210kW溴化锂吸收式制冷系统设计文档格式.docx
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因此人们开始寻找能够替代CFC的制冷剂和别的更环保、对环境友好的制冷方案。
特别是在蒙特利尔议定书签订后，国际上开始禁用含有氟氯烃化合物的制冷剂，想要继续使用电动压缩式制冷机组，寻找代用工质变得十分迫切。
而除了开发研究别的对环保的、大气臭氧层无破坏的制冷剂外，因为溴化锂吸收式制冷机组的产物对大气臭氧层无破坏作用，驱动能源为热能，可以缓解工业生产发展导致的用电紧张等的优点，且国际上对含氟氯烃破坏大气臭氧层的制冷剂的限制而导致电动压缩式制冷机也越来越少使用，人们对不含氟氯烃化合物的溴化锂吸收式制冷机的发展也越来越重视。
在此次设计过程论述中，我也进一步了解到溴化锂吸收式制冷机组的发展和前景，在论述中除了设计步骤外，也会对溴化锂吸收式制冷系统的性能进行相应的分析。
1.2国内外溴化锂吸收式制冷的发展概况
吸收式制冷技术如今能够迅速发展，主要是与现在能源的紧缺和环境问题的出现有关，因为能源和环境这两个方面是推动如今经济和技术发展的基础。
在最开始溴化锂吸收式制冷机的发展历程中，法国在1860年便制作出世界上第一台吸收式制冷机，其制冷剂为氨，可以制取0℃以下的低温。
世界上第一台吸收式制冷机是氨吸收式制冷机，但它并不适用于人们的日常生活中，因为它的体积比较庞大，相对来说溴化锂吸收式制冷机组更适合使用在人们的日常生活中。
世界上第一台溴化锂吸收式制冷机是出自美国，其以燃气为热源用以驱动，是由美国Carrier公司所生产出来的。
而除了Carrier公司外在吸收式制冷技术方面有优秀成绩外，美国别的公司人员也不甘示弱，紧接着研制出一台双效溴化锂吸收式制冷机。
由此可见在溴化锂吸收式制冷技术的研制方面美国的起步虽不及法国早，但相对来说也是比较早的，但因为美国的电费比较便宜，相对于要花钱更换空调机组使用溴化锂吸收式制冷机组，他们更喜欢用直接用电源驱动的、简便快捷的、传统的电动压缩式制冷机，因此美国溴化锂吸收式制冷技术总的发展并不快。
但对溴化锂吸收式制冷技术的发展速度方面而言，日本才是发展最快的。
一开始他们的技术是从美国那引进的，他们的起步没有美国早，但起步后的发展相对于美国来说是非常迅速的。
相对于美国早在1930年便有燃气空调机售卖而言，日本第一台吸收式制冷机是在1959年才生产出来的，起步晚了很多。
但在该机组生产研制成功后他们对吸收制冷技术不断展开研究和试验，后面他们在这项技术上取得的成果也非常优秀。
像他们只比美国在1961年生产的双效溴化锂吸收式制冷机晚了3年，便生产出了以蒸汽为驱动热源的溴化锂机组，还是双效型的，以燃气直燃为驱动热源的吸收式制冷机则在1968年生产出来，而日本第一台吸收式热泵机组也在1971年成功研制出来等，发展十分迅速，现在日本的产品也反过来向美国输出。
而在我国，改革开放以来，工业生产的不断发展导致人们在用电高峰期出现用电紧张现象，而以热能作为驱动能源的溴化锂吸收式制冷技术也开始在国内飞速发展和应用。
特别是在经历1973年的中东石油危机后，国家越来越重视能源的利用问题，而溴化锂吸收式制冷以其可以利用废热余热等低品位热能的优点，在国内得到了进一步的发展研和究，在研制国内第一台单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组成功后他们并没有懈怠，对不同类型机组的研制和设计制造方面进做了大量工作，也在不断地对溴化锂水溶液的物性、腐蚀和传热等进行基础性研究。
相对来说，国内研制溴化锂吸收式制冷机组的历史不短，但发展并不快，直到80年代末，随着蒙特利尔议定书的签订和改革开放的趋势才得到迅速的发展，其研究也有一部分原因是为了缓解工业发展带来的用电紧张问题，与国外先进水平相比还有一定差距。
虽然溴化锂吸收式制冷存在许多优点，但它也有不少缺点，如一次性能源浪费大、热力系数低、综合能耗高等，可知这个设备省电却并不节能，这会成为限制它的发展的主要原因。
1.3溴化锂制冷系统的设计步骤和方法
1.3.1设计步骤
溴化锂吸收式制冷机组相对于传统的压缩式制冷机组而言，传统的压缩式制冷机组需要用压缩机提供动力来维持制冷循环运转，而溴化锂吸收式制冷机组不需要压缩机提供动力，它的驱动能源为热能,其具体步骤如下:
根据已知的参数和需求,选定设计参数,求出对应状态点的部分状态参数,根据LiBr-H2O溶液的h-ω图查出该状态点剩余对应的状态参数,或根据以算得的数据计算未知的参数,从而可以在h-ω图中标画出循环图，再以其为基础，通过热平衡、质平衡和溴化锂平衡三个方面的计算判断最开始选取的设计参数是否合理。
确认合理后设计计算出各个循环状态点的物性参数值，根据相关的公式求出与设计冷量对应的溶液循环量、冷剂循环量以及各个设备的热负荷；
后根据所求的结果，计算出加冷剂水、热蒸汽和溴化锂水溶液的通路面积、泵的流量等数据，而后根据换热量及各个计算数据确定各个换热设备所需的传热面积，最后再设计选定出换热器的结构和尺寸。
1.3.2设计过程
主要计算内容有：
1
根据给定条件计算各个状态点的状态参数
2
根据状态点对应的状态参数计算溶液热交换器、冷凝器、吸收器、发生器和蒸发器的热负荷
3
根据所求的设备热负荷计算系统的热平衡、性能系数以及热力完善度
4
根据对应热负荷和状态参数计算各类泵的流量和加热蒸汽的消耗量
5
计算各个换热设备的传热面积
6
对各个换热设备进行结构计算
1.4溴化锂吸收式制冷的优缺点
溴化锂吸收式制冷相对于CFC制冷有许多优点，主要在环保、节能方面，如：
（1）它作为氟氯烃化合物制冷的替代技术，可以避免使用CFC，且其本身对人体、环境无害，对保护环境有一定的帮助；
（2）溴化锂吸收式制冷技术以热能为动力，运作时所需电功率小，比起利用电能驱动的压缩式制冷能明显节约电耗，具有省电效应，可以缓解用电紧张的局面；
（3）其驱动能源可以是低品位热能，如工业生产的余热、废热、排热等，可以实现能源的阶梯利用，提高能源利用率，节约能耗；
（4）溴化锂吸收式制冷技术相对于传统的压缩式制冷技术，整个机组除了各类泵外没有其他的运动部件，运作比较安静，且没有高压爆炸危险，比较安全可靠，因为其在真空状态下运行的；
（5）制冷量可以进行无级调节，而且溶液循环量也可跟着负荷的变化而做出相应改变，有良好的调节特性，其范围在20%~100%的负荷内。
虽然溴化锂吸收式制冷有着许多优点，但它也有一些不容忽视的缺点，主要有：
（1）它以水作为制冷剂，其蒸发压力低，蒸汽的比体积较大，且只能制取0℃以上的冷水；
（2）有较强的腐蚀性，在对机组各个设备的材料进行选择时要慎重，可能会影响机组的性能和寿命，增加设备的制作成本；
（3）不凝性气体对机组的性能影响很大，漏入微量的气体也会对机组的性能产生严重影响，因此设备的制造要求严格。
总的来说，溴化锂吸收式制冷机组在作为空调设备方面还是很有发展前景的，它可以制取0℃以上的冷水，可以满足人们在日常生活中对冷量的需求，对人体、环境无害，其驱动能源是热能，在工业生产中可以有效利用工业生产所产生的废热，电动部件很少，相对于传统的空调设备有省电效果，可以在夏季用电高峰时期缓解用电紧张，只是设备制作方面要求比较严格，在如今大家环保意识日渐增强的时代，人们对环境问题越来越重视，其发展前景还是非常广阔的。
2溴化锂制冷系统的设计及计算过程
在经济不断的发展中，人们开始享受生活，想让自己的生活环境变得更为舒适，想在炎热的夏天可以置身于清凉舒适的环境中，也想在严寒的冬季感受到温和舒适的暖风，因此发展出如今的空调设备。
而冷和热的概念是相对的，是与之相比较而言的，想要凉爽的室内环境，便把室内的温度降至低于周围的环境温度，即把热量从室内传到室外，但室外的温度要比室内的温度高，这种情况不会自然发生而需要人为去改变。
想要实现这种效果，把温度相对较低的环境的热量转移到温度相对较高的环境中，需要有一个搬运热量的介质，以其作为冷源去吸收室内较低温度的热量，再通过管道运输把热量传到室外温度较高的空间进行换热把热量放出去，这便是制冷的意义，用人工的方法，通过冷源搬运热量，使某一物体或空间的温度低于环境温度，并保持在稳定的温度状态。
本设计便是设计一个满足210kW冷量需求的溴化锂吸收式制冷系统，结构比较简单，以溴化锂水溶液作为吸收剂，水作为制冷剂，制取0℃以上的冷水以满足其冷量需求。
2.1吸收式制冷系统介绍及工作原理
2.1.1吸收式制冷机组的分类
吸收式制冷机组可以根据机组以高温蒸汽驱动、热水驱动或以太阳能驱动等不同的驱动来源进行分类；
或者根据不同的条件需求，其循环形式的差别，可以划分为只供冷水而只有制冷循环的冷水机组，冷热两用的具有制冷、制热循环的冷热水机组，和一种依靠驱动能源将低势热能转变为高势热能的热泵循环型。
而我所设计的210kW溴化锂吸收式制冷系统由于给定的驱动热源为热蒸汽，属于蒸汽制冷循环型。
根据其制冷剂的不同吸收式制冷机组也可以分为不同的类型，不同的制冷剂也会有不同的制冷效果。
制冷剂的不同，制冷剂的沸点也不一样，也会对机组的工作范围会有所影响。
像氨水吸收式制冷系统以氨作为制冷剂可以制取0℃以下的低温，而溴化锂吸收式制冷系统以水做制冷剂则会在0℃以下结冰，因此溴化锂机组不能制取0℃以下的低温。
但氨需要有刺激性气味，安装精馏设备，体积庞大，热效率较低，不太适用于生活中的空调设备，一般多用于工业工艺过程。
因此我设计的是冷量需求为210kW的溴化锂吸收式制冷系统，用于人们的日常生活中。
2.1.2溴化锂吸收式制冷系统的工作原理
溴化锂制冷系统所能制取的最低温度不能在0℃以下，因为溴化锂吸收式制冷系统以溴化锂水溶液作为吸收剂，水作为制冷剂。
其具体的制冷原理为：
热能为驱动能源，加热发生器中的稀溶液使沸点低的水分蒸发，蒸发后的水蒸气在冷凝器中被冷却水冷却，而系统工作在低压真空环境下，在这种环境下蒸发器中经过节流后的过冷水会吸收流经蒸发器的冷媒水的热量作为气化潜热而蒸发，达到制冷效果，而在吸收器中的浓溶液，会吸收因为压差作用而不断从蒸发器中输送来的水蒸气，使吸收器内溶液的浓度不断降低，降低到一定浓度时通过溶液循环把稀溶液输送至发生器，使制冷剂在封闭的系统中不断循环。
其工作过程可分为两路看，一是溶液的循环过程，二是制冷剂水的循环过程，详细如下：
（1）溶液的循环过程：
溶液循环只发生在发生器、溶液热交换器和吸收器中。
在高温蒸汽加热发生器后，水分会在高温环境下吸收加热蒸汽的热量而蒸发成水蒸气而溴化锂分子还是保持溶液状态，因为水的沸点比溴化锂的沸点低得多，而剩余溶液的浓度会不断增大变成浓溶液，而浓溶液通过发生器底部的管道运输至吸收器过程中，会经过一个溶液热交换器在里面放出热量，而来自吸收器的稀溶液则在里面吸收热量，一般吸收器中的吸收剂是浓溶液与稀溶液混合而成的，这样虽然吸收剂的浓度会有所下降，但它的流量会增大，输送到吸收器上方在喷淋装置的作用下喷淋的量和面积也会增大，能更充分的吸收来自蒸发器的水蒸气，有利于提高吸收器的吸收能力，而吸收剂在吸收水分在后浓度会降低再形成稀溶液。
稀溶液在泵的作用下输送到发生器被高温蒸汽所加热从而形成一个封闭的溶液循环系统，另稀溶液在被加热前也会在溶液热交换器中吸收部分来自浓溶液的热量。
（2）制冷剂的循环过程：
其制冷过程主要包括蒸发过程、冷凝过程、发生过程、节流过程和吸收过程。
发生器中在高温蒸汽加热作用下产生的水蒸气为了保持发生器压力与冷凝器压力相同，会随着管道进入冷凝器，在冷凝器中放出热量冷凝成液体，冷凝所放出的热量则被冷却水带走，冷凝后的液态水在经过节流装置的节流降压后，会有一部分液体闪蒸，但绝大部分还是以液态形式降压后进入到蒸发器内上方的喷淋装置中喷淋而下，与冷媒水回水进行换热，液态水吸收冷媒水放出的热量作为汽化潜热而不断蒸发成水蒸汽，从而使冷媒水回水的温度降低，当温度达到系统设定的要求时，冷媒水便送往各个风口，而蒸发器中的水蒸汽则会在压差的作用下进入吸收器，被喷淋的中间溶液吸收形成稀溶液，而后通过溶液循环过程不断的发生，组成一个完整的制冷循环系统，达到稳定的制冷效果。
图1溴化锂吸收式制冷原理图
2.2制冷系统设计过程
2.2.1热力计算
表1系统设计的已知条件
设计所需制冷量Ф0
210kW
冷却水进口温度Tw0
32℃
冷却水出口温度Tw2
40℃
冷媒水进口温度Tx”
12℃
冷媒水出口温度Tx’
7℃
加热的工作蒸气的蒸汽温度Th
104.78℃
加热的工作蒸气的蒸汽压力Ph
0.12MPa（表）
（1）吸收器出口冷却水温度Tw1
根据给定的冷却水进出温度，为了节省冷却水的消耗量，采用串联方式。
已知冷却水进出口温差ΔTw=40-32=8℃
因为吸收器的热负荷比冷凝器的热负荷大一些，因此吸收器冷却水进出口温差ΔTw1大于冷凝器冷却水的进出口温差ΔTw2，参考《溴化锂吸收式制冷技术及应用》[1]中的例题，取ΔTw1:
ΔTw2=1.3:
1，则：
ΔTw1=4.5℃
ΔTw2=3.5℃
∴Tw1=32+4.5=36.5℃
Tw2=40℃
（2）冷凝压力Pk及冷凝温度Tk取ΔT=4℃则
Tk=（Tw2+ΔT）=40+4=44℃
Pk=9.10x10-3MPa
（3）蒸发压力P0及蒸发温度T0取ΔT=3℃则
T0=Tx’-ΔT=7-3=4℃
P0=8.13x10-4MPa
（4）吸收器内稀溶液的最低温度T2取ΔT=4℃则
T2=Tw1+ΔT=36.5+4=40.5℃
（5）吸收器压力Pa设Pa=P0则
Pa=8.13x10-4MPa
（6）稀溶液浓度ωa由Pa和T2查LiBr-H2O溶液的h-ω图得ωa=0.595
（7）浓溶液浓度ωr取ωr-ωa=0.044则
ωr=ωa+0.044=0.639
（8）浓溶液在发生器内的最高温度T4，由Pk和ωr查h-ω图得T4=98℃
（9）出热交换器时浓溶液的温度T8，取冷热端温差ΔT=15℃则
T8=T2+ΔT=40.5+15=55.5℃
（10）在已知状态点对应温度、浓度情况下求该状态点的比焓值
比焓的绝对值是无法测定的，由《溴化锂水溶液的几个物性参数计算方程》[9]中可知，溶液的比焓值与LiBr-H2O溶液的温度、浓度有关，若想要想要回归出LiBr-H2O溶液在任意温度、浓度状态下的比焓值，只需要确定比焓的变化值带入回归公式即可求出，其中回归公式为：
h=
+t
+
表2溴化锂水溶液的比焓值计算方程回归系数
n
An
Bn
Cn
Dn
-571.17715
4.07
4.96E-4
-3.996E-6
7507.234
-5.123
3.145E-3
1.46183E-6
-23006.7518
2.297
-4.69E-3
4.189E-6
28037.3668
-11610.75
a）已知吸收器出口处稀溶液温度T2=40.5℃，ωa=0.595带入上式求出
h2=274.9527kJ/kg
b）已知发生器出口处浓溶液温度T4=98℃，ωr=0.639带入上式求出
h4=376.3026kJ/kg
c）已知发生器进口处稀溶液温度T5=89℃，ωr=0.595带入上式求出
h5=360.8875kJ/kg
d）已知吸收器进口处饱和浓溶液温度T6=50.5℃，ωr=0.639带入上式求出
h6=297.7006kJ/kg
e）已知热交换器出口处浓溶液温度T8=55.5℃，ωr=0.639带入上式求出
h8=306.0956kJ/kg
（11）稀溶液出热交换器的温度T7
循环倍率α=
=0.639÷
（0.639-0.595）=14.52
h7=
（h4-h8）+h2
=（14.52－1）x（376.30-306.10）÷
14.52＋274.95
=340.32kJ/kg
再根据h7和ωa查h-ω图得T7=77.5℃
（12）喷淋溶液的浓度和比焓值
h9’=
ω0=
计算时取f=30则
h9’=[（14.52-1）x306.10+30x274.95]÷
（14.52+30-1）
=283.63kJ/kg
ω0=[30x0.595+（14.52-1）x0.639]÷
=0.61
2.2.2循环各点的参数值
状态点数值的检验方法，通过查《制冷原理及设备》（第4版）的附图可知：
图2LiBr-H2O溶液的h-ω图
1’点：
根据T0和P0查LiBr-H2O溶液的h-ω图查得
2点：
根据P0和ωa查LiBr-H2O溶液的h-ω图查得
3点：
根据Tk和Pk查LiBr-H2O溶液的h-ω图查得
3’点：
T3‘=（T4+T5）/2由T3’和Pk查h-ω图的气液区查得
4点：
根据Pk和ωr查LiBr-H2O溶液的h-ω图查得
5点：
根据Pk和ωa查LiBr-H2O溶液的h-ω图查得
6点：
根据Pa和ωr查LiBr-H2O溶液的h-ω图查得
7点：
根据h7和ωa查LiBr-H2O溶液的h-ω图查得
8点：
根据T8和ωr查LiBr-H2O溶液的h-ω图查得
9’点：
根据h9’和ω0查LiBr-H2O溶液的h-ω图查得
表3各循环点参数值
名称
点号
温度/℃
质量分数
压力/kPa
比焓
蒸发器出口处冷剂蒸汽
1’
0.813
2935.12
吸收器出口处稀溶液
40.5
0.595
274.95
冷凝器出口处冷剂水
44
9.100
572.29
冷凝器进口处水蒸气
3’
93.5
2988.70
发生器出口处浓溶液
98
0.639
376.30
发生器进口处饱和稀溶液
89
360.89
吸收器进口处饱和浓溶液
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