新型太陽能無泵雙效溴化鋰吸收式制冷機的實驗研究

1、新型太陽能無泵雙效溴化鋰吸收式制冷機的實驗研究摘 要本文是有關(guān)新型太陽能無泵雙效溴化鋰吸收式制冷機的實驗研究。通過使用具有弦月形熱虹吸提升管的第二級發(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)動溫度僅僅為68攝氏度?；谒焦芙的さ姆椒?，吸收器的性能可以通過第二發(fā)生器得到提高，由于在吸收器進口和出口濃度差的增加以及吸收器冷凍水進口與出口溫度差的增加。相比于第二級發(fā)生器關(guān)閉的情況，第二級發(fā)生器的開啟使得冷劑水的產(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。這將導致整個制冷系統(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,許多研究(李。格羅斯曼,2002)進行了由太陽能驅(qū)動的制冷系統(tǒng),達到節(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)的復雜性和高生產(chǎn)成本(包括溶液泵、壓縮機等),嚴格要求的供熱質(zhì)量、數(shù)量,和太陽能利用的低效率。因為太陽能加熱系統(tǒng)需要長期運行在一個穩(wěn)定狀態(tài)的困難,聯(lián)合驅(qū)動的制冷循環(huán)熱量和電能正在提高。壓縮機用于維持穩(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)開發(fā)了高溫(如過超過100攝

3、氏度)熱源。許多專門開發(fā)的產(chǎn)品,比如川崎WFC-S熱水型單效吸收式制冷機用泡沫泵或機械溶液泵,可以由熱水從太陽能加熱源加熱到70攝氏度到95 攝氏度之間。無泵吸收制冷系統(tǒng)沒有溶液泵是有吸引力的,因為這個系統(tǒng)是由低溫熱源驅(qū)動的。更簡單的系統(tǒng)配置帶有無泵吸收制冷系統(tǒng)使得小型系統(tǒng)為國內(nèi)應用成為可能。因此，本研究的主要目的是提出一種新型緊湊無泵 (沒有發(fā)生器泵、蒸發(fā)器泵和吸收泵)冷水機組并且評估其性能相比傳統(tǒng)吸收式制冷系統(tǒng)有何特點。其目標制冷能力為4千瓦。2 實驗安排21 實驗裝置實驗儀器的原理圖1所示。裝置包括：模擬太陽能集熱器裝置,半月形的熱虹吸管高度管,氣液分離器,第二級發(fā)生器,冷凝器,降膜吸收

4、器,降膜蒸發(fā)器、水庫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備,這是銅作為制作材料。第二級發(fā)生器固定在氣液分離器內(nèi)它是由10毫米OD(外徑)的盤繞銅管道組成的。熱虹吸管高度管有兩個半月形的管道它有1800毫米長。每個通道的高度管是由32毫米外徑的外管和19毫米內(nèi)徑的內(nèi)胎組成。圖2顯示了一個橫斷面視圖的溶液提升管的一個半月形的通道的示意圖。模擬太陽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發(fā)生器三個并聯(lián)管路。兩個流監(jiān)管機構(gòu)用于調(diào)整體積流量這些管路。在熱水泵的驅(qū)動下，熱水通過高程管在同一方向當溴化鋰水溶液流向半月形的通道時。蒸汽在提升管和氣液分離器中生成,由分離

5、器隔板分開,然后通過折流板通道進入冷凝器,蒸汽路線有一個箭頭在圖1中表示。冷凝水在冷凝器中形成并且流入蒸發(fā)器通過液體流量計和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,溶液就會被稀釋成為稀溶液。這種溶液流入溶液熱交換器通過來自氣液分離器的濃溶液被加熱。圖1 無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單元內(nèi)(見圖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(見圖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，而面對的水平盤管包裹的的不銹鋼網(wǎng)篩則有10網(wǎng)格/英寸?？拙鶆蚍植?/p>

6、在兩個同心圓內(nèi),用于噴淋濃溶液到吸收器的盤管的外表面,而小孔位于一個圈外用于噴冷凝水到蒸發(fā)器的盤管的外表面。因此,冷凝水或濃溶液可以定期通過均勻間隔的水滴孔噴到水平管道上。因此,水盤碓管表面的液體分布和潤濕有很大的影響。兩種溶液的采樣設備用于測量在吸收器的進口和出口處的溶液濃度。冷卻水在吸收器和冷凝器的流動分別來自兩個輔助恒溫水箱。22 測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)量是由兩個流量計測量，其相對誤差為2%。在這個系統(tǒng)中低于大氣壓的壓力是由一個u形汞測量真空壓力計測量的,其壓力最小是1毫米汞(133.29 Pa)。19個校準銅=康銅熱電偶用于監(jiān)控在不同的測量溫度變化點。電信

7、號從這些熱電偶采集、傳輸和分析了一個孤立數(shù)字處理單元。由計算機直接處理溫度記錄。測量溫度的精度為±0.1 攝氏度。.玻璃水銀熱電偶是用來測量溴化鋰溶液的溫度并確定它的濃度,測量精度為±0.1攝氏度。波美比重計的密度誤差為±0.01 g / ml。溶液的濃度可以確定溴化鋰水溶液的相對密度溫度圖。模擬太陽能熱源溫度控制器是一個電加熱系統(tǒng)。熱水可以獲得一個穩(wěn)定的溫度,其溫度波動只是±0.1攝氏度。圖3 截面：（a）蒸發(fā)器/吸收器結(jié)構(gòu)（b）水盤結(jié)構(gòu)3. 小型無泵制冷系統(tǒng)設備的關(guān)鍵點3.1 提升管和二級發(fā)生器在新月狀的通道,單相的溶液在過冷狀態(tài)首先是在加熱管底部被

8、加熱,然后小蒸汽泡沫開始出現(xiàn)在通道壁的表面,特別是在新月狀的通道的尖角的地方。溶液的過冷沸騰發(fā)生在這個過程。溶液不斷的熱水半月形的通道外被加熱,蒸汽泡沫不斷成長并與彼此合并,導致泡狀流和彈狀流產(chǎn)生。飽和泡核沸騰發(fā)生在這個地區(qū)。在經(jīng)過半月形的通道,溶液和管壁之間的接觸面積增加,并相應地增加傳熱系數(shù)。新月狀的通道的尖角的地方幫助沸騰核大量增加。因此,蒸汽泡沫低過熱溶液的形式很容易降低過熱。溴化鋰溶液被加熱過程貫穿了整個管道通過熱水從半月形的通道兩側(cè)通過。蒸汽泡沫生成的最早在尖角的地方,迅速離開通道壁并正朝著更廣泛的空間流過對流半月形的通道。因此,二次流(渦流)形成。與此同時,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一步增加。縱向流動加速,然后由橫向二次流疊加。最后,一個傳熱通道大大增強了強烈“渦流”效應產(chǎn)生。熱水之間的溫差和兩相溶液進一步降低)。通過這種方式,兩相溶液不斷升高到氣液分離器驅(qū)動的溫度。當兩相溶液進一步加熱到熱水的二級發(fā)生器的真空壓力下時,溶液的濃度進一步增加,在冷凝器中蒸發(fā)的數(shù)量也增加。因此, 第二個發(fā)生器打開時冷凝水的產(chǎn)量比關(guān)閉時更多。3.2 降膜蒸發(fā)/吸收一般來說,有三個因素影響降膜蒸發(fā)器和吸收器的性能。第一個是液膜的厚度。蒸氣分子也應該足夠使得薄液膜蒸發(fā)或有效吸收。第二個是液膜在盤管的

10、表面的時間。足夠長的時間對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@三個因素,一個新的蒸發(fā)器/吸收器結(jié)構(gòu)被設計出來。本研究中使用的機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)的動能增加液膜的潤濕率或傳質(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)。當網(wǎng)格數(shù)量相對較大,液膜變厚;當網(wǎng)格的數(shù)量相對較少,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管表面足夠長的時間。如果液膜太厚,耐傳熱傳質(zhì)將會增加。因此,篩網(wǎng)尺寸應該選擇可以過得合適的液膜厚度,并允許液體表面保持更長時間的盤管。因此, 液膜應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濕率的增加。降膜蒸發(fā)過程中,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)。當冷凝水蒸發(fā)時,傳熱過程占主導地位。在傳熱過程中,水分子逃離了液膜(盤管表面),改變了氣相。蒸氣分子首先進入飽和氣相邊界接口,與液膜表面具有相同的溫度。當蒸汽在這個邊界界面的分壓高于周圍的蒸汽時,飽和氣相邊界接口的蒸汽分子將擴散到周圍的蒸汽。同時,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)壓力會隨著傳熱過程的進行逐漸上升。使傳熱過程連續(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)過程和吸收過程應該是耦合的。產(chǎn)生的制冷效果是由于冷凍水在盤管蒸發(fā)器內(nèi)流動使溫度下降。吸收熱量過程和質(zhì)量傳遞過程共存,因為他們是耦合的。在蒸汽被溶液液膜表面吸收后,溴化鋰水溶液稀釋。在這個過程中,吸收的熱量被在水平管內(nèi)向上流動的水吸收。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。周圍的蒸汽分壓較低冷

13、卻管應保持讓傳質(zhì)過程連續(xù)(格羅斯曼,1983;金,1995;鄧和馬,1999;里維拉和席克麗,2001)。當來自水平管的液膜流到另一個它下面,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)性能為了評估新型無泵吸收制冷系統(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(帶有第二級發(fā)生器半月形的熱虹吸管高度管的熱負荷)，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)加熱套進口和出口之間的溫差,Dt20熱水在二級發(fā)生器進口和出口之間的溫差。在這項研究中,隨機誤差測量結(jié)果不確定度估計在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給出了計算結(jié)果,Q0 Qg和性能系數(shù)作為一個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、最大值在所有的實驗都是4.976千瓦和5.042千瓦。表2給出了二級發(fā)生器開啟和關(guān)閉時制冷機的性能。這種性能受到幾個因素的影響,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 不同實驗條件下的數(shù)據(jù)表2 對比二級發(fā)生器開關(guān)時的參數(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口溫度的熱水溫度變化而變化。二級發(fā)生器用于系統(tǒng)時,氣液分離器出口的濃溶液溫度高于二級發(fā)生器關(guān)閉時的溫度,因為有熱水加熱二級發(fā)生器。也表示,供應熱水的溫度可以降低因為二級發(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。隨著熱水溫度的進一步提高，COP略有減少。COP和制冷能力往往只是略高于周圍的排熱溫度。圖4 在有無二級發(fā)生器時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口溶液質(zhì)量流率時溫度和冷卻水的進口溫度維持在穩(wěn)定的條件下。這表明吸收器的傳熱過程可以增強降膜吸收性能?？赡苡捎谶@一事實，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,應使其質(zhì)量率保持不變。為了對吸收器性能進行評價，傳質(zhì)方程（吸

17、收）應遵從以下公式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是溴化鋰的摩爾分數(shù)。傳質(zhì)驅(qū)動潛在增加進口溴化鋰溶液的濃度，也降低濃溶液進氣溫度。如圖7所示,吸收速度增加降低了吸收器濃溶液進口溫度。這表明吸收器制冷劑的流量增加,吸收效果增強。圖6 吸收器冷水溫度隨濃溶液進口溫度的變化圖7 吸收率隨濃溶液進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，當一定質(zhì)量流率時，冷凍水和冷卻水的進口溫度是穩(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發(fā)生器也可以用來調(diào)節(jié)電容器的真空壓力。通過監(jiān)測流量或在二級發(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,冷凝壓力的增加會減少的濃溶液體積流率。在不同冷凝壓力測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,降低稀溶液進氣濃度。建議的最佳濃度為50%。相對較高的濃度時,溶液的粘滯阻力增加。因此,很難提升溶液。如果濃度相對較低,產(chǎn)生的濃溶液濃度較低,因此,吸收效果會