新型太陽(yáng)能無(wú)泵雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

1、新型太陽(yáng)能無(wú)泵雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究摘 要本文是有關(guān)新型太陽(yáng)能無(wú)泵雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)使用具有弦月形熱虹吸提升管的第二級(jí)發(fā)生器，相比于傳統(tǒng)吸收制冷系統(tǒng)所需的100攝氏度，熱源所需的最低驅(qū)動(dòng)溫度僅僅為68攝氏度?；谒焦芙的さ姆椒ǎ掌鞯男阅芸梢酝ㄟ^(guò)第二發(fā)生器得到提高，由于在吸收器進(jìn)口和出口濃度差的增加以及吸收器冷凍水進(jìn)口與出口溫度差的增加。相比于第二級(jí)發(fā)生器關(guān)閉的情況，第二級(jí)發(fā)生器的開(kāi)啟使得冷劑水的產(chǎn)量增加了68%。由于增加了冷凍水的溫度降并降低了冷凍水出口溫度，使得蒸發(fā)器的性能顯著提高。這將導(dǎo)致整個(gè)制冷系統(tǒng)的性能的改善。最大性能系數(shù)(COP)將接近0.787。

2、1 引言近年來(lái),許多研究(李。格羅斯曼,2002)進(jìn)行了由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的制冷系統(tǒng),達(dá)到節(jié)約常規(guī)能源,減少環(huán)境污染的成果。盡管多種制冷系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)和研究(洛茲倫特，1993；萊瑞，1995；約戈特，1992；程.帕特，1993),但是一些缺點(diǎn)在傳統(tǒng)吸收制冷系統(tǒng)仍然尚未克服。其中包括系統(tǒng)的復(fù)雜性和高生產(chǎn)成本(包括溶液泵、壓縮機(jī)等),嚴(yán)格要求的供熱質(zhì)量、數(shù)量,和太陽(yáng)能利用的低效率。因?yàn)樘?yáng)能加熱系統(tǒng)需要長(zhǎng)期運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的困難,聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的制冷循環(huán)熱量和電能正在提高。壓縮機(jī)用于維持穩(wěn)定的能源源源不斷地輸入吸收制冷系統(tǒng)(陳。哈瑞,1999),然而這仍然消耗能量。許多系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了高溫(如過(guò)超過(guò)100攝

3、氏度)熱源。許多專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品,比如川崎WFC-S熱水型單效吸收式制冷機(jī)用泡沫泵或機(jī)械溶液泵,可以由熱水從太陽(yáng)能加熱源加熱到70攝氏度到95 攝氏度之間。無(wú)泵吸收制冷系統(tǒng)沒(méi)有溶液泵是有吸引力的,因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)是由低溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)的。更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)配置帶有無(wú)泵吸收制冷系統(tǒng)使得小型系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)應(yīng)用成為可能。因此，本研究的主要目的是提出一種新型緊湊無(wú)泵 (沒(méi)有發(fā)生器泵、蒸發(fā)器泵和吸收泵)冷水機(jī)組并且評(píng)估其性能相比傳統(tǒng)吸收式制冷系統(tǒng)有何特點(diǎn)。其目標(biāo)制冷能力為4千瓦。2 實(shí)驗(yàn)安排21 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)儀器的原理圖1所示。裝置包括：模擬太陽(yáng)能集熱器裝置,半月形的熱虹吸管高度管,氣液分離器,第二級(jí)發(fā)生器,冷凝器,降膜吸收

4、器,降膜蒸發(fā)器、水庫(kù)和熱交換器的解決方案。所有的組件都是由不銹鋼制作除了換熱設(shè)備,這是銅作為制作材料。第二級(jí)發(fā)生器固定在氣液分離器內(nèi)它是由10毫米OD(外徑)的盤(pán)繞銅管道組成的。熱虹吸管高度管有兩個(gè)半月形的管道它有1800毫米長(zhǎng)。每個(gè)通道的高度管是由32毫米外徑的外管和19毫米內(nèi)徑的內(nèi)胎組成。圖2顯示了一個(gè)橫斷面視圖的溶液提升管的一個(gè)半月形的通道的示意圖。模擬太陽(yáng)能收集器的熱水注入內(nèi)部提升管的一部分,外管的直接通道和第二級(jí)發(fā)生器三個(gè)并聯(lián)管路。兩個(gè)流監(jiān)管機(jī)構(gòu)用于調(diào)整體積流量這些管路。在熱水泵的驅(qū)動(dòng)下，熱水通過(guò)高程管在同一方向當(dāng)溴化鋰水溶液流向半月形的通道時(shí)。蒸汽在提升管和氣液分離器中生成,由分離

5、器隔板分開(kāi),然后通過(guò)折流板通道進(jìn)入冷凝器,蒸汽路線有一個(gè)箭頭在圖1中表示。冷凝水在冷凝器中形成并且流入蒸發(fā)器通過(guò)液體流量計(jì)和u形節(jié)流管蒸發(fā)。濃(集中)溶液從氣液分離器內(nèi)流入換熱器內(nèi)并混合,然后流入吸收器吸收蒸汽。因此,溶液就會(huì)被稀釋成為稀溶液。這種溶液流入溶液熱交換器通過(guò)來(lái)自氣液分離器的濃溶液被加熱。圖1 無(wú)泵溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)原理圖 圖2 半月形升高管的原理圖蒸發(fā)器與吸收器組裝在一個(gè)單元內(nèi)(見(jiàn)圖3)。吸收器在單元的內(nèi)部但是在蒸發(fā)器在單元的外部。滴淋盤(pán)(見(jiàn)圖3 b)被固定在蒸發(fā)器和吸收器的頂部。垂直方向上的孔2 - 3毫米大小，而面對(duì)的水平盤(pán)管包裹的的不銹鋼網(wǎng)篩則有10網(wǎng)格/英寸。孔均勻分布

6、在兩個(gè)同心圓內(nèi),用于噴淋濃溶液到吸收器的盤(pán)管的外表面,而小孔位于一個(gè)圈外用于噴冷凝水到蒸發(fā)器的盤(pán)管的外表面。因此,冷凝水或濃溶液可以定期通過(guò)均勻間隔的水滴孔噴到水平管道上。因此,水盤(pán)碓管表面的液體分布和潤(rùn)濕有很大的影響。兩種溶液的采樣設(shè)備用于測(cè)量在吸收器的進(jìn)口和出口處的溶液濃度。冷卻水在吸收器和冷凝器的流動(dòng)分別來(lái)自?xún)蓚€(gè)輔助恒溫水箱。22 測(cè)試裝置在目前的研究中,高濃度溶液的體積和冷凝水的產(chǎn)量是由兩個(gè)流量計(jì)測(cè)量，其相對(duì)誤差為2%。在這個(gè)系統(tǒng)中低于大氣壓的壓力是由一個(gè)u形汞測(cè)量真空壓力計(jì)測(cè)量的,其壓力最小是1毫米汞(133.29 Pa)。19個(gè)校準(zhǔn)銅=康銅熱電偶用于監(jiān)控在不同的測(cè)量溫度變化點(diǎn)。電信

7、號(hào)從這些熱電偶采集、傳輸和分析了一個(gè)孤立數(shù)字處理單元。由計(jì)算機(jī)直接處理溫度記錄。測(cè)量溫度的精度為±0.1 攝氏度。.玻璃水銀熱電偶是用來(lái)測(cè)量溴化鋰溶液的溫度并確定它的濃度,測(cè)量精度為±0.1攝氏度。波美比重計(jì)的密度誤差為±0.01 g / ml。溶液的濃度可以確定溴化鋰水溶液的相對(duì)密度溫度圖。模擬太陽(yáng)能熱源溫度控制器是一個(gè)電加熱系統(tǒng)。熱水可以獲得一個(gè)穩(wěn)定的溫度,其溫度波動(dòng)只是±0.1攝氏度。圖3 截面：（a）蒸發(fā)器/吸收器結(jié)構(gòu)（b）水盤(pán)結(jié)構(gòu)3. 小型無(wú)泵制冷系統(tǒng)設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)3.1 提升管和二級(jí)發(fā)生器在新月?tīng)畹耐ǖ?單相的溶液在過(guò)冷狀態(tài)首先是在加熱管底部被

8、加熱,然后小蒸汽泡沫開(kāi)始出現(xiàn)在通道壁的表面,特別是在新月?tīng)畹耐ǖ赖募饨堑牡胤?。溶液的過(guò)冷沸騰發(fā)生在這個(gè)過(guò)程。溶液不斷的熱水半月形的通道外被加熱,蒸汽泡沫不斷成長(zhǎng)并與彼此合并,導(dǎo)致泡狀流和彈狀流產(chǎn)生。飽和泡核沸騰發(fā)生在這個(gè)地區(qū)。在經(jīng)過(guò)半月形的通道,溶液和管壁之間的接觸面積增加,并相應(yīng)地增加傳熱系數(shù)。新月?tīng)畹耐ǖ赖募饨堑牡胤綆椭序v核大量增加。因此,蒸汽泡沫低過(guò)熱溶液的形式很容易降低過(guò)熱。溴化鋰溶液被加熱過(guò)程貫穿了整個(gè)管道通過(guò)熱水從半月形的通道兩側(cè)通過(guò)。蒸汽泡沫生成的最早在尖角的地方,迅速離開(kāi)通道壁并正朝著更廣泛的空間流過(guò)對(duì)流半月形的通道。因此,二次流(渦流)形成。與此同時(shí),蒸汽泡沫不斷被壓縮和變

9、形在狹窄的通道的限制下。加熱溶液時(shí)兩相溶液中的氣體含量不斷增加。因此,不同密度之間的兩相溶液的弱解進(jìn)一步增加?？v向流動(dòng)加速,然后由橫向二次流疊加。最后,一個(gè)傳熱通道大大增強(qiáng)了強(qiáng)烈“渦流”效應(yīng)產(chǎn)生。熱水之間的溫差和兩相溶液進(jìn)一步降低)。通過(guò)這種方式,兩相溶液不斷升高到氣液分離器驅(qū)動(dòng)的溫度。當(dāng)兩相溶液進(jìn)一步加熱到熱水的二級(jí)發(fā)生器的真空壓力下時(shí),溶液的濃度進(jìn)一步增加,在冷凝器中蒸發(fā)的數(shù)量也增加。因此, 第二個(gè)發(fā)生器打開(kāi)時(shí)冷凝水的產(chǎn)量比關(guān)閉時(shí)更多。3.2 降膜蒸發(fā)/吸收一般來(lái)說(shuō),有三個(gè)因素影響降膜蒸發(fā)器和吸收器的性能。第一個(gè)是液膜的厚度。蒸氣分子也應(yīng)該足夠使得薄液膜蒸發(fā)或有效吸收。第二個(gè)是液膜在盤(pán)管的

10、表面的時(shí)間。足夠長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)于許多蒸汽分子而言可以有效生成或吸收。第三是蒸發(fā)器和吸收器之間的壓差。在最優(yōu)的壓差下, 在蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽可以立即在吸收器吸收?；谶@三個(gè)因素,一個(gè)新的蒸發(fā)器/吸收器結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來(lái)。本研究中使用的機(jī)制是基于水平管降膜理論(加尼奇,1980;考卡莫斯 塔否格勒瑞和陳,1980)。蒸發(fā)和吸收可以被蒸汽橫向氣流影響,這將抵消液滴。液膜下落的方法是落在水平管,而不是垂直管,用該系統(tǒng)的動(dòng)能增加液膜的潤(rùn)濕率或傳質(zhì)熱表面。線圈在吸收器和蒸發(fā)器管道用篩網(wǎng)獲得更多的液膜。液膜的厚度與網(wǎng)格大小密切相關(guān)。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量相對(duì)較大,液膜變厚;當(dāng)網(wǎng)格的數(shù)量相對(duì)較少,液膜變薄。然而,如果網(wǎng)格數(shù)量太小,

11、 由于液膜的表面張力增加，膜內(nèi)的液體不能停留在盤(pán)管表面足夠長(zhǎng)的時(shí)間。如果液膜太厚,耐傳熱傳質(zhì)將會(huì)增加。因此,篩網(wǎng)尺寸應(yīng)該選擇可以過(guò)得合適的液膜厚度,并允許液體表面保持更長(zhǎng)時(shí)間的盤(pán)管。因此, 液膜應(yīng)該立即附在表面并且流在水平管以提高熱量由于表面的潤(rùn)濕率的增加。降膜蒸發(fā)過(guò)程中,冷凝水被噴在冷凝管的外表面以降膜蒸發(fā)的形式蒸發(fā)。當(dāng)冷凝水蒸發(fā)時(shí),傳熱過(guò)程占主導(dǎo)地位。在傳熱過(guò)程中,水分子逃離了液膜(盤(pán)管表面),改變了氣相。蒸氣分子首先進(jìn)入飽和氣相邊界接口,與液膜表面具有相同的溫度。當(dāng)蒸汽在這個(gè)邊界界面的分壓高于周?chē)恼羝麜r(shí),飽和氣相邊界接口的蒸汽分子將擴(kuò)散到周?chē)恼羝?。同時(shí),水分子在液膜表面將不斷逃離到飽

12、和氣相邊界接口。因此,蒸發(fā)過(guò)程連續(xù)。由于蒸發(fā)蒸汽分子的數(shù)量的增加,蒸汽溫度和蒸發(fā)壓力會(huì)隨著傳熱過(guò)程的進(jìn)行逐漸上升。使傳熱過(guò)程連續(xù),蒸發(fā)器的蒸汽必須使吸收器/蒸發(fā)器壓力保持在正確的范圍。因此,蒸發(fā)過(guò)程和吸收過(guò)程應(yīng)該是耦合的。產(chǎn)生的制冷效果是由于冷凍水在盤(pán)管蒸發(fā)器內(nèi)流動(dòng)使溫度下降。吸收熱量過(guò)程和質(zhì)量傳遞過(guò)程共存,因?yàn)樗麄兪邱詈系?。在蒸汽被溶液液膜表面吸收?溴化鋰水溶液稀釋。在這個(gè)過(guò)程中,吸收的熱量被在水平管內(nèi)向上流動(dòng)的水吸收。質(zhì)量傳遞是由于被吸收的物質(zhì)壓力之間的差異和吸收劑的蒸氣壓在給定的溫度和濃度不同。由于溫度下降和溴化鋰溶液濃度的增加，吸收劑的蒸氣壓在蒸發(fā)器溶液界面減少。周?chē)恼羝謮狠^低冷

13、卻管應(yīng)保持讓傳質(zhì)過(guò)程連續(xù)(格羅斯曼,1983;金,1995;鄧和馬,1999;里維拉和席克麗,2001)。當(dāng)來(lái)自水平管的液膜流到另一個(gè)它下面,根據(jù)增加流量,流量可能以液滴的形式,循環(huán)噴射或連續(xù)的噴射。這些降膜模式在傳熱傳質(zhì)中起著重要的作用 (羅伯特斯基和雅可比,2005)。4. 討論4.1 系統(tǒng)性能為了評(píng)估新型無(wú)泵吸收制冷系統(tǒng)的性能,性能系數(shù)(COP)被定義為：COP = Q0/（Qg+W）式中，Q0為制冷能力,Qg為熱輸入(帶有第二級(jí)發(fā)生器半月形的熱虹吸管高度管的熱負(fù)荷)，W是熱水泵、冷卻水泵和冷水泵消耗的總電能。Q0和Qg表示為：Q0=cp.0G0t1Qg=cp.h（Ght2+Ght2）式

14、中，G0,Gh和Gh0冷凍水,上升管熱水和在二級(jí)發(fā)生器的熱水的熱量。這里,cp.0和cp.h是恒壓比熱的冷水和熱水,Dt1蒸發(fā)器的進(jìn)口和出口之間冷凍水的溫差,Dt2是高程的熱水管的內(nèi)胎和連續(xù)加熱套進(jìn)口和出口之間的溫差,Dt20熱水在二級(jí)發(fā)生器進(jìn)口和出口之間的溫差。在這項(xiàng)研究中,隨機(jī)誤差測(cè)量結(jié)果不確定度估計(jì)在95%，置信區(qū)間在7.3%,該方法被科爾曼和斯蒂爾所描述(1999)。表1給出了計(jì)算結(jié)果,Q0 Qg和性能系數(shù)作為一個(gè)功能不同的熱水和冷水的溫度下相同的質(zhì)量流率G0 = 0.266kg/ s,Gh = 0.220kg/ s和Gh0 = 0.079kg/ s,W = 1.75kw。Q0和Qg的

15、最大值在所有的實(shí)驗(yàn)都是4.976千瓦和5.042千瓦。表2給出了二級(jí)發(fā)生器開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)制冷機(jī)的性能。這種性能受到幾個(gè)因素的影響,如吸收率,濃度差,冷凝的收益率,各種冷凍容量和性能系數(shù)。 表1 不同實(shí)驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)表2 對(duì)比二級(jí)發(fā)生器開(kāi)關(guān)時(shí)的參數(shù)4.2 熱源溫度分析圖4表明,濃溶液的氣液分離器出口溫度隨進(jìn)口溫度的熱水溫度變化而變化。二級(jí)發(fā)生器用于系統(tǒng)時(shí),氣液分離器出口的濃溶液溫度高于二級(jí)發(fā)生器關(guān)閉時(shí)的溫度,因?yàn)橛袩崴訜岫?jí)發(fā)生器。也表示,供應(yīng)熱水的溫度可以降低因?yàn)槎?jí)發(fā)生器傳熱氣液分離器濃溶液有相同的出口溫度。圖5顯示了COP和制冷能力Q0作為熱水溫度的函數(shù)。顯然,COP和制冷能力顯示預(yù)期的行

16、為特征:他們逐漸在低溫段增加熱水溫度。隨著熱水溫度的進(jìn)一步提高，COP略有減少。COP和制冷能力往往只是略高于周?chē)呐艧釡囟?。圖4 在有無(wú)二級(jí)發(fā)生器時(shí)熱水出口溫度和濃溶液出口溫度的比較曲線圖5 熱水溫度對(duì)制冷能力和COP的影響4.3 吸收器/蒸發(fā)器性能分析圖6表明進(jìn)口和出口之間的冷卻水溫差的吸收隨吸收器濃溶液入口溫度的變化。冷卻水的溫度增加而增加進(jìn)口溶液質(zhì)量流率時(shí)溫度和冷卻水的進(jìn)口溫度維持在穩(wěn)定的條件下。這表明吸收器的傳熱過(guò)程可以增強(qiáng)降膜吸收性能?？赡苡捎谶@一事實(shí)，傳熱速率增加是由于冷卻水和濃溶液溫差的增加。因此,冷卻水的溫度上升時(shí),應(yīng)使其質(zhì)量率保持不變。為了對(duì)吸收器性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，傳質(zhì)方程（吸

17、收）應(yīng)遵從以下公式Ga=KgAt（Pa-Pa）式中，Ga是制冷劑吸收劑吸收的總重量,Kg是吸收系數(shù),A是接觸區(qū)域(傳熱面積),t是接觸時(shí)間,(pa是吸收器的蒸汽壓力，pa是溴化鋰溶液表面的平衡水汽壓定義，根據(jù)拉烏爾定律:Pa=P0H2OxH2O=P0H2O(1-xLiBr)其中p0H2O是飽和蒸汽壓力,隨蒸發(fā)溫度降低而降低,xLiBr是溴化鋰的摩爾分?jǐn)?shù)。傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)潛在增加進(jìn)口溴化鋰溶液的濃度，也降低濃溶液進(jìn)氣溫度。如圖7所示,吸收速度增加降低了吸收器濃溶液進(jìn)口溫度。這表明吸收器制冷劑的流量增加,吸收效果增強(qiáng)。圖6 吸收器冷水溫度隨濃溶液進(jìn)口溫度的變化圖7 吸收率隨濃溶液進(jìn)口溫度變化的影響圖8顯示

18、了隨冷凍水的溫度下降,蒸發(fā)器冷凝水入口溫度的三種不同的冷凍水的質(zhì)量流率。冷凍水的溫度下降可以制冷能力，當(dāng)一定質(zhì)量流率時(shí)，冷凍水和冷卻水的進(jìn)口溫度是穩(wěn)定的。也看到,制冷能力隨冷凝溫度的增加。冷凝水流入蒸發(fā)器,越多的汽化潛熱被冷凝水吸收。因此,制冷能力也增加。圖8 冷凍水溫度下降隨蒸發(fā)器冷凝水入口溫度的變化4.4 壓差和初始溶液濃度的影響二級(jí)發(fā)生器也可以用來(lái)調(diào)節(jié)電容器的真空壓力。通過(guò)監(jiān)測(cè)流量或在二級(jí)發(fā)生器熱水的溫度，可以調(diào)節(jié)冷凝器和蒸發(fā)器之間的壓力差異。圖9顯示,冷凝壓力的增加會(huì)減少的濃溶液體積流率。在不同冷凝壓力測(cè)量升高溶液的體積流率。操作條件如下:熱水的入口溫度是84度,質(zhì)量流率的高程的熱水管是2.2-10.1kg/ s,二級(jí)發(fā)生器的熱水質(zhì)量流率是7.9-10. 2kg/ s.圖9 溶液體積流率和冷凝壓力之間的聯(lián)系如表3所示,濃溶液體積流率的增加,降低稀溶液進(jìn)氣濃度。建議的最佳濃度為50%。相對(duì)較高的濃度時(shí),溶液的粘滯阻力增加。因此,很難提升溶液。如果濃度相對(duì)較低,產(chǎn)生的濃溶液濃度較低,因此,吸收效果會(huì)