加熱水形成蒸汽推動汽輪發(fā)電機發(fā)電。這兩種物質(zhì)在同一壓力下有不同的沸點，其中沸點較高的為吸收劑，沸點較低的為制冷劑。但氨有刺激性臭味，對人體有害，而且系統(tǒng)熱力系數(shù)較低，裝置復(fù)雜，體積龐大，金屬和冷卻水的消耗量較大，除工藝過程之外，一般很少應(yīng)用，主要應(yīng)用于化工行業(yè)。 吸收式制冷分類 氨 水吸收式制冷 氨 水吸收式制冷利用熱能作為補償并利用溶液的特性來完成制冷循環(huán)。 溴化鋰吸收式制冷 在溴化鋰吸收式制冷中，水作為制冷劑，溴化鋰作為吸收劑。 吸收式制冷發(fā)展歷史 吸收式制冷技術(shù)的發(fā)展已有 200 多年歷史，早在 18 世紀，人類就開始利用吸收式制冷來獲取冰塊。 1935 年，美國推出單元空調(diào)機，實現(xiàn)了吸收式制冷機小型化與家庭化。 20 世紀60 年代，我國也開始致力于吸收式制冷技術(shù)研究，經(jīng)過將近半個世紀的努力，我國在這方面技術(shù)水平也處于世界前列，并成為溴化鋰中央空調(diào)產(chǎn)量最大的國家。 O. Marc 和 Jean Philippe Praene 等先后報道了一個中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 5 安裝在南半球熱帶留尼汪島上圣皮埃爾大學(xué)里的 30kW 的太陽能單效溴化鋰吸收式制冷機 [5]。 20xx 年的測試試驗中因為三月份的太陽輻射較強， COP近 。 設(shè)計并安裝了位于西班牙南部的阿爾梅里亞大學(xué)太陽能研究中心的太陽能輔助空調(diào)系統(tǒng) ,其太陽能集熱器是并聯(lián)安裝的平板型集熱器，在蓄熱水箱和制冷機之間串聯(lián)安裝了 100kW 的輔助加熱器，該制冷機額定制冷量為 70kW，該制冷機 COP 超過 。發(fā)現(xiàn)使用超聲強化可有效提高太陽能驅(qū)動的溴化鋰吸收式制冷機的制冷效率，降低制冷系統(tǒng)所需最低驅(qū)動熱源溫度，且不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行 [10]。 第二，整個制冷機組除功率較小的屏蔽泵外，沒有其他運動部件，振動小、噪聲低，運行比較安靜，特別適用于醫(yī)院、辦公大樓、家庭等場合。安裝時只需作一般校平，接上汽、水管道和電源便可。 溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的局限性 第一，在有空氣的情況下，溴化鋰溶液對普通碳鋼有較強的腐蝕性，這不僅影響機組的壽命，并影響機組的性能和正常運行。 第三，由于直接利用熱能，機組的排熱負荷較大，對冷卻水的水質(zhì)要求也較高。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 7 利用熱力學(xué)基本原理對系統(tǒng)的性能指標：熱力系數(shù)、熱力完善度、熱源單耗進行分析計算。溴化鋰晶體極易溶于水，因為水沸點與溴化鋰晶體沸點相差很大，所以溴化鋰水溶液在沸騰時產(chǎn)生的蒸汽均為水蒸汽。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 10 各狀態(tài)點參數(shù)選擇與計算 給定參數(shù)選擇 表 常見給定參數(shù)與確定原則 參數(shù) 確定原則 制冷量 根據(jù)用戶需求設(shè)定所需制冷量 冷卻水進口溫度 通常設(shè)置為 32℃，也可根據(jù)特殊要求設(shè)定 加熱熱源參數(shù) 對于單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)通常選用表壓為 的飽和蒸汽或溫度高于 85℃的熱水 （ 1）系統(tǒng)制冷量 Q 系統(tǒng)設(shè)定制冷量 Q=7kW （ 2） 蒸發(fā)器出口冷風溫度 出口冷風溫度根據(jù)用戶要求選定，本設(shè)計綜合考慮用戶要求以及制冷溫度富裕量，選取冷間空氣溫度為 。 序號 名稱 狀態(tài)點 溫度 ℃ 壓力 Pa 濃度 % 焓值 kJ/kg 1 蒸發(fā)器中冷劑水 1 14 1597 0 2 蒸發(fā)器中冷劑蒸汽 1′ 14 1597 0 3 吸收器出口稀溶液 2 43 / 4 冷凝器中冷劑水 3 43 8639 0 5 冷凝器中冷劑蒸汽 3′ 43 8639 0 6 發(fā)生器出口濃溶液 4 75 / 7 吸收器進口濃溶液 6 / / / 8 溶液熱 交換器出口稀溶液 7 57 / 9 溶液熱 交換器出口濃溶液 8 58 / 10 發(fā)生器內(nèi)沸騰溶液 5 / / / 11 吸收器中噴淋溶液 9 46 / 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 16 圖 蒸發(fā)器熱量平衡圖 根據(jù)熱平衡方程： kJ/kg （ 2）冷凝器單位熱負荷 如圖 所示， 發(fā)生器內(nèi)發(fā)生 狀態(tài)為 的冷劑蒸汽量 D，比焓 ，經(jīng)過冷 凝器內(nèi)的冷卻水冷 卻后凝結(jié)為冷劑水，冷卻所帶走的熱量 。 圖 吸收器熱量平衡圖 根據(jù)熱平衡方程： （ 5）溶液熱交換器單位熱負荷 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 19 圖 溶液熱交換器熱量平衡圖 如圖 所示，忽略溶液熱交換器換熱過程中存在的熱量損耗，依據(jù)熱量平衡關(guān)系式： 溶 液 熱 交 換 器 的 熱 負 荷 為 ， 則 熱 負 荷 為 ： 熱平衡相對誤差計算 若忽略機組泵消耗功率的影響，以及機組與外界環(huán)境熱損失的影響，將整個機組視為一個熱力系統(tǒng)，則發(fā)生器和蒸發(fā)器是從外界吸收熱量分別為 和 ，冷凝器與吸收器中冷卻水所吸收的熱量分別為 和 。 在一定條件下，熱力系數(shù)值越大，則表明該制冷循環(huán)系統(tǒng)的經(jīng)濟性越高。 ， 熱力完善度 : 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 21 熱源單耗 對于用熱水熱量來作為熱源的溴化 鋰吸收式制冷系統(tǒng)，經(jīng)常用熱水單耗 來衡量制冷系統(tǒng)運行的性能指標。℃ )， 為存在熱量損失的修正系數(shù)， （ 2）蒸發(fā) 器出口冷風流量 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 22 物性參數(shù) , kJ/(kg平板集熱器吸熱板上一般覆蓋有深色的選擇性吸收涂層；一般使用平板玻璃作為透明蓋板覆蓋流體布置方式 a b 應(yīng)用范圍 逆流 / 順流 / 叉流 兩流體都為交叉流動 一流體為交叉流動 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 24 吸熱板，從而保護吸熱板以及阻止吸熱板溫度升高后向周圍環(huán)境散熱。這種改進形式的太陽能集熱器，管內(nèi)不再走水， 不會發(fā)生因一只管破損而影響整個系統(tǒng)運行的情況，運行可靠性大大提高。取徐州地區(qū)夏季的平 均 太 陽 輻 射 強度 ，考慮到管道熱損失的影響，取富裕量即平均加熱水溫 90℃ ，環(huán)境溫度 ℃ 。選用鹽城新奧源不銹鋼水箱廠生產(chǎn)的型號為 OL7 的不銹鋼保溫水箱，具體參數(shù)為：容積 7T，內(nèi)徑 2m，外徑 ，高度 。 發(fā)生器設(shè)計為固定管板式管殼式換熱器，銅管與管板的連接選用貼脹加密封焊技術(shù)，使用這種工藝可以有效的保證其密封性能。 殼體內(nèi)徑 式中： 考慮到溴化鋰溶液走殼程，溶液在加熱過程中會汽化出大量水蒸汽，所以實際殼體內(nèi)徑預(yù)留 20%的冗余長度。本設(shè)計選用弓形折流板，設(shè)計規(guī)范中指明弓形切口最佳大小一般為 20%，弓形切口過大或者過小都會降低管束的換熱性能；實際工程應(yīng)用中折流板之間的距離為 40%50%的殼體內(nèi)徑最優(yōu)；中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 29 各弓形折流板相互呈 180176。 ℃ 考慮到套管 式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡單，價格便宜，本設(shè)計選用套管式 換熱器作為冷凝器，內(nèi)管為 ?32，外管為 ?382mm 的無縫鋼管，內(nèi)管走冷卻水，外管走制冷劑。其結(jié)構(gòu)緊湊，使用與維護都比較方便。 盤管一圈周長約為 ，管子約盤繞 8 圈 蒸發(fā)器的設(shè)計 換熱量 , 冷 風 進 口 的 溫度 ℃ ，冷風出口溫度℃ ，冷風流量 ,水的蒸發(fā)溫度 ℃ ，變?yōu)?14℃ 的飽和水蒸汽。本設(shè)計中弓形切口率選 20%，對應(yīng)的弧度為 ；折流板之間的距離為 50%殼體內(nèi)徑，即 ；根據(jù) GB1511999 中規(guī)定，折流板厚度選 3mm。管殼式換熱器設(shè)計規(guī)范還指出，單根管道長度與殼體直徑之比要在 320之間，該設(shè)計滿足設(shè)計規(guī)范要求。）排列，此種排列方法結(jié)構(gòu)緊湊，易于清洗 [12]。 發(fā)生器的設(shè)計 換熱量 , 熱水的進口溫度 ℃ ，熱水的出口溫度℃ ，發(fā)生器中濃溶液的出口溫度 ℃ ，稀溶液的進口溫度℃ ，加熱熱水的流量 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 26 溫差修正系數(shù) 的值取決于兩個無量綱參數(shù) P 及 R，可定義為： 式中下標 2 表示殼側(cè)和管側(cè)，上標 “ 〞 ”和 “ ′ ”表示進口和出口。太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水將流進蓄熱水箱，再經(jīng)過蓄熱水箱將熱水供給發(fā)生器。徐州地區(qū)緯度為 176。但是其管內(nèi)走水，在運行過程中一只管破損將使整個系統(tǒng)停止工作。℃ ) = = m3/h 其中吸收器冷卻水流量 m3/h 冷凝器冷卻水流量 m3/h （ 4）發(fā)生泵流量 發(fā)生泵的流量為溴化鋰稀溶液的循環(huán)量，根據(jù) ， ℃ ，查得 kg/m3 （ 5）吸收泵流量 制冷系統(tǒng)為了強化內(nèi)部吸收作用使用吸收泵加壓經(jīng)噴嘴霧化噴淋，吸收泵的流量受再循環(huán)量影響。 溴化鋰機組的熱源單耗越低，說明機組運行時所需的熱水越少，機組的經(jīng)濟性越好。 對于溴化鋰吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)，在理想狀態(tài)下，即理論循環(huán)，忽略了制冷機組制冷工質(zhì)對在狀態(tài)變化過程中產(chǎn)生的摩擦，散熱及過程進行不徹底等損失，但工質(zhì)對在節(jié)流、絕熱吸收、閃發(fā)過程都是不可逆的，存在不可逆損失；在發(fā)生器、吸收器等內(nèi)部，溶液溫度上升或者下降過程存在著不同程度的傳熱溫差，存在傳熱過程的不可逆，所以溴化鋰 吸收式 制 冷循環(huán)是不可逆的，機組的熱力系數(shù)小于卡諾循環(huán)熱力系數(shù)。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 20 性能指標計算 熱力系數(shù) 溴化鋰吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)向環(huán)境釋放的冷量與系統(tǒng)所需要吸收的熱量之比，稱之為熱力系數(shù)，即性能系數(shù) COP。發(fā)生器出口的溴化鋰濃溶液的量為 ,濃度 ，比焓 。 （ 4）冷凝器冷卻水和吸收器冷卻水入口溫度 取 （冷凝器和吸收器冷卻水采用并聯(lián)聯(lián)結(jié)方式） 選取參數(shù)確定 表 常見選取參數(shù)與確定原則 參數(shù) 確定原則 蒸發(fā)溫度 蒸發(fā)器溫度通常較冷間空氣的出口溫度低 蒸發(fā)壓力 蒸發(fā)壓力是和蒸發(fā)溫度所對應(yīng)的飽和水蒸汽壓力，可由相應(yīng)的計算公式計算，也可由相對應(yīng)的物性參數(shù)圖表查得 吸收器壓力 通常為較蒸發(fā)壓力低 （ ） 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 11 吸收器中冷卻水與冷凝器中冷卻水出口溫度 對于單效吸收式制冷機組而言，冷卻水總溫升通常為； 吸收器和冷凝器的熱負荷之比，單效機組通常為，當采用并聯(lián)冷卻方式運行時，吸收器中的冷卻水與冷凝器中的冷卻水溫升大致相同 冷凝溫度 通常較冷凝器中的冷卻水出口溫度高 冷凝壓力 為冷凝器中的冷凝溫度所對應(yīng)的飽和水蒸汽壓力，可由相應(yīng)的計算公式計算，也可由相應(yīng)的物性參數(shù)圖表查得 發(fā)生壓力 近似為冷凝壓力 吸收器出口溴化鋰稀溶液濃度 由吸收器內(nèi)的壓力和溴化鋰稀溶液的出口溫度所共同確定，溴化鋰稀溶液的出口溫度通常比吸收器中冷卻水的出口溫度高 ，通常的濃度范圍為 發(fā)生器出口溴化鋰濃溶液濃度 由發(fā)生器內(nèi)的壓力和溴化鋰濃溶液的出口溫度所共同確定，溴化鋰濃溶液的出口溫度通常比熱源溫度低，也可根據(jù)吸收器出口稀溶液濃度和循環(huán)系統(tǒng)的放汽范圍確定 單效制冷機組的溶液熱交換器溫度 通常比吸收器中溴化鋰稀溶液出口溫度高 （ 1）蒸發(fā)溫度 取 ， 為冷間空氣溫度和制冷劑的蒸發(fā)溫度之差，一般為 查飽和水和飽和水蒸汽圖，可知 （ 2）吸收器壓力 取 ， 為蒸發(fā)壓力和吸收器壓力之差 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 12 （ 3）冷凝器中冷卻水的出口溫度 取 ， 為冷凝器中冷卻水總溫升 （ 4）吸收器中冷卻水的出口溫度 吸收器中冷卻水出口與冷凝器中冷卻水出口并聯(lián) （ 5）冷凝溫度 取 ， 為冷凝溫度和冷凝器中冷卻水出口溫度差 （ 6）發(fā)生壓力 查飽和