小型太阳能气泡泵吸收式制冷机研究
摘要： 本文确定了设计参数下小型太阳能气泡泵吸收式制冷机制冷循环中各状态点参数，进行了发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液热交换器的热负荷计算和加热热水、冷水、冷却水、稀溶液等循环介质的流量计算。进行了发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液热交换器等换热设备所需的传热面积计算。根据求得的传热面积确定了各换热设备的传热管数，计算了热水进出口配管、冷却水进口配管、冷媒水进口配管的内径尺寸，为开发小型吸收式制冷机提供了一定的理论和实践基础。
关键词： 太阳能 气泡泵 吸收式制冷机 传热计算
1 简介
太阳能吸收式空调在我国目前应用很广泛。它将常规的溴化锂或氨水吸收式空调与太阳能热水相结合，实现夏季空调、冬季供热或全年供热水功能。虽然吸收式空调采用溴化锂制冷机方案技术已相对成熟，但系统成本若不能大幅度降低，推广前景并不乐观。日本矢崎株式会社已商品化生产小型无泵循环溴化锂制冷机，有制冷量4000W到174000W系列产品。我国尚未实现小功率溴化锂制冷机生产，现有的厂家生产成本过高，功率偏大，同时辅助热源又不可缺少，管理难度大。因此，开发生产低成本的系列制冷机，如无泵溴化锂制冷机、小型氨水制冷机及其循环泵等，并实现其商品化生产已成为当务之急。
图1是小型太阳能吸收式制冷机组成的太阳能空调和供热系统的原理图。本系统主要有太阳能集热器、蓄热槽、辅助热源、热水型吸收式制冷机、冷却塔、空调器和控制系统等组成。
图1 小型太阳能空调、供热系统
太阳能吸收式制冷机的加热热源是75～95℃的热水。热水在发生器管中作强制对流换热，加热溶液产生蒸汽，一般设计成单效。该机无溶液泵与冷剂泵，溶液的循环靠气泡泵来实现。
2 热力计算
设计计算参数：吸收式制冷机额定制冷量为2.0
；经蒸发器的冷冻水进口温度12.0～15.0℃、出口温度9.0～11.0℃；经吸收器或冷凝器的冷却水进口温度30.0～32.0℃，出口温度34.0～38.0℃；加热热水温度75.0～90.0℃。
2.1 设计工况计算
取冷冻水进口温度
＝14℃，冷冻水出口温度
＝9℃；冷却水进口温度
＝29.5℃，冷却水出口温度
＝34.5℃；加热热水进口温度
℃，加热热水出口温度
℃。
2.2 选定设计参数
图2 单效吸收式制冷循环h-ξ
假定不考虑
的影响。
① 蒸发温度
＝7℃，则蒸发压力
＝1001pa；
② 吸收器压力
，取
＝80pa，则
＝920pa；
③ 冷凝器和吸收器的冷却水用并流动方式，冷凝温度
＝38.0℃，冷凝压力
＝5631pa；
④ 发生器出口浓溶液温度
＝82.0℃；
⑤ 吸收器出口稀溶液温度
＝38.0℃；
⑥ 根据压力，和温度，，在
图上查得：
＝56
，
＝60，可得－＝4.0。
⑦ 溶液热交换器出口浓溶液温度
＝
，取
＝17℃，则＝55℃。由＝60，查溴化锂溶液的结晶曲线，其结晶温度
约为39℃。－
＝55-39＝16℃，因此选取＝17℃是可行的。由
得
式中
，可得
kJ/kg，则
＝62℃。
2.3 各状态点参数值
根据上述所选取的参数，可确定制冷循环中各状态点的比焓值以及温度、压力和质量分数。循环中各状态点号见图2。各状点参数值见表1。
2.4 各换热设备的热负荷计算
各换热设备的热负荷计算见表2。
由蒸发器的单位热负荷
，可求得冷剂水的循环量：
kg/h
热平衡计算得：
5471.83kJ/kg，
5471.87kJ/kg相差很小，热平衡。
热力系数
计算： 
序号 | 名 称 | 状态点 | 比焓值（kJ/kg） | 温度（℃） | 压力（Pa） | 质量分数（％） |
1 | 蒸发器出口冷剂蒸汽 | 1’ | 2933.84 | 7 | 1001 | 0 |
2 | 蒸发器中冷剂水 | 1 | 448.46 | 7 | 1001 | 0 |
3 | 吸收器出口稀溶液 | 2 | 255.59 | 38 | 920 | 56 |
4 | 冷凝器出口冷剂水 | 3 | 578.14 | 38 | 5631 | 0 |
5 | 冷凝器进口冷剂蒸汽 | 3’ | 2990.40 | 79 | 5631 | 0 |
6 | 发生器出口浓溶液 | 4 | 326.82 | 82 | 5631 | 60 |
7 | 发生器中开始沸腾溶液 | 5 | 317.60 | 72 | 5631 | 56 |
8 | 吸收器进口浓溶液 | 6 | 272.35 | 47 | 920 | 60 |
9 | 溶液热交换器出口稀溶液 | 7 | 293.65 | 62 | － | 56 |
10 | 溶液热交换器出口浓溶液 | 8 | 282.83 | 55 | － | 60 |
设备名称 | 单位热负荷计算公式 | 单位热负荷（kJ/kg） | 热负荷计算公式 | 热负荷值（kw） |
发生器 |
| 3116.13 |
| 2.65 |
冷凝器 |
| 2412.26 |
| 2.05 |
蒸发器 |
| 2355.70 |
| 2.60 |
吸收器 |
| 3059.61 |
| 2.00 |
溶液热交换器 |
| 615.9 |
| 0.52 |
2.5 各工作介质的流量计算
2.5.1 加热热水流量
加热水的温度从86℃降到80℃，则产生单位冷剂蒸汽的加热量为：
＝
＝25.20kJ/kg，考虑15的热损失裕量，则加热热水量
＝435.4kg/h
2.5.2 冷水量
＝0.35
2.5.3 冷却水量
冷却水带走的热量为： 
＝4.05kw
冷却水量为：
＝0.697
2.5.4 稀溶液循环量
＝0.028
3 传热面积
3.1 k值的选取
传热管的材料，除发生器采用不锈钢管外，其余换热设备均采用紫铜管。
对于发生器采用整体轧制低翅片管，其传热系数可以达到1300～1600
，这里取
为1300。由于冷凝器的传热系数比较高，在机组中占的空间也较小，相对而言强化传热的要求就不迫切。采用光管时的传热系数就可达4100～5200，本文取
为4500。蒸发器采用喷淋形式，因此喷淋密度，喷淋方式对传热性能有较大的影响。以铜管为传热管的蒸发器，传热系数的值一般在2200～2500之间，这里取
=2300。
对于吸收器采用目前国内使用较多的F管，也称为斜槽管，在合适的运行条件及造作参数下，F管的传热系数可达1500，但是F管易出现冷量衰减的情况。这里取
＝1200。对于溶液热交换器，设计流速为0.4～0.5m/s时，传热系数可达450～580，这里取
＝580。
3.2 传热系数校核
传热系数可用下式校核：
式中： ——以原管外表面积为基准的传热系数，；
、
——管内、外表面换热系数，；
、
——管内、外表面单位面积上的污垢热阻，
；
、
——圆内、管外径，m；
——圆管材料的热导系数，
。
计算传热系数的关键在于如何求得圆管内、外两侧的表面换热系数。对于发生器，以热水为热源，可按下式计算管内对流表面传热系数：
式中：
——传热管内热水的流速，
；
——热水在进出口平均温度下的导热系数，；
——热水在进出口平均温度下的运动粘性系数，
；
——热水在进出口平均温度下的普朗特数。
发生器中溴化锂溶液在管外沸腾，对于喷淋式发生器，可用下式估算：
式中
是喷淋密度，
，试验范围为0.022～0.035。文中，设＝2，＝0.015m，＝0.016m，＝0.0001
，＝0.00008，紫铜管＝550.94，＝0.676，＝0.353
，＝2.13，＝0.028，把上述值代入式（3.2.1）、(3.2.2)、(3.3.3)中可得＝1305，所选值合适。
3.3 传热面积计算
各设备传热面积计算见表3。
表3 制冷机各设备所需的传热面积设备名称 | 传热系数(W/m2K) | 计 算 公 式 | 传热外表面积（ |
冷凝器 | 4500 |
| 0.087 |
蒸发器 | 2300 |
| 0.268 |
发生器 | 1300 |
| 0.476 |
吸收器 | 1200 |
| 0.237 |
溶液 热交换器 | 580 |
| 0.048 |
4 结构计算
设计太阳能吸收式制冷机，还要进行结构计算。结构计算的内容包括：各换热设备的结构尺寸，配管大小，传热管的数量，工作介质在系统中的流速，阻力损失，主要零部件强度刚度和温差热力计算以及溴化锂溶液需要量的估算等。
4.1 各换热设备传热管数n的计算
根据求得的传热面积用下式确定传热管数：
式中：
——换热设备所需总管子数；
——换热设备传热面积
；
——传热管的有效长度(m)；
——传热管外径（m）。
各换热设备传热管数计算结果见表4。
表4 各换热设备传热管数计算设备 | 传热管外径（m） | 传热管有效长度（m） | 所需总管子根数 |
冷凝器 | 0.016 | 0.43 | 4 |
蒸发器 | 0.016 | 0.44 | 12 |
发生器 | 0.016 | 0.80 | 12 |
吸收器 | 0.016 | 0.40 | 12 |
溶液热交换器 | 0.010 | 0.38 | 4 |
4.2 配管尺寸计算
配管尺寸由下式计算：
式中：
——配管内径（m）；
——配管中介质流速。
水在配管中的流速一般为1.5～3.0m/s。
由于热水流量较小，可以取更小值。这里取加热热水配管流速1.0m/s.则热水进出口配管内径为0.012m。
取冷却水进口配管流速1.5m/s。计算得配管内径为0.013m。
取冷媒水进口配管流速1m/s。计算得冷媒水进口配管内径为0.011m。
5
溴化锂吸收式制冷机在不同的热源温度下工作。随着热水温度的降低，发生器温度和溶液循环量随之减少，热水温度对制冷量的影响较大，因此存在最适宜的集热温度，目前该温度一般为80～90℃。在设计时，应酌情考虑提高冷媒水出口温度，降低冷去水进出口温度。优化设计及变工况条件下最佳运行参数的调整越来越要求利用计算机进行设计和计算。本文旨在为小型太阳能气泡泵吸收式制冷机的设计提供一定的理论基础和初步的设计计算，对于新机型的开发还需要计算机的辅助设计和计算以及更广大科技人员和厂家的大力合作。
[1] 戴永庆主编. 溴化锂吸收式制冷技术及应用. 机械出版社，1996.10；
[2] 高田秋一著. 耿惠彬，戴永庆，郑玉清译. 吸收式制冷机. 机械工业出版社，1985.06
