换热器参数
列管式换热器
新闻动态
单级氨水吸收式制冷机试验台性能研究点击：1821 日期：[ 2014-04-26 21:39:29 ] |
| 单级氨水吸收式制冷机试验台性能研究 孔丁峰,柳建华,张 良,方志云 (上海理工大学,上海 200093) 摘 要：针对氨水吸收式制冷机在环保、节能、无噪音等方面的优点,建立了1台单级式氨水吸收式试验样机。应用热量、质量守恒方程对试验样机的不同部件分别建立热力学模型,进行了单级氨水吸收式制冷机性能特性的研究。计算结果与实测数据进行了比较,结果表明:试验样机在发生压力1. 17MPa,发生温度89℃,冷却水进口温度29. 7℃工况下稳定运行的基础上,性能系数实际值在0. 37~0. 45之间,与设计的性能系数0. 47相比,相对误差为5% ~21%。同时进行了系统部件匹配性能分析及变工况下的性能分析。试验表明筛板塔板数越多越有利于提高精馏塔的分离效果,试验过程中板式换热器平均传热温差30. 13℃。当冷却水进口温度保持不变,冷却水量加大10%时,对各部件的性能影响较大,系统制冷量下降4%左右。 关键词：吸收式;氨-水;性能;试验 中图分类号：TB651 文献标识码：A 1 前言 氨作为一种天然工质,其臭氧层损耗潜能值和全球变暖潜能值均为零,其具有较好的热力性质,蒸发潜热大、压力适中、导热系数高、而且价格低廉,运行费用低。在能源、环境问题日益严重的当今世界,如何降低能耗,提高资源的利用率,加快节约型社会的建设等问题已得到越来越多人们的关注,环保的氨水吸收式制冷机可有效地回收并利用余热这一节能课题又成为人们研究和追求的趋势和热点\[1\]。 氨水吸收式制冷机在实际运行中会由于工作参数等的变化,如工作蒸汽压力的波动等,使制冷机的工作状态偏离设计工况而影响制冷机的工作性能。 氨水吸收式制冷机在日本以及欧洲一些国家早已进入商品化阶段。R.M. Lazzarin对Arkla公司生产的一台风冷式氨水制冷机组进行了性能研究;Fernández-Seara和Sieres具体研究了氨水吸收式制冷系统中精馏塔提馏及在蒸发器中放空对性能的影响;Adewusi和Zubair应用热力学第二定律研究了当某些设计参数发生改变时,单级式和双级式氨水吸收式制冷系统的性能,研究结果表明双级式比单级式的性能系数高,且有较大的熵损。 在我国,东南大学的杨思文从理论上研究了氨水吸收式制冷系统的性能,系统地阐述了氨水吸收式制冷机的基础和设计;大连理工大学的徐士鸣分析了利用渔船柴油机余热驱动的氨吸收式系统制冷保鲜的可行性。北京化工大学的的陈斌提出了一种新型氨水吸收式动力/制冷循环的热力学分析。在此基础上有望对这种新型系统提出全程模拟、吸收模拟、分离模拟。迄今为止,大多数国外的文献研究是基于商业用途的空冷氨水制冷机成品,国内的研究大多处于理论模拟和实验室阶段。为了探讨氨水吸收式制冷机的实际性能及传热传质机理,特设计制备出一台试验样机,通过试验来了解氨水吸收式制冷机的运行性能及其影响因素\[2~9\]。 2 试验装置 氨水吸收式制冷机中,吸收器和发生器的作用相当于蒸汽压缩式制冷机中的压缩机功能。蒸发器中蒸发的氨制冷剂蒸汽,在吸收器内被与之接触的低浓度的氨水溶液吸收,吸收了氨蒸汽的高浓度氨水溶液,由溶液泵送往发生器,在其中对该溶液加热,低沸点组分的氨得到汽化,产生的制冷剂蒸汽被送到冷凝器。 单级氨水吸收式制冷装置示意图和试验样机如图1所示。 如图1,其主要设备包括了:发生器、垂直筛板塔、吸收器、冷凝器、节流阀、蒸发器、溶液热交换器、过冷器、氨液贮液器和溶液贮液器、溶液泵等。热源则采用了电加热式,这样可升温迅速,调节方便。 在发生器内将氨水浓溶液加热,配备了每组3000W的电热棒3组,其中2组电加热器的功率可调,则加热器的加热范围为0~9000 W。1只磁助电接点(氨)压力表安装在发生器上,标度范围为0~4MPa,精确度为±1. 6%,设定当发生器内压力超过2. 3MPa时电加热关闭,塔内正常工作时压力的保证是通过控制冷却水流量来实现。采用20无缝钢管制造的筛板塔内径为68mm,总高度达1800 mm,为装卸方便,将筛板塔平均分为6段。2组10mm厚的视野镜安装在每段距离底部102 mm处,这样可随时检查塔内的情况,如是否溢塔。为减少排放到环境的热量损失,筛板塔的提馏部分和发生器贴上了近15 mm厚的矿棉保温层。系统各处的温度采用封装外壳直径为4mm的Pt100温度传感器测量,各部件上安装有(氨式)压力表,试验装置中所有测量仪器均经过仪器检验机构标定。在系统稳定运行后数据采集器采用CHINO AH3745-ROO。 3 数学模型 对单级氨水吸收式制冷机各部件分别建立数学模型来分析试验系统的性能。所涉及的饱和水及饱和水蒸气、NH3饱和液体及蒸气的热力性质的数据从ASHRAE手册中查取\[10\]。试验样机制冷循环的焓-浓度图如图2所示。 各部件的热力学模型满足热量平衡、质量平衡。系统在不变的工况下工作时,工质的流动可视为稳定流动过程,各部件热流量的表达式为: 4 试验结果及分析 试验包括系统整体性能分析、系统部件匹配性能分析及变工况下的性能分析。通过该样机在发生压力1. 17MPa,发生温度89℃,冷却水进口温度29. 7℃工况下(工况1)稳定运行的基础上,了解该制冷机的运行性能,从而确定和选择制冷机的设计、调节、控制方案,保证以后制造的氨水吸收式制冷机在最佳工况下稳定工作。 4. 1 部件匹配特性试验分析 制冷机在工况1下运行时,热平衡水箱加热功率保证箱内120 kg自来水温度在20℃不变,同时用1台水泵循环水箱内的水。当系统运行稳定后记录有关参数。 4. 1. 1 发生器 发生器压力随着发生器温度变化而变化。温度越高,压力越高。表1为试验过程中1组釜温与压力的关系试验结果。 在试验中测量发生器内温度、压力值后,对应查取h-ε图上各状态点的饱和浓度值,可以良好的控制试验放气范围,经过比较试验值与设计值较好的吻合,可进行对其他设备的性能分析。 4. 1. 2 筛板塔 筛板塔自上而下标为筛板塔出口处、第1至第6塔节,因提馏段加上了保温层,故不设温度传感器,精馏段各塔节处设随时间变化的曲线如图3所示。 在开机初期,第1塔节的温度较平稳,因为开机前期主要是电加热给塔釜溶液升温,此时第1塔节既无回流,也没有过多的高温蒸汽从塔釜上升到塔顶;之后第1塔节温度一直攀升,这是因为随着塔釜温度的升高,上升的高温蒸汽也越来越多,塔节的温度也随之升高。第2、3塔节的温度曲线有一个下降后趋于平稳的阶段,其急剧下降的时间点对应的是第2塔节塔板开始有积液的时间点。因回流的液体温度较低,因此有温降。第4塔节温度曲线较前3个塔节都不同,有温降,在稳定一段时间后又有升高的趋势。分析现象原因是:在第4塔节有了回流液持液后,温度下降了且稳定了一段时间。但由于开机过程是不太稳定的过程,因此持液不够稳定,在之后的某一个时间,塔板持液下降或持液消失,导致塔节温度又上升。 分析以上4个塔节的温度曲线变化趋势,可以通过温度的变化来判断塔节内持液的情况,进而推测塔的操作稳定情况。对应于筛板塔稳定运行的情况,每一个塔节有一个对应的正常温度曲线,当塔的操作状况恶化:如淹塔,漏液等,可从温度响应曲线中进行判断。从图3中可以分析出塔板数越多,精馏塔出口处的温度就越低,则精馏塔的精馏作用就越好。 4. 1. 3 吸收器 从图4可以看出,吸收器溶液的进出口温度曲线中,溶液进出口温差基本上在1℃左右,随着时间的增加,进口稀溶液的温度有所增加,对应出口浓溶液温度也有所上升。吸收器冷却水进出口温度变化不大,分析原因可能是因为本制冷系统的吸收气量不大,而溶液喷淋量大,冷却水流量相对也较大,故冷却水温度变化不大。 4. 1. 4 冷凝器 由图5曲线表明,冷却水打开并逐渐稳定后,冷却水进出口温差大概在2℃左右。冷凝器氨气进口处的温度较冷却水进口温度要高,冷凝下来的液氨的温度较氨气低,因此可以将冷凝器出口冷凝液看成是饱和的。冷凝温度大概在31℃左右,对应于此温度下的冷凝压力大约1. 2MPa,与前面所测值相符。冷凝器中将氨气冷凝成液氨,温度变化不大,分析原因为在冷凝器中发生相变,潜热影响较大,故对温度无明显变化。 4. 1. 5 溶液热交换器 从图6可以看出,冷流体进出口曲线也存在一个温度阶跃点,同样,这个点对应为进料泵开启时间点,与冷却水开启为同一个时间点。图中稀溶液进出口温度的温差大于浓溶液进出口温度的温差,这证明了采用溶液热交换器可以达到提高系统性能系数的作用,但仍有一定的热损失,限制了浓溶液、稀溶液的换热效率。表2为该换热器在试验过程中不同状态点的温度平均值以计算该换热器性能。 工业中一般换热器的效率一般在0. 3~0. 5之间,本换热器效率一般。这可能与系统进出换热器的流量太小有关。 4. 1. 6 过冷却器 过冷却器的作用是回收盘管出口处氨蒸汽的冷量用以对制冷前的液氨进行过冷。从图中我们看到,液态制冷剂在从过冷器出来后,比之前降低了3℃左右,而气侧温度上升了3℃左右,达到了回热的目的。从而提高了系统的性能。 从图7可以看出,过冷却器温度随时间变化的趋势与溶液热交换器温度的变化趋势基本相同。气侧一方进出口的温差变化较液侧进出口温度变化较大,分析原因为:氨气侧的比热小于液氨测的比热,故在相同传热量的前提下,气侧温差显然大于液侧温差。且过冷却器上装的保温层起到了很好的避免热量损失的效果。 4. 2 整体系统性能试验分析 试验装置在发生器压力1. 17MPa,发生温度89℃,冷却水进口温度29. 7℃的工况下运行时,从图8可以看出,试验样机的制冷量为900~1000W,性能系数实际值在0. 37~0. 45之间,这与设计的性能系数0. 47相比,相对误差为5~21%。此外,在试验开始阶段,发生器电加热功率与制冷装置的制冷能力基本呈线性关系。操作时,最小的发生器电加热功率值(2500W)使得装置产生制冷能力,当发生器电加热功率低于此最小值时无制冷量。这是因为只有产生一定的蒸汽量,通过筛板塔上一层一层塔板上的汽液接触,最后出塔时才能达到一定的精馏效率。当发生器电加热功率进一步增大时,精馏出浓度更纯的制冷剂,装置的制冷能力也大大增强。在试验阶段后期,当功率增大到近2500W时,制冷能力也达到最大,此后,制冷能力逐渐平缓,不再变化。分析认为:受蒸发器和吸收器热质传递的效率限制,制冷量达到最大。 4. 3 变工况试验数据分析 当冷却水进口温度保持该工况不变,随着冷却水量的变化,比较在工况1及工况2的冷却水量加大到130%下各部件温度变化趋势,从而确定冷却水量与该样机制冷量之间的关系。 4. 3. 1 筛板塔 该样机在工况2下稳定运行时,筛板塔出口处与第4塔节处的温度较工况1均有着不同程度的增大,最终导致制冷量下降。 从图9中可以看出,出口处温度变化不大,但在精馏段处温度上升近2℃,这是因为冷却水量增大导致回流液增多,直至后来有淹塔的趋势。 4. 3. 2 系统分析 图10为当其它条件保持工况1,仅冷却水量发生变化时相应的性能变化曲线图,从中看出:冷却水量增加10%时,制冷量下降4%左右。 冷却水对系统的稳定和平衡影响较大。正常工作时,塔内压力的大小取决于冷却水的调节,包括冷却水量与冷却水温度,与电加热功率的大小无关,与发生器温度也无直接关系。冷却水量突然开大,会使塔内上升气量变大,发生器压力下降,气量变大,则使塔发生液泛。冷却水量突然变小,则漏液变多,发生器压力上升,塔对冷却水变化的敏感度较大。 5 结论 (1)试验样机在发生压力1. 17MPa,发生温度89℃,冷却水进口温度29. 7℃的工况下运行,该样机制冷量为900~1000W,当忽略溶液泵的影响时,装置实际性能系数为0.37~0.45,这与性能系数设计值0.47相比,相对误差为5% ~21%; (2)试验表明筛板塔板数越多越有利于提高精馏塔精馏效果,同时表明板式换热器的有效性,溶液热交换器传热平均温差为30. 13℃,其换热效率为0. 313,符合一般工业应用范围; (3)该样机在工况2下正常运行时,精馏塔内压力的大小取决于冷却水的调节,包括冷却水量与冷却水进口温度。当冷却水进口温度保持工况1,仅冷却水量发生变化时,冷却水量增加10%,制冷量下降4%左右。 参考文献：略 |
| 上一篇：寒区地下U型埋管换热器及周围土壤非稳态传热数值模拟 | 下一篇：风冷热泵蒸发器结霜性能的研究 |