新型太阳能无泵双效溴化锂吸收式制冷机的实验研究

1、新型太阳能无泵双效溴化锂吸收式制冷机的实验研究摘 要本文是有关新型太阳能无泵双效溴化锂吸收式制冷机的实验研究。通过使用具有弦月形热虹吸提升管的第二级发生器，相比于传统吸收制冷系统所需的100摄氏度，热源所需的最低驱动温度仅仅为68摄氏度。基于水平管降膜的方法，吸收器的性能可以通过第二发生器得到提高，由于在吸收器进口和出口浓度差的增加以及吸收器冷冻水进口与出口温度差的增加。相比于第二级发生器关闭的情况，第二级发生器的开启使得冷剂水的产量增加了68%。由于增加了冷冻水的温度降并降低了冷冻水出口温度，使得蒸发器的性能显著提高。这将导致整个制冷系统的性能的改善。最大性能系数(COP)将接近0.787。

2、1 引言近年来,许多研究(李。格罗斯曼,2002)进行了由太阳能驱动的制冷系统,达到节约常规能源,减少环境污染的成果。尽管多种制冷系统已经开发和研究(洛兹伦特，1993；莱瑞，1995；约戈特，1992；程.帕特，1993),但是一些缺点在传统吸收制冷系统仍然尚未克服。其中包括系统的复杂性和高生产成本(包括溶液泵、压缩机等),严格要求的供热质量、数量,和太阳能利用的低效率。因为太阳能加热系统需要长期运行在一个稳定状态的困难,联合驱动的制冷循环热量和电能正在提高。压缩机用于维持稳定的能源源源不断地输入吸收制冷系统(陈。哈瑞,1999),然而这仍然消耗能量。许多系统已经开发了高温(如过超过100摄

3、氏度)热源。许多专门开发的产品,比如川崎WFC-S热水型单效吸收式制冷机用泡沫泵或机械溶液泵,可以由热水从太阳能加热源加热到70摄氏度到95 摄氏度之间。无泵吸收制冷系统没有溶液泵是有吸引力的,因为这个系统是由低温热源驱动的。更简单的系统配置带有无泵吸收制冷系统使得小型系统为国内应用成为可能。因此，本研究的主要目的是提出一种新型紧凑无泵 (没有发生器泵、蒸发器泵和吸收泵)冷水机组并且评估其性能相比传统吸收式制冷系统有何特点。其目标制冷能力为4千瓦。2 实验安排21 实验装置实验仪器的原理图1所示。装置包括：模拟太阳能集热器装置,半月形的热虹吸管高度管,气液分离器,第二级发生器,冷凝器,降膜吸收

4、器,降膜蒸发器、水库和热交换器的解决方案。所有的组件都是由不锈钢制作除了换热设备,这是铜作为制作材料。第二级发生器固定在气液分离器内它是由10毫米OD(外径)的盘绕铜管道组成的。热虹吸管高度管有两个半月形的管道它有1800毫米长。每个通道的高度管是由32毫米外径的外管和19毫米内径的内胎组成。图2显示了一个横断面视图的溶液提升管的一个半月形的通道的示意图。模拟太阳能收集器的热水注入内部提升管的一部分,外管的直接通道和第二级发生器三个并联管路。两个流监管机构用于调整体积流量这些管路。在热水泵的驱动下，热水通过高程管在同一方向当溴化锂水溶液流向半月形的通道时。蒸汽在提升管和气液分离器中生成,由分离

5、器隔板分开,然后通过折流板通道进入冷凝器,蒸汽路线有一个箭头在图1中表示。冷凝水在冷凝器中形成并且流入蒸发器通过液体流量计和u形节流管蒸发。浓(集中)溶液从气液分离器内流入换热器内并混合,然后流入吸收器吸收蒸汽。因此,溶液就会被稀释成为稀溶液。这种溶液流入溶液热交换器通过来自气液分离器的浓溶液被加热。图1 无泵溴化锂吸收式制冷系统原理图 图2 半月形升高管的原理图蒸发器与吸收器组装在一个单元内(见图3)。吸收器在单元的内部但是在蒸发器在单元的外部。滴淋盘(见图3 b)被固定在蒸发器和吸收器的顶部。垂直方向上的孔2 - 3毫米大小，而面对的水平盘管包裹的的不锈钢网筛则有10网格/英寸。孔均匀分布

6、在两个同心圆内,用于喷淋浓溶液到吸收器的盘管的外表面,而小孔位于一个圈外用于喷冷凝水到蒸发器的盘管的外表面。因此,冷凝水或浓溶液可以定期通过均匀间隔的水滴孔喷到水平管道上。因此,水盘碓管表面的液体分布和润湿有很大的影响。两种溶液的采样设备用于测量在吸收器的进口和出口处的溶液浓度。冷却水在吸收器和冷凝器的流动分别来自两个辅助恒温水箱。22 测试装置在目前的研究中,高浓度溶液的体积和冷凝水的产量是由两个流量计测量，其相对误差为2%。在这个系统中低于大气压的压力是由一个u形汞测量真空压力计测量的,其压力最小是1毫米汞(133.29 Pa)。19个校准铜=康铜热电偶用于监控在不同的测量温度变化点。电信

7、号从这些热电偶采集、传输和分析了一个孤立数字处理单元。由计算机直接处理温度记录。测量温度的精度为±0.1 摄氏度。.玻璃水银热电偶是用来测量溴化锂溶液的温度并确定它的浓度,测量精度为±0.1摄氏度。波美比重计的密度误差为±0.01 g / ml。溶液的浓度可以确定溴化锂水溶液的相对密度温度图。模拟太阳能热源温度控制器是一个电加热系统。热水可以获得一个稳定的温度,其温度波动只是±0.1摄氏度。图3 截面：（a）蒸发器/吸收器结构（b）水盘结构3. 小型无泵制冷系统设备的关键点3.1 提升管和二级发生器在新月状的通道,单相的溶液在过冷状态首先是在加热管底部被

8、加热,然后小蒸汽泡沫开始出现在通道壁的表面,特别是在新月状的通道的尖角的地方。溶液的过冷沸腾发生在这个过程。溶液不断的热水半月形的通道外被加热,蒸汽泡沫不断成长并与彼此合并,导致泡状流和弹状流产生。饱和泡核沸腾发生在这个地区。在经过半月形的通道,溶液和管壁之间的接触面积增加,并相应地增加传热系数。新月状的通道的尖角的地方帮助沸腾核大量增加。因此,蒸汽泡沫低过热溶液的形式很容易降低过热。溴化锂溶液被加热过程贯穿了整个管道通过热水从半月形的通道两侧通过。蒸汽泡沫生成的最早在尖角的地方,迅速离开通道壁并正朝着更广泛的空间流过对流半月形的通道。因此,二次流(涡流)形成。与此同时,蒸汽泡沫不断被压缩和变

9、形在狭窄的通道的限制下。加热溶液时两相溶液中的气体含量不断增加。因此,不同密度之间的两相溶液的弱解进一步增加。纵向流动加速,然后由横向二次流叠加。最后,一个传热通道大大增强了强烈“涡流”效应产生。热水之间的温差和两相溶液进一步降低)。通过这种方式,两相溶液不断升高到气液分离器驱动的温度。当两相溶液进一步加热到热水的二级发生器的真空压力下时,溶液的浓度进一步增加,在冷凝器中蒸发的数量也增加。因此, 第二个发生器打开时冷凝水的产量比关闭时更多。3.2 降膜蒸发/吸收一般来说,有三个因素影响降膜蒸发器和吸收器的性能。第一个是液膜的厚度。蒸气分子也应该足够使得薄液膜蒸发或有效吸收。第二个是液膜在盘管的

10、表面的时间。足够长的时间对于许多蒸汽分子而言可以有效生成或吸收。第三是蒸发器和吸收器之间的压差。在最优的压差下, 在蒸发器产生的蒸汽可以立即在吸收器吸收。基于这三个因素,一个新的蒸发器/吸收器结构被设计出来。本研究中使用的机制是基于水平管降膜理论(加尼奇,1980;考卡莫斯 塔否格勒瑞和陈,1980)。蒸发和吸收可以被蒸汽横向气流影响,这将抵消液滴。液膜下落的方法是落在水平管,而不是垂直管,用该系统的动能增加液膜的润湿率或传质热表面。线圈在吸收器和蒸发器管道用筛网获得更多的液膜。液膜的厚度与网格大小密切相关。当网格数量相对较大,液膜变厚;当网格的数量相对较少,液膜变薄。然而,如果网格数量太小,

11、 由于液膜的表面张力增加，膜内的液体不能停留在盘管表面足够长的时间。如果液膜太厚,耐传热传质将会增加。因此,筛网尺寸应该选择可以过得合适的液膜厚度,并允许液体表面保持更长时间的盘管。因此, 液膜应该立即附在表面并且流在水平管以提高热量由于表面的润湿率的增加。降膜蒸发过程中,冷凝水被喷在冷凝管的外表面以降膜蒸发的形式蒸发。当冷凝水蒸发时,传热过程占主导地位。在传热过程中,水分子逃离了液膜(盘管表面),改变了气相。蒸气分子首先进入饱和气相边界接口,与液膜表面具有相同的温度。当蒸汽在这个边界界面的分压高于周围的蒸汽时,饱和气相边界接口的蒸汽分子将扩散到周围的蒸汽。同时,水分子在液膜表面将不断逃离到饱

12、和气相边界接口。因此,蒸发过程连续。由于蒸发蒸汽分子的数量的增加,蒸汽温度和蒸发压力会随着传热过程的进行逐渐上升。使传热过程连续,蒸发器的蒸汽必须使吸收器/蒸发器压力保持在正确的范围。因此,蒸发过程和吸收过程应该是耦合的。产生的制冷效果是由于冷冻水在盘管蒸发器内流动使温度下降。吸收热量过程和质量传递过程共存,因为他们是耦合的。在蒸汽被溶液液膜表面吸收后,溴化锂水溶液稀释。在这个过程中,吸收的热量被在水平管内向上流动的水吸收。质量传递是由于被吸收的物质压力之间的差异和吸收剂的蒸气压在给定的温度和浓度不同。由于温度下降和溴化锂溶液浓度的增加，吸收剂的蒸气压在蒸发器溶液界面减少。周围的蒸汽分压较低冷

13、却管应保持让传质过程连续(格罗斯曼,1983;金,1995;邓和马,1999;里维拉和席克丽,2001)。当来自水平管的液膜流到另一个它下面,根据增加流量,流量可能以液滴的形式,循环喷射或连续的喷射。这些降膜模式在传热传质中起着重要的作用 (罗伯特斯基和雅可比,2005)。4. 讨论4.1 系统性能为了评估新型无泵吸收制冷系统的性能,性能系数(COP)被定义为：COP = Q0/（Qg+W）式中，Q0为制冷能力,Qg为热输入(带有第二级发生器半月形的热虹吸管高度管的热负荷)，W是热水泵、冷却水泵和冷水泵消耗的总电能。Q0和Qg表示为：Q0=cp.0G0t1Qg=cp.h（Ght2+Ght2）式

14、中，G0,Gh和Gh0冷冻水,上升管热水和在二级发生器的热水的热量。这里,cp.0和cp.h是恒压比热的冷水和热水,Dt1蒸发器的进口和出口之间冷冻水的温差,Dt2是高程的热水管的内胎和连续加热套进口和出口之间的温差,Dt20热水在二级发生器进口和出口之间的温差。在这项研究中,随机误差测量结果不确定度估计在95%，置信区间在7.3%,该方法被科尔曼和斯蒂尔所描述(1999)。表1给出了计算结果,Q0 Qg和性能系数作为一个功能不同的热水和冷水的温度下相同的质量流率G0 = 0.266kg/ s,Gh = 0.220kg/ s和Gh0 = 0.079kg/ s,W = 1.75kw。Q0和Qg的

15、最大值在所有的实验都是4.976千瓦和5.042千瓦。表2给出了二级发生器开启和关闭时制冷机的性能。这种性能受到几个因素的影响,如吸收率,浓度差,冷凝的收益率,各种冷冻容量和性能系数。 表1 不同实验条件下的数据表2 对比二级发生器开关时的参数4.2 热源温度分析图4表明,浓溶液的气液分离器出口温度随进口温度的热水温度变化而变化。二级发生器用于系统时,气液分离器出口的浓溶液温度高于二级发生器关闭时的温度,因为有热水加热二级发生器。也表示,供应热水的温度可以降低因为二级发生器传热气液分离器浓溶液有相同的出口温度。图5显示了COP和制冷能力Q0作为热水温度的函数。显然,COP和制冷能力显示预期的行

16、为特征:他们逐渐在低温段增加热水温度。随着热水温度的进一步提高，COP略有减少。COP和制冷能力往往只是略高于周围的排热温度。图4 在有无二级发生器时热水出口温度和浓溶液出口温度的比较曲线图5 热水温度对制冷能力和COP的影响4.3 吸收器/蒸发器性能分析图6表明进口和出口之间的冷却水温差的吸收随吸收器浓溶液入口温度的变化。冷却水的温度增加而增加进口溶液质量流率时温度和冷却水的进口温度维持在稳定的条件下。这表明吸收器的传热过程可以增强降膜吸收性能。可能由于这一事实，传热速率增加是由于冷却水和浓溶液温差的增加。因此,冷却水的温度上升时,应使其质量率保持不变。为了对吸收器性能进行评价，传质方程（吸

17、收）应遵从以下公式Ga=KgAt（Pa-Pa）式中，Ga是制冷剂吸收剂吸收的总重量,Kg是吸收系数,A是接触区域(传热面积),t是接触时间,(pa是吸收器的蒸汽压力，pa是溴化锂溶液表面的平衡水汽压定义，根据拉乌尔定律:Pa=P0H2OxH2O=P0H2O(1-xLiBr)其中p0H2O是饱和蒸汽压力,随蒸发温度降低而降低,xLiBr是溴化锂的摩尔分数。传质驱动潜在增加进口溴化锂溶液的浓度，也降低浓溶液进气温度。如图7所示,吸收速度增加降低了吸收器浓溶液进口温度。这表明吸收器制冷剂的流量增加,吸收效果增强。图6 吸收器冷水温度随浓溶液进口温度的变化图7 吸收率随浓溶液进口温度变化的影响图8显示

18、了随冷冻水的温度下降,蒸发器冷凝水入口温度的三种不同的冷冻水的质量流率。冷冻水的温度下降可以制冷能力，当一定质量流率时，冷冻水和冷却水的进口温度是稳定的。也看到,制冷能力随冷凝温度的增加。冷凝水流入蒸发器,越多的汽化潜热被冷凝水吸收。因此,制冷能力也增加。图8 冷冻水温度下降随蒸发器冷凝水入口温度的变化4.4 压差和初始溶液浓度的影响二级发生器也可以用来调节电容器的真空压力。通过监测流量或在二级发生器热水的温度，可以调节冷凝器和蒸发器之间的压力差异。图9显示,冷凝压力的增加会减少的浓溶液体积流率。在不同冷凝压力测量升高溶液的体积流率。操作条件如下:热水的入口温度是84度,质量流率的高程的热水管是2.2-10.1kg/ s,二级发生器的热水质量流率是7.9-10. 2kg/ s.图9 溶液体积流率和冷凝压力之间的联系如表3所示,浓溶液体积流率的增加,降低稀溶液进气浓度。建议的最佳浓度为50%。相对较高的浓度时,溶液的粘滞阻力增加。因此,很难提升溶液。如果浓度相对较低,产生的浓溶液浓度较低,因此,吸收效果会