第四章-溴化锂吸收式制冷机的热力计算-

基本内容：设计条件、循环流程的确定热力计算传热计算第四章溴化锂吸收式制冷机的热力计算溴冷机的计算分设计计算与校核计算：设计计算的任务：根据设计任务书提出的要求和给定的条件，进行制冷循环计算，以求得与制冷量相适应的工作介质循环量和各换热设备的热负荷，确定传热面积、结构以及配管尺寸，泵、阀型号选择等。设计计算包括：设计条件的确定热力计算传热计算结构计算设计条件：驱动热源和冷却水条件，以及制冷量和载冷剂温度，对溴化锂机组可根据国标规定的机组名义工况和性能指标选取。热力计算：绘制h-ξ图，根据设计条件来确定循环流程的状态点参数，进而求出各换热设备的热负荷和各种工作介质的流量。传热计算：根据热力计算结果，合理的选取传热系数，确定传热温差，以求得各个换热设备的传热面积。结构计算：根据上述热力和传热等热工计算的结果，设计确定机组的结构型式和尺寸，包括各换热器的结构布置，喷淋系统设计，管内流速和流程阻力计算。设计条件系列产品的设计条件根据行业标准选定，非系列产品的设计条件根据用户要求确定。制冷量Qe根据用户要求或根据企业的规格参数，在进行冷量设计时，还应考虑冷媒水输送过程中的冷损耗和在制冷机运行中可能出

现的制冷量下降的各种不利因素。因此，设计时制冷量Qe增加5~15％。冷冻水出口温度te"7~16℃，我国现行标准有7、10、13℃工况参数，一般取7℃。过低：①容易结晶，②冻结现象。所以在满足空调运行要求的前提下，尽可能采用温度较高的冷冻水。冷却水进口温度ta'32℃，也可根据用户要求。冷却水进口温度越低，制冷机热效率越高。但太低，如低于20℃，会造成溶液结晶（串联）或冷剂水污染（倒串联），所以一般在25-32℃。加热热源参数蒸汽，表压大于0.05-0.15MPa

。一般pa(absolute)

＝

0.15-0.2MPa，用单效；pa＝0.4-0.6MPa，用双效。热水进口温度没有强制规定，一般为85-150℃。循环流程的选择循环流程根据加热热源的参数，可选择单效和双效循环流程。双效溴化锂制冷机由于溶液回路流程的不同，又可分为串联流程、并联流程（又称分流流程）和串并联流程。串联流程又有串联流程和倒串联流程之分。状态点参数的确定各换热设备的热负荷计算介质流量计算4.2

热力计算蒸发温度te比冷冻水出口温度低2-3℃。出水温度高，取大值，低取小值。te=te"-(2-3℃)蒸发压力Pe根据蒸发温度，查饱和水蒸汽表。吸收压力Pa一般低于蒸发压力27-80pa，因为蒸发器出来的冷剂蒸汽要通过挡液板及部分传热管排才能被溶液吸收。冷凝温度tc一般比冷凝器冷却水出口温度高2.5-5℃。冷凝压力Pc根据冷凝温度tc，查饱和水蒸汽表。发生压力Pg对单效机组与双效低压发生器，可以不考虑挡液板的阻力损失，近似认为Pg＝Pc。对双效高压发生器Pg1一般为0.05-0.095MPa

(370-700mmHg)。对较低加热热源，可选小值；对较高压力的热源可取大值。压力不能太高，主要是溶液沸点越高，温度也越高，给防腐带来困难。吸收器出口冷却水温ta’’与冷凝器出口冷却水温tc’’据冷却水的流程：△t=

△tw1

+△tw2△tw1—冷却水在吸收器内的温升△tw2—冷却水在冷凝器内的温升单效机组：总温升7-9℃，△tw1/△tw2＝1.4/1双效机组：总温升5.5-6℃，△tw1/△tw2＝2/1－2.4/14.2.1

状态点参数的确定发生过程终了的溶液温度t4对单效流程：溶液与驱动热源之间的传热温差△tg＝10-30℃，通常不超过101℃。对串联双效：高压发生器，溶液与驱动热源之间温差△t＝10-20℃，通常为140-160℃。低压发生器：浓溶液与高压发生器来的冷剂蒸汽温度的温差为5-15℃。4.2.1

状态点参数的确定发生终了的浓溶液质量分数ξ和焓值根据P-t查h-ξ图。单效：ξ＝59％-65％；双效：高压发生器，ξ＝57％-62％；低压发生器，ξ＝59％-64％。吸收过程终了稀溶液温度t2t2=ta’’（吸收器冷却水出口温度）+△t2，△t2一般为2-5℃。吸收过程终了稀溶液的质量分数ξ和焓值h根据P－t，查h－ξ图。ξ＝54％-60％。放汽范围△ξ单效：4％-5％；串联双效：4.5％-5.5％。高压2.0-3.5％，低压1.5-2.5％，串联双效为高、低压发生器的放气之和。并联双效：4.0-6.0％和3.5-5.0％。△ξ小，溶液循环量大，热效率低；△ξ大，溶液循环量小，热效率高，但△ξ太大时，ξ出大，易结晶。稀溶液的循环倍率f定义：每发生单位质量流量制冷剂蒸汽所需送入发生器的稀溶液质量流量。f＝Fm,a/Dm,D＝发生终了的ξ/放气范围再循环倍率af(吸收器自身循环)定义：每吸收单位质量流量制冷剂蒸汽所需送入吸收器的稀溶液质量流量。对单效：10-50；对双效：10。溶液热交换器的状态点参数浓溶液出热交换器的温度(t8)：应比对应ξr所对应的结晶温度高10℃以上，以防止热交换器出口处产生结晶；一般按

t8=t2+（15~25）

℃；稀溶液出热交换器的温度(t7)：可由ξa和浓溶液出口焓值(h7)从h-ξ图上查得。h7可根据热交换器的热平衡式确定。4.2.2

各换热设备的热负荷计算(单效循环)PkPePkPeiξξaξr2574899'3''3'1'31●●1、发生器热负荷Qg和单位热负荷qgh3'Dm,DQgDm,ah7ξa(Dm,a-Dm,D)h4ξr

Dm,D

h3'

Dm,a

Dm,D

h4Dm,a

h7

QgQg

Dm,D

h3'

h4

Dm,a

h4

h7

qg

h3'

h4

f

(h4

h7

)

h3'

(

f

1)h4

fh7Df

m,a

Dm,D式中：（循环倍率）4.2.2

各换热设备的热负荷计算(单效循环)Qg：工作介质的加热量；qg：发生器产生单位质量流量制冷剂蒸汽所需的工作介质的加热量。Dm,Dh3'QcDm,Dh32、冷凝器热负荷Qc和单位热负荷qcDm,D

h3

Qc

Dm,D

h3'Qc

Dm,D

h3'

h3

qc

h3'

h3两边同除则Dm,D式中：Qc：冷凝过程中冷却水带走的热流量；

qc：冷凝器凝结单位质量流量制冷剂蒸汽时，冷却水带走的热量。3、蒸发器热负荷Qe和单位热负荷qeQeDm,Dh1Dm,Dh1'列出热平衡式：Dm,D

h1

Qe

Dm,D

h1'Qe

Dm,D

h1'

h1

qe

h1'

h1两边同除则Dm,D4、吸收器热负荷Qa和单位热负荷qaQa(Dm,a-Dm,D)h8Dm,Dh1'Dm,ah2列出热平衡式：m,D

8m,am,a

2

a

m,D

1'h

D

D

hD

h

Q

DQa

Dm,D

h1'

h8

Dm,a

h8

h2

两边同除则Dm,Dqa

h1'

h8

f

(h8

h2

)能量平衡：

Df

m,D

9m,Dm,af

m,D

2m,D

8m,a

D

D

D

hD

h

h

Df8

f

2

f

1

h

h

f

1

9即

h

质量平衡：

m,a

m,D

r

f

m,D

aDm,a

Dm,D

f

Dm,D

9

D

D

D

rf

f

af

1

f

1

9两边同除即Dm,DQ

0

(Dm,a-Dm,D)h8Dm,Dh1'Dm,ah2ξr(Dm,a-Dm,D+αfDm,D)h9ξ9ξaαfDm,Dh2ξa如采用喷淋，喷淋溶液：5、溶液换热器的热负荷Qh和单位热负荷qhDm,ah7(Dm,a-Dm,D)h4Dm,ah2(Dm,a-Dm,D)h8则

qh

f

h7

h2

f

1

h4

h8

热平衡式：Qh

Dm,a

h7

h2

Dm,a

Dm,D

h4

h8

两边同除Dm,D6、热平衡及热力系数热平衡：机组的热平衡式：Qg

Qin

Qout

Qe

Qc

QaQg

qg

qe

Qe设计时，应使：热力系数：

1%ag

q

q

q

q

e

cqg

qeqg

qe

qc

qa运行时，应使：

7.5%ag

Q

Q

Q

Q

e

cQg

Qe4.2.3

介质流量计算驱动热源消耗量rG

g

1

e

Qm,

g式中：e－工作蒸汽耗量的附加系数，e=3-5%，考虑各项热损失；r－加热蒸汽的汽化潜热。2.热水型机组p,h

h1

h

2

1

e

Qg

c

t

t

Gm,

g1.加热蒸汽质量流量：3.热源单耗Qeg

Gm,

g冷冻水和冷却水体积流量Vs、VwQe水

p

s1

s

2

c

t

t

sV

Qa

Qc水

p

w2

w1

c

t

t

wV

注意：在串联双效中，应使Vw1、Vw2接近。c

-冷冻水比热容，kJ/(kg·K)pts1-ts2-冷冻水温度变化，Kc

-冷却水比热容，kJ/(kg·K)pts1-ts2-冷却水温度变化，K制冷剂泵体积流量Vr制冷剂的再循环倍率αc：每产生单位质量制冷剂蒸汽所需送入蒸发器喷淋装置的制冷剂质量流量，一般αc＝10。r

V

c

Dm,D因此溶液泵体积流量Vs(1)分设发生器泵和吸收器泵的场合Vs

1

fDm,D

/

aVs

2

f

1

f

Dm,D

/

pa.发生器泵：b.吸收器泵：(2)仅设一个溶液泵，浓溶液直接进入吸收器Vs

fDm,D

/

a溶液泵体积流量Vs在选取溶液泵体积流量时，除计算上述流量外，还应考虑送至自动抽气装置中作抽除不凝性气体驱动能源的溶液流量，以及作其它用途的溶液流量（如冲辛醇管中的流量等）。各种泵的规格，应根据算出的体积流量和流动阻力选取。4.2.4

传热计算根据热量计算的结果，合理地选取或计算传热系数，进而求出各个换热器的传热面积，为机组的结构设计计算提供条件。传热面积按下式计算：Qk

tmax

a

ts

b

t1

A

如果传热过程中，有一种流体发生了集态变化（如冷凝器中冷凝剂水蒸气的凝结等），则△ts=0，计算公式简化为：Qk

tmax

b

t1

A

△ts

－温度变化较小的流体在换热器内的进、出口温差；△t1

－温度变化较大的流体在换热器内的进、出口温差；a、b－系数；△tmax－冷热流体间最大温差；k－传热系数。热系数01

d

d1iiiik

1

d

0

d0

ri

ln

r0

2

di

式中d0、di－外、内径；αi－内侧表面传热系数；

ri－内表面污垢热阻；r0－外表面污垢热阻；

λ－热导率。（1）以圆管内表面为基准：（2）以圆管外表面为基准：1)ooo1

d

d2

di1

d

i

di

ro

lno

(ri

ok

传热面积（1）发生器：①蒸汽型：kg

[(th

ts

)

0.65(to

ts

)]QggA

Qgg②热水型：

A

hoo

skg

[(thi

ts)

0.5(thi

t)

0.65(t

t

)]kg---发生器的传热系数;th---加热蒸汽相应压力下的饱和温度；

to---发生过程结束时溶液的温度；ts---稀溶液在相应压力下的饱和温度；thi、tho---热水的进、出口温度。（2）冷凝器kc

[(tk

tw1

)

0.65(tw2

tw1

)]QccA

kc---冷凝器的传热系数;tk---冷凝温度；tw1、tw2---冷凝器冷却水(或直燃型机组采暖工况的热水)的进、出口温度Qee（3）蒸发器

：

A

ec1c

2ke

[(tc1

t

)

0.65(t

t

)]ke---蒸发器的传热系数;te---蒸发温度；tc1、tc2---冷水的进、出口温度（4）吸收器：Qaaaiaoka

[(tai

tw1

)

0.5(tw2

tw1

)

0.65(t

t

)]A

tt

si

wiwowi

si

soQA

t

k

[(t

t

)

0.35(t

t

)

0.65(t

t

)]ka---吸收器的传热系数;tai---吸收器入口浓溶液喷淋温度；tao---吸收器出口稀溶液温度；

tw1、tw2---冷却水进出口温度；（5）溶液热交换器kt---热交换器的传热系数;tsi

、tso---浓溶液进出口温度；twi

、two---稀溶液进出口温度；例题单效溴化锂吸收式制冷机热力计算和传热计算示例溶液泵溶液泵调节阀P-4冷却泵节流阀发生器蒸汽溶液热交换器吸收器蒸发器冷媒水冷凝器冷却塔冷却水溶液泵PkPoPkPoh4'3'5'ξξ

aξ

r25748699'1'31热力计算:1.已知参数o①制冷量Q

=3489kW;c1②冷水进口温度t

=12℃;③冷水出口温度t =7

℃

;c2④冷却水进口温度tw=32℃;⑤加热工作蒸汽压力ph=0.196MPa(绝对压力);⑥加热蒸汽温度th=119.

62℃2.设计参数的选定o

o①蒸发温度t

及蒸发压力p:to

=

tc2-△

to故to=7-2=5℃po=872Pa(6.54mmHg)②吸收器压力pa:ap

=po-△pa，取△pa=72Pa，则pa=872-72=800Pa（计算过程可按照与蒸发压力相同）PkPoPkP0ξξ

aξ

r25748699'h4'3'5'1'31③吸收器出口冷却水温度tw1，和冷凝器出口冷却水温度tw2:取冷却水的总温升△tw

=8℃，采用串联流动方式，根据单效机组吸收器和冷凝器热负荷之比，一般为1.3:1，取△

tw1

=4.5℃,△tw2

=3.5℃，则tw1=32+4.

5

=

36.5

℃tw2=36.5+3.5

=

40

℃tw1和tw2的选取是否合适，最后还要由吸收器和冷凝器热负荷计算出来的冷却水量是否相近来确定。④冷凝温度和冷凝压力:tk=tw2+△tk，取△tk=5℃，则tk=40+5=45℃pk=9586Pa⑤吸收器出口稀溶液温度t22

w1

2

2t =

t +

△

t

，取△

t =

5.5

℃，则t2=36.5+5.5=42℃⑥发生器出口浓溶液温度t4⑦放汽范围(ξr-ξa)由

pk=9.6kPa

(71.9mmHg)

，t4=101℃,查图h-ξ图可得ξr=64.0%;0由

p

=0.87kPa

(6mmHg)

，2

at

=42℃，ξ

=59.5%;由此可得ξr-ξa

=64%-59.5%=4.5%。PkPoPkP0hξξ

aξ

r25748699'4'3'5't4=th-

△t4，取△t4

=18.62℃，1'则t4=119.62-18.

62=101℃31⑧溶液热交换器出口浓溶液温度t8t8=t2+△t8，取△t8

=15℃，则t8=42+15=57℃st

=57-40=17℃.8PkPoPkPahξξ

aξ

r25748699'4'3'5'1'由ξr=64%，查溴化锂溶液的结晶曲线，其结晶温度ts约为40℃，t8-3因此，选取△t =15

℃是可行的。13.各状态点参数值①蒸发器出口冷剂蒸汽，点1'.由ξ=0,Po=0.87kPa查h-ξ图汽相等压线，得h'1=2928.67kJ/kg②蒸发器中冷剂水，点1:由ξ=0,Po=0.87kPa查液相等压线，得h1=439.

74kJ/kg③吸收器出口稀溶液，点2:根据t2=42℃，po

=0.87kPa

查液相2等压线，得h

=279.47kJ/kgPkPoPkPaξξ

aξ

r25748699'h4'3'5'1'31④冷凝器出口冷剂水，点3:得h3=607.09kJ/kg⑤冷凝器进口冷剂蒸汽，点3'.取t4和t5的平均温度，对应查汽相等压线,h3'=3098.23kJ/kg⑥发生器出口浓溶液，点4:由ξr=64%,pk=9.6kPa,查液相等压线，得h4=391.05kJ/kg⑦发生器中开始沸腾溶液，点5:由ξa=59.5%，pk=9.6kPa，查液相等压线，得h5=372.42kJ/kgPkPoPkPahξξ

aξ

r25748699'由ξ

=0,

pk=9.6kPa，查液相等压线，4'3'5'1'31⑧溶液热交换器出口浓溶液，点8:由ξr=64%，t8=57℃，查液相等压8线，得h=311.92kJ/kg⑨溶液热交换器出口稀溶液，点7:(

f

1)(h4

h8)

f

(h7

h2

)7

4

8

2fh

f

1

(h

h

)

h

353.03kJ

/

kg

14.2r

a

r

其中f

a

7由ξ

=59.5%

，h

=353.03kJ/kg，查液相等压线，得t7=82.9℃。PkPoPkPaξξ

aξ

r25748699'h4'3'5'1'31PkPoPkPaξξ

aξ

r25748699'h4'3'5'1'31⑩吸收器喷淋溶液，点99求混合溶液的比焓值h

和质量分数ξ

9，取af=17.2，则h

af

h2

(

f

1)h899

293.08kJ

/

kg

61.5%fa

f

1raf

a

(

f

1)

fa

f

1

由h9和ξ

9

，查h-ξ图的液相等压线，得t9=48.5

℃4.各换热设备的单位热负荷计算h3'Dm,DQgDm,ah7ξa(Dm,a-Dm,D)h4ξrh3'QkDm,DDm,Dh3发生器冷凝器qk

h3

h3

2491.14kJ

/

kgqg

h3'

(

f

1)h4

fh7

3235.06kJ

/

kgQoDm,Dh3Dm,Dh1'Qa(Dm,a-Dm,D)h8Dm,Dh1'Dm,ah2蒸发器吸收器qa

(

f

1)h8

h1'

fh2

3074.79kJ

/

kgq0

h1'

h1

2321.58kJ

/

kgDm,ah7(Dm,a-Dm,D)h4Dm,ah2(Dm,a-Dm,D)h8qt

f

(h7

h2

)

1044.55kJ

/

kg溶液热交换器的单位热负荷:5.系统热平衡计算：qg

qo

5556.64kJ

/

kgqk

qa

5565.93kJ

/

kg(qk

qa

)

(qg

qo

)qk

qa

0.00167

0.01

0.72qg6.热力系数：

q07.各换热设备的热负荷计算由蒸发器的单位热负荷qo，可求得冷剂水的循环量m,D

5410kg

/

h

QooDq①发生器的热负荷:Qg

Dm,D

qg

4861.6kW②冷凝器的热负荷:Qk

Dm,D

qk

3743.6kW③吸收器的热负荷:Qa

Dm,D

qa

4620.7kW④蒸发器的热负荷:Qo

Dm,D

qo

3488.8kW⑤溶液热交换器的热负荷:Qt

Dm,D

qt

1569.7kW8.各工作介质的流量计算:①加热蒸汽流量:grG

1.05

Qg

8342.95kg

/

hγ----0.196MPa(表)饱和蒸汽的潜热，r=2202.68kJ/kg②冷水量:

600m3

/

hQoaV