太阳能吸收式空调及供热综合系统的初步研究-机械设计及其自动化毕业论文

本科毕业设计本科毕业设计 论文论文 题目 题目 太阳能吸收式空调及供热综合系统太阳能吸收式空调及供热综合系统 的初步研究的初步研究 院院 系 系 机电工程学院机电工程学院 专专业 业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 班班级 级 110223 学学生 生 王雪翠王雪翠 学学号 号 110223127 指导教师指导教师 张云辉张云辉 2015 年 6 月 15日 I 摘摘 要要 太阳能吸收式空调系统主要由太阳集热器和吸收式制冷机两部分构成 太阳能吸 收式制冷 利用建筑物屋顶建立大量太阳能集热装置 把热量集聚起来构建太阳能空调 及供热系统 太阳能空调系统利用太阳能集热器产生热水 夏天通过溴化锂吸收式制冷 机制冷 供空调使用 系统可全年提供生活用热水 冬天可用作取暖 太阳能空调系统 适用于集中供热和中央空调 溴化锂空调以热能为动力 电能耗用较少 且对能源要求不 高 能利用各种低势热能和废气 废热以及地热 太阳能等 有利于地源的综合利用 具有很好的节电 节能效果 经济性好 本设计采用溴化锂吸收式制冷机和热管式真空集热器 吸收式制冷机所采用的二元 溶液为溴化锂和水 当太阳能不足时 采用燃气炉和太阳能联合取暖 太阳能吸收式空 调系统可以实现夏季制冷 冬季取暖 全天提供生活热水等功能 关键词关键词 太阳能空调溴化锂集热器制冷机 供热系统 II Abstract Solar collectors and absorption chiller is composed of two parts of solar absorption air conditi oning systems solar absorption refrigeration the roof of the building to create a large number o f solar heat collection device the heat accumulated construction of solar air conditioning and hea ting system solar air conditioning system using solar collector to produce hot water summer b y the lithium bromide absorption refrigeration the use of air conditioning refrigeration the syste m can provide hot water for daily life can be used for heating in winter The solar energy air con ditioning system for central heating and air conditioning The lithium bromide central air conditi oning to heat energy electric energy consumption is less and the energy demand is not high Ca n use a variety of low potential energy and waste gas waste heat geothermal solar energy whic h is conducive to the comprehensive utilization of ground source With energy saving energy sav ing effect is very good the economy is good This design uses a lithium bromide absorption type refrigerating machine and vacuum heat pi pe type solar collector absorption refrigeration the two element solution used for lithium bromid e and water when the solar energy is insufficient the gas stove and the sun Combined heating C an not only be used as refrigeration of solar absorption refrigeration system heating in winter to provide domestic hot water and other functions Key Words Solar energyAir ConditionerLithium bromideHeat collector RefrigeratorHeating system III 主主 要要 符符 号号 表表 T温度 集热器安装倾角 安装地的纬度 Gc工质液体的 流量 比热 值 两种换热流体的最大温差 Q热负荷 a传热管的放热系数 传热管壁厚 r热阻 热导率 f传热管表面积 喷淋溶液浓度 L传热管长度 W喷淋溶液量 n传热管数 m流程数 IV 目目 录录 摘要摘要 I Abstract II 主主 要要 符符 号号 表表 III 1 1绪论绪论 1 1 1 概述 1 1 2 太阳能吸收式空调及供热综合系统的发展现状 1 1 3 本论文研究的意义 2 1 4 本论文的主要内容 2 2 2 太阳能空调及供热综合系统的基本原理太阳能空调及供热综合系统的基本原理 3 2 1 太阳能集热器工作原理 3 2 2 太阳能制冷制热的基本原理 3 2 2 1 太阳能空调工质的选择 3 2 2 2 制热原理 4 2 2 3 吸收式制冷机的基本原理 4 2 3 太阳能空调运用的技术理论 5 2 4 设计方案分析 6 2 5 系统设计 7 2 5 1 太阳能与建筑物结合 7 2 5 3 储热水箱 9 2 5 4 储冷水箱 9 V 2 5 5 辅助燃油锅炉 9 2 5 6 自动控制系统 9 3 3太阳能吸收式空调采光面积的计算太阳能吸收式空调采光面积的计算 11 3 1 集热器安装条件 11 3 2 集热器面积的计算 11 4 4 制冷机组主要部件的结构设计制冷机组主要部件的结构设计 13 4 1 吸收器设计 13 4 2 蒸发器设计 16 4 3 发生器的设计 19 4 4 冷凝器的设计 20 5 5 结论与展望结论与展望 22 参考文献参考文献 23 致谢致谢 25 毕业设计 论文 知识产权声明毕业设计 论文 知识产权声明 26 毕业设计 论文 独创性声明毕业设计 论文 独创性声明 27 附录附录 28 附录 1 外文翻译及原文 28 附录 2 零件图 28 1绪论 第 1 页 1 1绪论绪论 1 11 1 概述概述 制冷和空调装置大多采用有温室效应和破坏臭氧层的人工合成物质作为工质 在当今 能源短缺的背景下 高耗能的空调装置 严重制约着它的发展 因此 制冷和空调中的 节能和环保问题越来越引起人们的关注 采用太阳能作为驱动能源 溴化锂溶液作为工 质的太阳能制冷与空调技术 完全符合当今节能和环保的要求 在太阳辐射较强的夏天 可启动低温溴化锂吸收式制冷机 充分地利用夏天的太阳能资源 1 21 2 太阳能吸收式空调及供热综合系统的发展现状太阳能吸收式空调及供热综合系统的发展现状 太阳能吸收式制冷技术最早出现在 20 世纪上半叶 由于成本高而效率低而未受到重 视 随着能源危机的爆发以及环境问题的日益严峻 太阳能吸收式制冷由于利用可再生 能源且不污染环境 受到更多的关注 第一台太阳能吸收式制冷机组是美国佛罗里达大学的 Farbe 教授于 1957 年开发的 该机组使用 NH3 H2O 吸收式制冷机和聚光集热器 冷却水为 21摄氏度的地下水 COP约 为 0 45左右 1966 年澳大利亚昆士兰大学的 Sheridan 等人使用 LiBr H2O吸收式制冷机和 平板集热器开发了太阳能空调系统 该系统为面积 122m2太阳房提供间歇式制冷 除此 之外影响比较大的示范项目主要有 20世纪 70 年代中期 科威特科学研究院开发的两台大型太阳能吸收式制冷机组 其 中包括 1983年完成的科威特国防部办公楼项目 该系统直到 1995年还在使用 与相同冷 量的压缩式机组相比 该系统总耗电量能够节省 25 40 是世界上最早实际应用的太 阳能溴化锂吸收式制冷项目 墨西哥以及约旦在 80年代中期也先后建成了太阳能驱动 LiBr H2O 吸收式制冷系统 两套系统使用的均是太阳能平板集热器 COP 能够达到 0 5 0 75 由于约旦和墨西哥处在 低纬度地区 日照强烈 集热器热水出口温度能达到 90 摄氏度以上 实验研究表明 即 使室外温度高达 42 46 摄氏度 也能维持室内温度 26 28摄氏度以及 50 左右的相对湿 度 欧洲是太阳能利用最广泛的地区 尽管太阳能吸收式制冷系统目前还处在初期的研究 实验阶段 欧洲已安装了大约 70台太阳能吸收式制冷机组 其中大部分位于德国和西班 牙 此外 天然气资源匮乏的日本也非常重视太阳能利用的研究 日本早稻学的木村 用抛物柱面型聚光集热器和 LiBr H2O 吸收式制冷机组进行了制冷实验 1974年 日本通产省制定了 阳光计划 建造完成了矢崎 1号太阳房 使用了 西安工业大学毕业设计 论文 第 2 页 LiBr H2O 吸收式制冷机和具有选择性吸收面的平板集热器 为占地面积为 143m2住宅制 冷取暖 1975年 3 月建立了 32m2的朝日太阳房 同样利用太阳能 LiBr H2O吸收式制冷 机实现住宅的冷暖调节 我国太阳能制冷方面的研究起步于 80 年代 主要的示范工程有 17 18 1987年在 深圳建立的太阳能溴化锂吸收式制冷示范工程 该工程使用了多类型的太阳能集热器 以及两台日本制造的 7KW 溴化锂吸收式制冷机 为大约 80m2房间供冷 并为一家酒店 提供热水 我国在九五科技攻关项目的支持下建立了两座大型示范工程 江门 100KW 太 阳能溴化锂吸收式制冷项目以及乳山市科普公园 100KW 太阳能供冷 供热项目 两个工 程使用的均是溴化锂吸收式制冷机 十五期间 在北京奥运会先导项目的支持下 先后 建立了两座太阳能制冷系统 即 2004年北京太阳能研究所北苑办公楼项目以及 2003年北 京天普太阳能集团的新能源示范大楼项目 1 31 3 本论文研究的意义本论文研究的意义 传统空调制冷机采用氟利昂制冷剂会催化分解臭氧 削弱臭氧层对紫外线的阻挡 威 胁人类健康 传统空调的大耗电量引起电力紧张 电力的发展同时带来 CO2废气 增加 了大气温室效应和酸雨等问题 传统空调显然有悖于环保节能两大主题的 那么能否有 方法既环保节能又满足人们对空调的需求 回答是 在一定技术条件下是可以做到的 太阳能吸收式空调与常规空调系统相比 意义重大 1 传统的压缩式制冷机以氟利昂为介质 它对大气臭氧层有破坏作用 而吸收式制冷 机以无毒 无害的吸收剂 例如溴化锂 为介质 它对保护环境十分有利 2 同一套太阳能吸收式空调系统可以将夏季制冷 冬季采暖和过渡季节提供热水结合 起来 显著地提高了太阳能的利用率和经济性 明显之处就是节省了电能 3 太阳能空调的季节适应性好 太阳辐射和制冷负载具有一致性 系统制冷能力随着 太阳辐射能的增加而增大 辐射能越强 热媒水温度越高 空调制冷性能系数越高 空 调系统的制冷效率也越高 而这正好与夏季人们对空调的迫切需求一致 4 太阳能空调建立在太阳能热水应用的基础上 增加的投资是制冷机部分 而这部分 的投资在常规空调方面也是需要的 制冷机主要部件在真空状态下运行 无高压爆炸 危险 安全可靠 运转安静无噪音 1 41 4 本论文的主要内容本论文的主要内容 1 根据额定功率计算出理论和实际采光面积 2 广泛研究目前国内外空调系统并 合理选择其中一种 详细描绘空调制冷制热原理图 3 对制冷设备的四大部分组成 压缩机 冷凝器 蒸发器 节流装置 详细设计其结构 2太阳能空调及供热综合系统的基本原理 第 3 页 2 2 太阳能空调及供热综合系统的基本原理太阳能空调及供热综合系统的基本原理 2 2 1 1 太阳能集热器工作原理太阳能集热器工作原理 太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并向工质传递热量的装置 它是一种特殊的热 交换器 集热器中的工质与远距离的太阳进行热交换 太阳能集热器由带涂层的吸热管 吸收太阳辐射热后温度升高热量能很快传递给流体通道中的水 透明盖板 产生温 室效应 使之进去的能量大于表面散失的能量而提高温升 保温层 减少热损失 循环管 储热保温水箱及辅助装置等组成 普通集热器盛夏时热水温度可达 68 88 使用聚光集热器可使阳光点状或线状聚焦可获得 96 以上的高温水 2 22 2 太阳能制冷制热的基本原理太阳能制冷制热的基本原理 2 2 12 2 1 太阳能空调工质的选择太阳能空调工质的选择 在吸收式制冷机系统中完成吸收 解析循环的工质通常是由两种沸点不同的物质所组 成的二元溶液 其中低沸点的组分作制冷剂 蒸发剂 高沸点组分作吸收剂 一般又 将吸收剂和制冷剂统称为 工质对 对工质对的要求应尽量满足以下要求 1 吸收剂应和工质组成非共沸溶液 在相同的压力下吸收剂的沸点应比工质的高 而且两者之差越大越好 两组分沸点相差不大的溶液 在发生过程中会相互夹带 要通 过蒸馏才能除去气相中吸收剂 这样就要降低吸收式制冷机的效率 2 工质的临界温度高 3 吸收能力大 或者说溶质的溶解度大 4 不易结晶 适合于吸收剂在高浓度下操作 5 工质的气化潜热大 在工作温度范围内 冷凝器压力不过高 蒸发压力不过低 6 在工作温度范围内 冷凝压力不过高 蒸发压力不过低 7 工质凝固点低 比容小 8 化学性能稳定 不可燃 无爆炸危险 无腐蚀 无毒 无刺激性 高温不分解 对生态环境没有破坏作用 9 比热小 导热系数高 低粘度 10 价格低 易于获得 11 易于发现或检验泄露 事实上找到满足上面所有要求的工质是很困难的 人们只能根据要求权衡考 虑选择比较适合的工质对 因为水在很宽的温度范围内都有很高的潜能 而且廉价易得 无毒无味 不燃烧不爆炸 所以是最常见的制冷剂 目前常用的吸收式制冷机工质对主 要由以氨为工质对的氨 水溶液和以水为工质的溴化锂 水溶液 西安工业大学毕业设计 论文 第 4 页 氨 水溶液是最早应用于吸收系统的工质对 其主要优点是吸收能力强 适合零度以下 的低温热源 而且汽化潜热大 溶液价格低廉 泄漏时易被发现 但是由于制冷剂与吸 收剂沸点相差比较小 需要设置蒸馏装置 而且氨气有毒性 要求的发生温度在 120 左 右 所以热源温度较低的太阳能空调一般不采用氨 水溶液作为工质对 溴化锂 水溶液作为吸收系统最常用的工质对 主要优点是 溴化锂吸水能力强 化 学物质稳定 毒性较小 而且溴化锂与水的沸点相差很大 不需要精馏装置 而且发生 温度低 其缺点是水沸点高 低温热源必须在零度以上 此外 溴化锂溶液宜结晶 高 温下对金属的腐蚀性很强 需要添加缓蚀剂 最高使用温度在 150 160 左右 温度再高 溴化锂 水溶液中的缓蚀剂络酸锂会分解 因此 对大多数的吸收式制冷机 多采用溴化锂 水溶液作为工质对 供吸收式制冷机应用的溴化锂 一般以水溶液的形式供应 但应满足以下要求 1 性状 无色透明液体 2 浓度 不低于 50 3 水溶液 PH 值 8 以上 4 杂质最高含量 硫酸盐 0 1 溶液中不应含有二氧化碳 臭氧等不凝性气体 2 2 22 2 2 制热原理制热原理 冬季需制热时超导太阳能集热器吸收太阳辐射能 经超导液传递到复合超导能量储存 换器 当储热系统温度达到 40 时 中央控温系统 自动发出取暖指令 让室内冷暖分 散系统处于制热状态 经出风口输出热风 当房间温度达到设定温度值时 停止输出热 风 房间的温度低于设定值时 出风口又输出热风 如此自动循环达到取暖的目的 各 房间的温度设定是独立的 互相不影响 如遇到连续的阴天 太阳能不足时 燃气炉 投入使用 以补充太阳能的不足 2 2 32 2 3 吸收式制冷机的基本原理吸收式制冷机的基本原理 吸收式制冷是利用两种物质所组成的二元溶液作为工质来进行的 这两种物质在同一 压强下有不同的沸点 其中高沸点的组成部分称为吸收剂 例如 溴化锂 沸点为 1265 有吸水性 低沸点的组成部分称为制冷剂 例如 水 沸点为 100 吸收式制冷机主要由发生器 冷凝器 蒸发器和吸收器四大件构成 另加热交换器 在制冷机运行过程中 真空泵将机组抽至真空后 当溴化锂水溶液在发生器内受到热媒 水 由太阳能集热器提供 加热后 低压水不断汽化 在一般的高温下对溴化锂水溶液 加热时 仅产生冷剂水蒸气 冷剂水蒸气进入冷凝器 被水冷或风冷降温后凝结 随 着水的不断汽化 发生器内的水溶液浓度不断升高 进入吸收器 当冷凝器内的冷剂水 经过节流阀减压节流进入蒸发器时 急速膨胀而汽化 并在汽化过程中大量吸收蒸发器 内冷媒水的热量 使冷媒水出口温度达到 6 8 在此过程中 低温水蒸气进入吸收器 被吸收器内的浓溴化锂溶液吸收 溶液浓度逐步降低 由溶液泵送回发生器 完成整个 西安工业大学毕业设计 论文 第 5 页 循环 简单地说溴化锂机组是利用水在低压下相态的变化冷媒水的目的 溴化锂机组利 用了太阳集热器热量后 那么它消耗的电能 仅仅是小水泵的电能 而不需要压缩机了 在实际研制过程中一般溴化锂溶液的浓度不宜超过 62 通过对溶液循环量和制冷量的最 佳分配 控制温度 压力 浓度等参数在循环之间的优化配置 以求最大限度的利用热 源水的热量 使热水温度达到 68 就可利用 此温度一般使用平板式太阳集热器就可满 足要求 制冷机的原理图如图 2 1 2 1吸收式制冷机工作原理示意图 2 32 3 太阳能空调运用的技术理论太阳能空调运用的技术理论 太阳能制冷主要依靠吸收式制冷机和太阳能集热器两大部件联合运行构成 在夏季 被集热器加热的热水首先进入保温储热水箱 当热水温度达到 88 值时 由储水箱向制 冷机提供热媒水 从制冷机流出并已降温的热水流回太阳能集热器并再次被加热成高温 热水 制冷机产生的 8 冷媒水通向空调箱 以达到制冷空调的目的 当太阳能不足时由 燃气炉加热补充热量以加热热媒水至设计值 在冬季 集热器加热的热水温度达到 60 摄 氏度值时 储能水箱向空调箱提供热水 以达到供热采暖的目的 当太阳能不能够满足 要求时 也可通过辅助电能补充热量 非空调采暖季节 将集热器的热水直接通向保温 储能水箱 就可将冷水加热以供生活用水了 系统运行工况 西安工业大学毕业设计 论文 第 6 页 夏季制冷 夏季由于室外温度较高 将蓄热水箱置于室外 以减少热量损失 并将 辅助热源 电加热 与蓄热水箱串联放置 制冷机热水进水温度设置为 80 辅助热源 启动温度为 79 当蓄热水箱的温度 79 时 启动电加热器加热供水以达到制冷机需 要热水温度 随着太阳辐照度的增强 当蓄热水箱温度超过 80 电辅助加热停止工作 冬季供热 对于室内采暖 热水温度不适宜高于 60 设计供水温度为 45 供回 水温差为 12 辅助热源启动温度为 44 当蓄热水箱温度低于 45 辅助热源开启加 热供水至设定温度 随着一天太阳辐照的增强 当蓄热水箱的温度高于 45 辅助热源 停止工作 室内温度控制 夏季室内制冷工况一般要求室内温度 24 28 冬季供暖工况一般 要求室内温度维持在 16 20 为了使太阳能制冷与供热综合系统节省费用 当冬夏 季室内温度达到 20 24 时 整个系统停止工作 随着室外环境温度变化 当冬夏季 室内温度达到 16 28 时 系统重新工作 为了满足不同用户对室内温度的需求 室 内环境温度可以自由设定 2 42 4 设计方案分析设计方案分析 太阳能吸收式制冷系统是一个各部件相互配合的整体 为了使系统的效率最高 太阳 能集热器以及溴化锂吸收式制冷机的选取必须统一考虑 表一和表二分别列出了几种比 较常见的中低温太阳能集热器以及溴化锂吸收式制冷机的一些参数 表 2 14 种常见的中低温太阳能集热器性能参数 类型温度范围 集热效率 普通平板30 100 21 真空管90 200 38 菲涅尔透镜260 400 56 抛物面槽型260 400 56 表 2 2溴化锂吸收式制冷机性能参数 2 循环类型热源COP 单效0 03 0 15MPa 蒸气 85 以上热水0 65 0 7 双效0 25 0 8MPa 蒸气 150 以上热水1 1 1 2 两级65 以上热水 注 直燃机以及部分使用高压蒸气驱动的机组 COP 值可以高于 1 2 从表一和表二可见 普通平板集热器虽然可以承压而且寿命较长 从工作温度范围 低 高温段集热器效果较差 两级循环溴化锂吸收式制冷机 性能系数低 结构也比较复 杂 不适合在此大型中央空调系统中使用 因此 根据目前市场上提供的产品及其特点 选定太阳能集热器与吸收式制冷机有如下两种组合 1 热管式真空管集热器 单效溴化锂吸收式制冷机 据何梓年 3 实测 热管式真空管 集热器夏季制冷工况和冬季采暖工况的效率分别为 0 4 和 0 35 溴化锂吸收式制冷机选用 西安工业大学毕业设计 论文 第 7 页 国内生产的热水单效型 2 抛物面槽型聚光集热器 双效溴化锂吸收式制冷机 抛物面槽型聚光集热器 目前 国内尚没有成熟的商业产品 因此参考国外产品 取其平均集热效率为 0 55 吸收式制冷 机采用国内生产的蒸汽双效型 本设计采用溴化锂吸收式制冷机和热管式真空集热器 吸收式制冷所采用的二元溶 液为溴化锂和水 当太阳能不足时 采用燃气炉和太阳能联合取暖 太阳能吸收式空调 系统可以实现夏季制冷 冬季取暖 去年提供生活热水等功能 如下图所示为太阳能吸收式空调及供热综合系统的结构及原理 1 太阳能集热器2 空调热水柜3 日用热水柜4 热水用户 5 辅助热源6 溴化锂吸收式制冷机 7 空调用户8 冷媒水柜9 冷却水塔10 冷却塔 图 2 太阳能溴化锂吸收式空调热水供暖系统工作原理图 2 52 5 系统设计系统设计 2 5 12 5 1 太阳能与建筑物结合太阳能与建筑物结合 本太阳能空调系统用于普通居民建筑物 在系统设计中 使太阳能与建筑融为一体 建筑设计不但造型美观 新颖别致 还满足太阳能集热器安装的要求 新建筑物的南立 面采用大斜屋面结构 倾角 35 太阳能空调系统所需的大部分集热器都安装在朝南的 大斜屋面上 从而使集热器与建筑物相得益彰 2 5 2 热管式真空管集热器 真空管太阳能集热器是在平板型太阳能集热器的基础上发展起来的太阳能集热装置 真空管是这种集热器的核心部件 主要由内部的吸热体和外层的玻璃管所组成 吸热体 表面沉积有光谱选择性吸收涂层 吸热体与玻璃管之间的夹层保持高真空度 可有效地 西安工业大学毕业设计 论文 第 8 页 抑制真空管内空气的传导和对流热损 并且由于选择性吸收涂层的低红外发射率 可明 显降低吸热体的辐射热损失 因此 真空管集热器可以较大限度的利用太阳能 即使在 高工作温度和低环境温度的条件下仍具有良好的热性能 根据热吸体材料多的不同 真空管太阳能集热器可分为玻璃吸热体真空管和金属吸热 体真空管两大类 其中金属吸热体真空管具有工作温度高 100 400 承压能力大 耐热性能好等优点 是太阳能中 高温利用必不可少的集热部件 是当今世界真空管集 热器发展的重要方向 金属吸热体真空管又包括热管式真空管 U 形管式真空管 储热式 真空管 直通式真空管 内聚光式真空管等 由我国所研制成功的热管式真空管集热器具有热效率高 耐冰冻 启动快 保温好 承压高 耐热冲击 运行可靠 维修方便等诸多优点 是组成高性能太阳能空调系统的 重要部件 为了使真空管集热器一天内接收到更多的太阳辐射能 本系统真空管采用了 半圆弧状的弯曲吸热板 经测试 弯曲吸热板热管式真空管集热器的瞬时效率的方程为 2 013 078 17356 0 k am k am G TT G TT 表 2 1 式中 Tm 集热器流体进出口平均温度 Ta 环境温度 Gk 太阳辐照度 W m 2 1 热管冷凝段2 金属端盖3 玻璃管4 吸热板5 热管蒸发段6 消气剂 图 3 弯曲吸热板热管式真空管集热器结构示意图 这种集热器的入射角修正系数也明显优于平面吸热板 从而使弯曲吸热板真空管集热 器的全天得热量比平面吸热板真空管集热器提高 10 以上 本系统的集热器阵列由 2160 支热管式真空管组成 总采光面积 540 总吸热体面 积 364 这些真空管集热器共分成 9 排布置 其中 7 排布置在大斜屋面上 2 排布置在 楼顶平面上 为了减少流动阻力 集热器阵列采取了前 4 排并联 后 5 排并联 然后两 部分再串联起来 西安工业大学毕业设计 论文 第 9 页 2 5 32 5 3 储热水箱储热水箱 为了保证系统运行的稳定性 使制冷机的进日热水温度不受太阳辐照瞬时变化的直接 影响 太阳能集热器出日的热水首先进入储热水箱 再由储热水箱向制冷机供热 此外 储热水箱还可以把太阳辐射能高峰时暂时用不了的能量以热水的形式储存起来以备后用 本系统与一般太阳能空调系统的不同之处在于设置了大 小两个储热水箱 大储热水箱 容积为 8m 卞要用来储存多余的热能 小储热水箱容积为 4m 卞要用来保证系统的快速启 动 使每天早晨经集热器加热的热水温度 夏季尽快达到制冷机所击要的运行温度 冬 季尽快达到采暖所需要的工作温度 另外 储热水箱的内部结构也进行了特殊设计 使其产生明显的温度分层 以便最大 限度地利用高温热水 同时也加快了空调系统的启动速度 2 5 42 5 4 储冷水箱储冷水箱 储冷水箱是根据建筑物用冷的特点而设置的 尽竹储热水箱可以储存能量 但它的能 力毕竞是有限的 将制冷机产出的低温冷媒水储存在容积为 6m 的储冷水箱内 可以更多 地储存能量 而目低温冷水利用起来也比较方便 设置储冷水箱还有一个更重要的原因 制冷机的热媒水进口温度是 88 左右 冷媒水出口温度是 8 左右 假设夏天的环境温 度是 30 则储热水箱中热水温度与环境温度的温差为 58 明显大于环境温度与储冷 水箱中冷水温度的温差 22 这就是说 将接收到的多余太阳辐射能产生冷水储存在储 冷水箱中 其热损失要比以热水形式储存在储热水箱中低得多 2 5 52 5 5 辅助燃油锅炉辅助燃油锅炉 太阳能系统的运行不可避免地要受到气候条件的影响 为了保证系统可以全天候发挥 空调 采暖功能 辅助的常规能源系统是必不可少的 燃油 或燃气 锅炉具有启动快 污染小 便于自动控制等优点因而本系统设采用了辅助燃油热水锅炉 在白天太阳辐照 量不足或夜间需要继续用冷或用热时 即可通过控制系统自动启动燃油锅炉 以确保系 统持续 稳定地运行 2 5 62 5 6 自动控制系统自动控制系统 本系统的特点就是用太阳能部分地替代常规能源以达到空调 采暖及提供生活用热水 的日的 因此太阳能系统的启动 富余太阳能的储存以及太阳能与常规能源之间的切换 等都显得尤为重要 而这些功能必须由一套安全可靠 功能齐全的自动控制系统来完成 另外 自动控制系统还解决了太阳能系统的防过热和防冻结问题 夏季 当储热水箱内 的水温达到 94 且储冷水箱内的水温也达到 7 时 控制系统就会自动切换相应的阀门 西安工业大学毕业设计 论文 第 10 页 让热水流经生活用热水箱中的换热器 以降低太阳能系统的温度 冬季 当太阳能系统 回路最低温度处的温度达到 4 时 控制系统就会自动开启循环水泵一小段时间 使储热 水箱中的热水流入管路 从而避免回路冻结 为本系统专门设计的自动控制系统由传感 器 电动阀 网络控制模块和操作工作台等几部分组成 3太阳能吸收式空调采光面积的计算 第 11 页 3 3太阳能吸收式空调采光面积的计算太阳能吸收式空调采光面积的计算 3 13 1 集热器安装条件集热器安装条件 根据我国太阳能资源分布情况 南部属于太阳能资源较丰富地区 北部属于太阳能资 源一般地区 西安属于北部 民用建筑主要基本情况调查 周围环境 建筑所处地点纬度 年日照时间 年太阳辐射强度 年环境温度等 建筑功能 最高日热水量 供水方式 用水温度 用水点位置等 安装条件 场地面积 形状 建筑结构承载力 遮挡情况等 辅助热源情况 电价 煤气价 设计人员应根据建筑物以上综合因素 依据规范 GB50364 2005 表 4 2 6 选择系统类型 选择其类型 色泽和安装位置 应与建筑物整体及周围环境相协调 真空管集热器具有保温性能好 低温热效率高 其吸收系数可达到 94 96 辐射系数小 于 6 适合在北方地区使用 太阳能集热器的安装方位和倾角 1 集热器的安装方位 根据规范 GB50364 2005 第 4 4 7 条 集热器的安装方位应朝向 正南 如受建筑物条件的制约 也可选择偏东南或偏西南方向 2 集热器的安装倾角可按下式确定 使集热器全年得热量最大时 式中 集热安装倾角 安装地的纬度 当使集热器的集热效率在夏季最高 安装倾角可由当地纬度减 10 来确定 即 10 去确定集热器安装倾角 当使集热器的集热效率在冬季最高 安装倾角可由当地纬度加 10 来确定 即 10 去确定集热器安装倾角 西安的集热器安装倾角 10 34 15 10 44 15 设计可按 45 取值 3 23 2 集热器面积的计算集热器面积的计算 空调额定总热功率为 18KW 生活用热水量每人每天用 150L65 热水 按 5 人计算 热水量 750L 日 蒸发器冷水出口温度 8 进水温度 12 发生器热源进水温度 88 出口温度 12 冷却水进水温度 32 吸收器和冷凝器冷却水并联 采用热管式真空管集热器 按全年负荷最大的夏季空调及热水供应负荷配置 假设 西安工业大学毕业设计 论文 第 12 页 别墅夏季 17 00 次日 8 00 之间 15 小时内空调由集热器集热驱动吸收式制冷机制冷并通 过蓄冷后在晚间放冷 集热器日平均效率 0 4 空调用面积 计算日晚间空调用制冷量 Qw tDs 18 15 3600 0 65 631800KJ d 计算日制冷机组发生器理论热负荷 Ql Qw 631800 0 689 916981KJ d 计算日集热器太阳能辐射量 Qj Ql 916981 0 4 2292453KJ d 计算日每平方米集热器太阳能辐射量 Qp Qj s 19MJ d 集热器计算采光面积 Sj Qj Qp 1000 2292453 19 1000 120 7m2 生活热水供应用面积 热水量 750L d 热水供应负荷 Qf L D T 750 65 10 4 1868 17 27 104KJ d 需采光面积 Sr Qf Qp 17 27 104 0 4 19MJ 22 72m2 集热器的安装面积 S Sj Sr 120 7 22 72 1 3 186 4m2 集热器布置 按 45 倾斜角安装在别墅屋顶 设屋顶面积为 200m2 集热器可安装面积为 200 cos45 142m2 4制冷机组主要部件的结构设计 第 13 页 4 4 制冷机组主要部件的结构设计制冷机组主要部件的结构设计 4 14 1 吸收器设计吸收器设计 吸收器位于机组的低压腔 其功能是利用发生器浓缩后的浓溶液 吸收蒸发器产生的 冷剂蒸汽 以保证低压腔维持在较低的蒸发压力范围 同时使溴化锂溶液浓度降低为稀 溶液 放出的热量被冷却水吸收 吸收器主要由喷淋系统 传热管 抽气管组成 其中喷淋系统的性能是吸收器最重要 的部分 直接影响到吸收器的性能 为了使降膜吸收的效果更好 提高吸收器的传热 传质效果 必须将溴化锂溶液均匀分布在传热管的外侧 喷淋系统有喷嘴式和淋激式两 种 本设计的溴化锂机组吸收式采用管壳式结构的喷淋式热交换器 吸收器的设计主要是其中换热设备的热负荷计算和内部传热结构设计 换热设备由 于换热介质物理性质 传热管材质与表面结构 介质的流速 流动方式 喷淋密度等等 的不同 使得传热系数也不尽相同 由于吸收器的吸收过程是传热和传质同时进行的复 杂过程 使得其传热系数的计算更加复杂 在一般的设计计算中 通常先采用经验选取 的传热系数 K 值计算换热设备传热面积以及确定传热管内流速 再利用计算出来的这 些结构参数反算 K 值 验证其选取是否合理 表 3 为常见溴化锂制冷机组的 K 值选取范 围 管 材 双效高 压发生 器 双效低 压发生 器 单效发 生器 蒸发器冷凝器吸收器换热器回热器 铜管1200 1600 900 1300 900 1200 2000 2800 3500 5200 800 1200230 600 230 600钢管700 900 600 800 600 800 2000 2300 1700 3000 400 800 表 3常见溴化锂制冷机组的 K 值选取范围 溴化锂制冷机组的各设备换热系数 K 值确定之后 可利用索柯夫近似特性方程式计 算出换热设备的传热面积 计算公式如式 1 所示 西安工业大学毕业设计 论文 第 14 页 KaasLAGc b Gc a Q 1 1 4 1 5 4320 1 27 3 65 0 32 7 65 0 1 Q Q 91724KJ 其中 Gc L 为 流量 比热 值较大的工质液体 Gc s 为 流量 比热 值较小的工质液体 为两种换热流体的最大温差 单位为 Q 为吸收器换热器的热负荷 a b 是与换热设备中工质流动状态相关的常数 其中逆流时 a 0 65 叉流时 a 0 45 0 55 b 均为 0 65 吸收器的工质流动方式为逆流 可将索柯夫近似特性方程转换为吸收器传热面积计 算公式 即式 2 29165 035 09ttttttKa Qa A www a 4 2 41 078 065 03 278 035 04 074 05 4 97412 Aa Aa 320m 2 本文的设计采用传热性能较好的铜管作为传热管 因此根据表三以及机组设计参数可 以初选 K 值为 1100 综合机组内部的结构尺寸要求及初步计算 按照经验选择使用的传 热管外径为 12mm 传热管壁厚 1mm 传热管长 有效长度 400mm 传热管内冷却水的流 速为 1m s 当换热器的传热管为圆管 且假定内外侧都有污垢出现时 传热管传热系数 Ka 的数值可有经验公式 3 计算可得 传热系数的值主要由传热管管壁两侧的传热系数决 定 m i m f f i rir f f Ka 11 1 0 0 4 3 西安工业大学毕业设计 论文 第 15 页 300 250 2 4 1 000017 04 1 300 400 380 61 0 1 1 1 Ka Ka 4 17 其中 a0为传热管外的放热系数 ai为传热管内的放热系数 这两项与传热系数数值 关系最大 r0为传热管外表面的污垢热阻 ri为传热管内表面的污垢热阻 传热管外表面 为溴化锂工质溶液 由于溴化锂溶液添加了多种增强剂以及防腐剂 同时溴化锂溶液本 身也会出现结晶 可能在外表面形成一定的污垢热阻 根据经验可选取为 0 000017m 2 K W 而传热管内表面主要为净化后的水 由于本设计的冷却塔位于机组内部 封闭运行 有加入了净化设备 可假设传热管内表面污垢热阻为 0 f0为传热管外表面积 fi为传热管内表面积 fm为传热管内外表面的平均面积 为传热管壁厚 可由传热管结 构尺寸计算可得 为传热管材料的导热率 传热管采用 TP2 无磷铜作为材料 其导热 率为 380W m K 国内外对溴化锂吸收式制冷机组吸收器的传热 传质过程进行的实验和理论研究表 明 吸收器管外溶液喷淋侧放热系数 a0影响因素较为复杂 理论计算结果与实际数据变 化很大 因此只能在一定范围内使用经验公式来计算 当喷淋溶液浓度为 55 61 溴化锂溶液温度范围为 40 55 吸收器换热管外径为 12 20mm 之间时 可利用经验公 式 4 计算 615 0 10 10 0 28 1 89 0 3 117163 1 L W 4 4 3002 416 0 732 08 1 172 089 0 3 117163 10 0 4 5 其中 W 为第一排管子上喷淋溶液量 L 为传热管的长度 从上式可以看到 如果提高 W 2L 就可以提高 a0 但是如果 W 2L 过大 循环量倍率变大 使得混合后的喷淋出口处溴 化锂浓溶液的浓度下降 同时吸收泵的负担也增大 吸收器管内冷却水的放热系数 ai 可由经验公式 5 计算得 其中 tm 为传热管内水的 平均温度 w 为冷却水在传热管内部的流速 di为传热管的内径 单位为 m 2 0 3 0 191230 163 1 i mi d t 4 5 西安工业大学毕业设计 论文 第 16 页 2 0 3 0 12 0 7 3 35191230 163 1 i i 4 8 利用式 1 计算完传热面积后 利用式 5 可直接计算出所需的传热管根数 同时为了提 高传热系数 可利用增加流程数的办法来提高介质在传热管的流速 但是随着流程数的 增加 工质流动阻力的损失也增加 初选流速之后可根据式 3 计算 Ld A n i 4 6 30012 014 3 9000 n n 79 6 V dn m i 4 3600 2 4 7 4374 12 014 37 34 793600 2 m m 6 5 经计算传热管数为 79 6 由于传热管数 n 必须为整数 则取传热管数为 80 根 利用 式 6 可算得传热管的流程数为 6 5 由于流程数也必须为整数且必须能被管数整除 本文 中取整为 8 个 吸收器的传热管采用纯铜管 管型为光管或高效传热管 由于吸热器运行过程中不 只是传热过程 还包括蒸汽和溴化锂溶液的传质过程 因此采用十字花柄可以极大地提 升吸收器传热管的传热系数 同时由于吸收器是制冷机组中压力最低的地方 机组运行 产生的不凝性气体容易在此处积累 因此我们设计的机组在低压腔上部 设计排布了抽 气管系来排除非凝性气体 4 24 2 蒸发器设计蒸发器设计 蒸发器与吸收器的压力相同 都布置在低压腔内 其作用是利用低压状态下冷剂水蒸 西安工业大学毕业设计 论文 第 17 页 发吸热的原理 来为冷媒水降温 蒸发器中的传热管可以采用光管或者高效传热管 如 肋片管 螺纹管及大波纹管等 蒸发管在运行时 由于蒸发压力很低 一般采用管壳式结构的喷淋式换热器 发生器 中产生的蒸汽 进入冷凝器凝结成水 再进入节流器降压之后进入蒸发器 并集结在蒸 发器的下部的盘里 冷剂水泵不停的将蓄水盘的冷剂通过喷淋管送入喷嘴雾化后 再喷 淋在蒸发器内部的传热管簇上 喷淋在传热管簇上的冷剂水在低压下蒸发吸取冷媒水的 热量 蒸发器的热负荷计算同样使用索柯夫近似特性方程 但与式 2 略有不同的是常数 a b 的选取 由于蒸发器中从冷凝器流入的冷剂水为一元溶液 其蒸发时吸收热量温度保持 不变 则其中的温度差为 0 所以 a 值部分不必计算 蒸发器中 K 值可以使用式 3 计算 传热管内的冷却水放热系数的计算方式与吸收器相 同 不同的是传热管外冷剂水蒸发侧的放热系数计算 其可有经验公式 7 计算的 其中 C 为比例常数 其取值与蒸发器的结构形式相关 Pr 为普朗特常数 为水的热导率 v 为 水的运动粘性系数 W 为一排传热管上的冷剂喷淋量 L 为传热管长度 为液膜厚度 这些都与蒸发器的结构参数有关 vL W C 1 2 P 3 1 r0 4 8 8 0 6 2 24 0 10346 0 1 32 104 2 1062 64 0 72 本文设计的蒸发器采用与吸收器直径相同的传热管 管径为 12mm 长度为 300mm 经 计算共需 72 根 取整之后 流程数为 6 每流程传热管数为 12 根 为减少冷剂水蒸气 的压力损失 在设计中尽量加大了传热管的间隙 使得排布方式更有利于蒸气的散发进 入吸收器当中 同时 为了减少低压腔的压力 防止蒸气将液滴带入吸收器之中 还设 置了曲折性挡水板 本文设计的挡水板使用聚氯乙烯薄膜 可有效的降低蒸气的压力损 失 并能拦截页面中的水滴 由于蒸发器与吸收器在同一个腔体内 其布置方式主要有左右平行布置 左中右布 置以及上下布置 如图 4 所示 其中最常见的为左右布置 其结构简单易于实现 水蒸 气进入吸收器压力损失小 左中右布置方式更有利于冷剂蒸气的吸收 但是其结构复杂 需要设计复杂的挡液装置 但是其结构不够紧凑 会导致整个腔体结构变大 不易在本 文设计的小型机组上使用 西安工业大学毕业设计 论文 第 18 页 图 4低压腔内的蒸发器与吸收器布置形式 综合吸收器和蒸发器的要求 本文设计的低压腔如图 5 所示 冷凝水和稀溶液液位计 可安置在箱体侧面 图中只留出了安装孔 未将其画出 低压腔内吸收器和蒸发器左右 布置 均为喷淋式换热器 其中吸收器内的喷流器为防止水滴溅出 还安装有挡板 在 腔体中间安装有挡液装置 以防止冷剂水液滴随冷剂蒸气进入到吸收器内 挡液装置为 型 90 摄氏度薄膜 腔体内部的接头采用标准的 KF 系列接口 方便拆装 而外部采用 更为耐用的法兰接头 在腔体正面装有两个观察窗 便于观察腔体内部运行情况 1 低压箱腔体2 冷媒水入口3 冷剂水混合喷淋器4 冷媒水出口5 蒸发器冷却水入口6 蒸 发器冷却水出口7 蒸发器混合喷淋器8 腔体盖板9 观察窗10 蒸发器11 挡液装置 12 发生器13 冷剂水入口14 冷剂水出口15 测温盲管16 低压真空表17 蒸发器喷淋挡 板18 KF16 真空波纹管若干19 KF16 卡扣若干 图 5机组低压箱三维结构图 西安工业大学毕业设计 论文 第 19 页 4 34 3 发生器的设计发生器的设计 发生器的功能是使从低压腔内输送的溴化锂稀溶液受热浓缩释放出水蒸气 发生器主 要由以下几部分构成 传热管 筒体 隔板 挡液装置 自动溶晶管以及液囊等 发生 器内的换热设备是其最重要的组件 为实现机组的低温热源驱动 本文的设计采用了本 课题组开发的专利技术 即利用超声波发生器的超声空化效果来加强发生器内的传热传 质效果 实验表明 超声空化效果在驱动热源温度为 65 80 的情况下 能够提升大于 20 的强化传质效果 而且在一定温度条件下 当驱动热源水温度越低时 这种超声空化 强化效果就越明显 同时为了提升换热设备的传热性能 本文还在换热设备的核心部件传热管上采用具有 强化传热功能的表面微结构 对提升换热设备的效率显得尤为重要 本文设计的发生器 采用犁切 挤压方式加工的高性能三维外翅片管作为传热管 可有效的提升低温热源下的 传热系数 本文设计的发生器热负荷为 14 66KW 采用有效长度为 300mm 管径为 12mm 的铜传热管 管内流速为 2m s 传热管内侧换热系数可有经验公式 8 得 8 0 4 0 r0P023 0 d di 4 9 8 0 6 2 4 0 0 10346 0 12 02 12 0 107 67 62 6023 0 0 90 其中 Pr 为普朗特常数 为水的热导系数 67 7 10 2W m K v 为水的运动粘度 0 346 10 6m2 s 经计算并取整可得 所需管数为 90 流程数为 5 在