平板傳質(zhì)換熱器應(yīng)用于吸收式制冷系統(tǒng)的性能研究

王 志 孫文哲 陳盼盼 方培明

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平板傳質(zhì)換熱器應(yīng)用于吸收式制冷系統(tǒng)的性能研究

王 志 孫文哲 陳盼盼 方培明

（上海海事大學(xué) 上海 201306）

將平板傳質(zhì)換熱器應(yīng)用到小型雙效吸收式制冷系統(tǒng)中，通過(guò)建立系統(tǒng)中各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定高溫平板傳質(zhì)換熱器和低溫平板傳質(zhì)換熱器相關(guān)參數(shù)，編制Matlab數(shù)值分析程序，計(jì)算了將平板傳質(zhì)換熱器替換系統(tǒng)中熱交換器前后吸收式制冷系統(tǒng)COP。通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，用平板傳質(zhì)換熱器替換系統(tǒng)中原有的高、低溫?zé)峤粨Q器后，系統(tǒng)的COP會(huì)增大，能量的利用更加充分。

平板傳質(zhì)換熱器；吸收式制冷；COP

0 引言

Tf-高溫側(cè)料液溫度；Tm-中間溫度；Tp-低溫側(cè)料液溫度

溴化鋰溶液是一種由溶質(zhì)組分溴化鋰溶于水溶劑形成的無(wú)色透明液體，溴化鋰與冷劑水的沸點(diǎn)相差非常大。在常壓下水的沸點(diǎn)是100℃，溴化鋰的沸點(diǎn)是1265℃，兩者之間相差很大[1]。從圖1平板傳質(zhì)換熱器傳熱傳質(zhì)過(guò)程的分析可知，平板傳質(zhì)換熱器運(yùn)行時(shí)，冷熱料液間進(jìn)行熱量交換的同時(shí)低沸點(diǎn)的水會(huì)在高溫側(cè)蒸發(fā)為水蒸氣，水蒸氣透過(guò)換熱器中膜的膜孔從高溫料液側(cè)進(jìn)入低溫料液側(cè)，并在低溫料液側(cè)膜表面液化，將水的汽化潛熱從高溫料液側(cè)傳遞到低溫料液側(cè)進(jìn)行傳質(zhì)過(guò)程。因此，如果將其應(yīng)用于小型溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)中，高、低溫側(cè)溶液之間可以進(jìn)行傳質(zhì)換熱，相比傳統(tǒng)的金屬換熱器，可以強(qiáng)化傳熱，同時(shí)由于傳質(zhì)作用的存在可以增大系統(tǒng)放氣范圍，提高系統(tǒng)COP。

1 雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的梳理發(fā)現(xiàn)，單效吸收式系統(tǒng)和雙效吸收式系統(tǒng)雖然部件個(gè)數(shù)不同，但是種類基本相同。本文將平板傳質(zhì)換熱器應(yīng)用于雙效吸收式制冷系統(tǒng)中，流程如圖2所示，主要部件有：高溫平板傳質(zhì)換熱器、低溫平板傳質(zhì)換熱器、高壓發(fā)生器、低壓發(fā)生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流元件等。雙效吸收式制冷系統(tǒng)有吸收劑和制冷劑兩種介質(zhì)，溴化鋰溶液是吸收劑，水是制冷劑。

圖2 應(yīng)用平板傳質(zhì)換熱器的雙效溴化鋰吸收式系統(tǒng)流程圖

2 平板傳質(zhì)換熱器及其他部件的數(shù)學(xué)模型

由于本論文設(shè)計(jì)的是利用平板傳質(zhì)換熱器對(duì)雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)中高溫?zé)峤粨Q器和低溫?zé)峤粨Q器進(jìn)行替換后的流程，因此在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，進(jìn)行了以下幾點(diǎn)假設(shè)[2-6]：

（1）用于替換高溫?zé)峤粨Q器和低溫?zé)峤粨Q器的平板傳質(zhì)換熱器的尺寸大小、換熱面積相同且溴化鋰溶液在平板傳質(zhì)換熱器和溶液熱交換器入口處的參數(shù)相同；

（2）系統(tǒng)內(nèi)溴化鋰溶液在各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)處于穩(wěn)態(tài)；

（3）雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)各部分都處于理想的工作狀態(tài)；

（4）忽略系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各部分的熱損失；

（5）進(jìn)入高、低溫平板傳質(zhì)換熱器的溴化鋰溶液流量與進(jìn)入未替換前高、低溫?zé)峤粨Q器的溴化鋰溶液的流量一致；

（6）替換前后溴化鋰溶液在換熱器進(jìn)口處的溶液溫度相同，即高、低壓發(fā)生器中對(duì)應(yīng)溫度的溴化鋰溶液分別進(jìn)入高溫平板傳質(zhì)換熱器和低溫平板傳質(zhì)換熱器的溫度和替換前其分別進(jìn)入高溫?zé)峤粨Q器和低溫?zé)峤粨Q器的溫度相同。

2.1 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

將平板傳質(zhì)換熱器應(yīng)用于雙效吸收式制冷系統(tǒng)后，為了將本系統(tǒng)各個(gè)部分聯(lián)系在一起，利用制冷劑的狀態(tài)參數(shù)（壓力、溫度、蒸發(fā)焓等）和制冷劑的質(zhì)量流量作為傳遞函數(shù)，此時(shí)建立雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)各部件的數(shù)學(xué)模型如下：

（1）建立高壓發(fā)生器（參數(shù)下標(biāo)為）的數(shù)學(xué)模型（下標(biāo)1～5表示節(jié)點(diǎn)）：

（2）建立低壓發(fā)生器（參數(shù)下標(biāo)為）的數(shù)學(xué)模型（下標(biāo)1～9表示節(jié)點(diǎn)）：

（3）建立冷凝器（參數(shù)下標(biāo)為）的數(shù)學(xué)模型（下標(biāo)6～12表示節(jié)點(diǎn)）：

（4）建立蒸發(fā)器（參數(shù)下標(biāo)為）的數(shù)學(xué)模型（下標(biāo)13～16表示節(jié)點(diǎn)）：

（5）建立吸收器（參數(shù)下標(biāo)為）的數(shù)學(xué)模型（下標(biāo)5～19表示節(jié)點(diǎn)）：

（6）建立高溫平板傳質(zhì)換熱器（參數(shù)下標(biāo)為）的數(shù)學(xué)模型（下標(biāo)2～22表示節(jié)點(diǎn)）：

（7）建立低溫平板傳質(zhì)換熱器（參數(shù)下標(biāo)為）的數(shù)學(xué)模型（下標(biāo)2～24表示節(jié)點(diǎn)）：

2.2 設(shè)定數(shù)值分析工況參數(shù)值

（1）設(shè)定參數(shù)

制冷量0=18kWh；蒸發(fā)器出口冷凍水的溫度15=10℃；加熱蒸汽壓力P=6.8MPa；冷煤水的溫差Δt=10℃；冷卻水的溫度17=32℃。

（2）根據(jù)參考文獻(xiàn)[7,8]的要求進(jìn)行選取參數(shù)的設(shè)定及各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，如下表所示。

表1 已知給定的設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)

續(xù)表2 各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與結(jié)論分析

本次數(shù)值分析對(duì)象是一額定制冷量為18kW的小型雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)，根據(jù)上述方法建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，通過(guò)編制Matlab計(jì)算程序分析，首先計(jì)算了當(dāng)高、低壓發(fā)生器入口稀溶液流量為0.12kg/s、0.14kg/s、0.18kg/s、0.20kg/s、0.24kg/s、0.28kg/s、0.32kg/s、0.36kg/s時(shí)，高、低溫?zé)峤粨Q器溶液出口溫度和高、低溫傳質(zhì)換熱器溶液出口溫度；高、低溫?zé)峤粨Q器溶液出口濃度和高、低溫傳質(zhì)換熱器溶液出口濃度；分析流量和出口溫度、濃度的變化關(guān)系，并繪制圖表如圖3、圖4、圖5、圖6所示。其次計(jì)算了當(dāng)高、低壓發(fā)生器入口稀溶液濃度、溫度發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)該系統(tǒng)使用高、低溫?zé)峤粨Q器和使用高、低溫傳質(zhì)換熱器時(shí)的系統(tǒng)COP，并繪制圖表如圖7、圖8所示。

圖3 高溫?fù)Q熱器進(jìn)口溶液流量和出口溶液溫度的變化關(guān)系

從圖3、圖4可以看出，高、低溫?zé)峤粨Q器和高、低溫傳質(zhì)換熱器中濃溶液和稀溶液的出口溫度均隨著換熱器進(jìn)口稀溶液流量增大而降低，說(shuō)明在溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)中溴化鋰溶液的流量不宜過(guò)大，要保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，否則系統(tǒng)性能會(huì)下降。

此外，在換熱器進(jìn)口溶液流量相同的情況下，高、低溫傳質(zhì)換熱器中稀溶液的出口溫度要高于高、低溫?zé)峤粨Q器中稀溶液的出口溫度，高、低溫傳質(zhì)換熱器中濃溶液的出口溫度要低于高、低溫?zé)峤粨Q器，說(shuō)明高、低溫傳質(zhì)換熱器高溫側(cè)和低溫側(cè)之間的換熱性能要好于相同尺寸大小的高、低溫?zé)峤粨Q器的換熱性能。

圖4 低溫?fù)Q熱器進(jìn)口溶液流量和出口溶液溫度的變化關(guān)系

從圖5、圖6可以看出，高、低溫?zé)峤粨Q器中濃溶液和稀溶液的出口濃度隨著換熱器進(jìn)口稀溶液流量的增大基本保持不變，但是高、低溫傳質(zhì)換熱器中濃溶液的出口濃度減小而稀溶液的出口濃度增大且兩邊濃度增大部分和濃度減小部分的大小基本相同，說(shuō)明在該雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)中，高、低溫?zé)峤粨Q器的高溫側(cè)和低溫側(cè)在熱交換過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生傳質(zhì)，而高、低溫傳質(zhì)換熱器的高溫側(cè)和低溫側(cè)在熱交換的過(guò)程中有傳質(zhì)存在，且傳質(zhì)的方向?yàn)楦邷貍?cè)向低溫側(cè)傳遞。

此外，當(dāng)高、低溫傳質(zhì)換熱器稀溶液進(jìn)口流量增大到一定程度以后（本次數(shù)值模擬此流量數(shù)值為0.28kg/s），高、低溫傳質(zhì)換熱器出口溶液的濃度基本不發(fā)生變化，趨于平穩(wěn)狀態(tài)，出口濃溶液的濃度始終要大于出口稀溶液的濃度。

圖5 高溫?fù)Q熱器進(jìn)口溶液流量和出口溶液濃度的變化關(guān)系

圖6 低溫?fù)Q熱器進(jìn)口溶液流量和出口溶液濃度的變化關(guān)系

從圖7、圖8可以看出，替換前系統(tǒng)COP和替換后系統(tǒng)COP均隨著高、低溫?zé)峤粨Q器和高、低溫傳質(zhì)換熱器入口稀溶液濃度的增大而增大，替換后系統(tǒng)COP隨著高、低溫傳質(zhì)換熱器稀溶液入口濃度的增加而增大，并且其幅度大于替換前系統(tǒng)COP隨著高、低溫?zé)峤粨Q器稀溶液入口濃度的增加而增大的幅度，說(shuō)明高、低溫傳質(zhì)換熱器內(nèi)部存在的傳質(zhì)作用增大了系統(tǒng)的放氣范圍，使得系統(tǒng)COP增大，且溴化鋰稀溶液濃度在一定的范圍內(nèi)增大時(shí)，這種作用越強(qiáng)烈。

此外，替換前后的系統(tǒng)COP均隨著高、低溫?zé)峤粨Q器和高、低溫傳質(zhì)換熱器稀溶液入口溫度的升高而增大，替換后系統(tǒng)COP增大的幅度仍然大于替換前系統(tǒng)COP，系統(tǒng)COP受到溴化鋰溶液濃度的影響更大。

圖7 換熱器入口稀溶液濃度和系統(tǒng)COP的變化關(guān)系

圖8 換熱器入口濃溶液濃度和系統(tǒng)COP的變化關(guān)系

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Study on the performance of the plate heat exchanger applied in absorption refrigeration system

Wang Zhi Sun Wenzhe Chen Panpan Fang Peiming

( Shanghai maritime university, Shanghai, 201306 )

This paper adopts flat mass and heat transfer exchanger to the small double effect absorption refrigeration system, through the establishment of the mathematical model of the parts in the system and setting related parameters of high temperature flat mass and heat transfer exchanger and flat at low temperature. Based on the Matlab numerical analysis program, this paper calculates COP of absorption refrigeration system after the replacement of mass and heat transfer exchanger. Found by simulation calculation, replacing with flat mass and heat transfer exchanger system, it increases the system's COP and the energy utilizes more fully.

plate heat exchanger; absorption refrigeration; COP

1671-6612（2017）04-346-05

TB61

A

王 志（1991.10-），男，在讀碩士研究生，E-mail：897875933@qq.com

作者簡(jiǎn)介：孫文哲（1962.11-），男，教授，從事制冷相關(guān)領(lǐng)域的研究與教學(xué)工作，E-mail：wzsun@shmtu.edu.cn

2016-11-17