平板传质换热器应用于吸收式制冷系统的性能研究

王 志 孙文哲 陈盼盼 方培明



平板传质换热器应用于吸收式制冷系统的性能研究

王 志 孙文哲 陈盼盼 方培明

（上海海事大学 上海 201306）

将平板传质换热器应用到小型双效吸收式制冷系统中，通过建立系统中各个部件的数学模型，设定高温平板传质换热器和低温平板传质换热器相关参数，编制Matlab数值分析程序，计算了将平板传质换热器替换系统中热交换器前后吸收式制冷系统COP。通过数值分析计算发现，用平板传质换热器替换系统中原有的高、低温热交换器后，系统的COP会增大，能量的利用更加充分。

平板传质换热器；吸收式制冷；COP

0 引言

Tf-高温侧料液温度；Tm-中间温度；Tp-低温侧料液温度

溴化锂溶液是一种由溶质组分溴化锂溶于水溶剂形成的无色透明液体，溴化锂与冷剂水的沸点相差非常大。在常压下水的沸点是100℃，溴化锂的沸点是1265℃，两者之间相差很大[1]。从图1平板传质换热器传热传质过程的分析可知，平板传质换热器运行时，冷热料液间进行热量交换的同时低沸点的水会在高温侧蒸发为水蒸气，水蒸气透过换热器中膜的膜孔从高温料液侧进入低温料液侧，并在低温料液侧膜表面液化，将水的汽化潜热从高温料液侧传递到低温料液侧进行传质过程。因此，如果将其应用于小型溴化锂吸收式制冷系统中，高、低温侧溶液之间可以进行传质换热，相比传统的金属换热器，可以强化传热，同时由于传质作用的存在可以增大系统放气范围，提高系统COP。

1 双效溴化锂吸收式制冷系统

通过对溴化锂吸收式制冷系统的梳理发现，单效吸收式系统和双效吸收式系统虽然部件个数不同，但是种类基本相同。本文将平板传质换热器应用于双效吸收式制冷系统中，流程如图2所示，主要部件有：高温平板传质换热器、低温平板传质换热器、高压发生器、低压发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、节流元件等。双效吸收式制冷系统有吸收剂和制冷剂两种介质，溴化锂溶液是吸收剂，水是制冷剂。

图2 应用平板传质换热器的双效溴化锂吸收式系统流程图

2 平板传质换热器及其他部件的数学模型

由于本论文设计的是利用平板传质换热器对双效溴化锂吸收式制冷系统中高温热交换器和低温热交换器进行替换后的流程，因此在进行数值分析时，进行了以下几点假设[2-6]：

（1）用于替换高温热交换器和低温热交换器的平板传质换热器的尺寸大小、换热面积相同且溴化锂溶液在平板传质换热器和溶液热交换器入口处的参数相同；

（2）系统内溴化锂溶液在各点的状态参数处于稳态；

（3）双效溴化锂吸收式制冷系统各部分都处于理想的工作状态；

（4）忽略系统运行过程中各部分的热损失；

（5）进入高、低温平板传质换热器的溴化锂溶液流量与进入未替换前高、低温热交换器的溴化锂溶液的流量一致；

（6）替换前后溴化锂溶液在换热器进口处的溶液温度相同，即高、低压发生器中对应温度的溴化锂溶液分别进入高温平板传质换热器和低温平板传质换热器的温度和替换前其分别进入高温热交换器和低温热交换器的温度相同。

2.1 建立系统数学模型

将平板传质换热器应用于双效吸收式制冷系统后，为了将本系统各个部分联系在一起，利用制冷剂的状态参数（压力、温度、蒸发焓等）和制冷剂的质量流量作为传递函数，此时建立双效溴化锂吸收式制冷系统各部件的数学模型如下：

（1）建立高压发生器（参数下标为）的数学模型（下标1～5表示节点）：

（2）建立低压发生器（参数下标为）的数学模型（下标1～9表示节点）：

（3）建立冷凝器（参数下标为）的数学模型（下标6～12表示节点）：

（4）建立蒸发器（参数下标为）的数学模型（下标13～16表示节点）：

（5）建立吸收器（参数下标为）的数学模型（下标5～19表示节点）：

（6）建立高温平板传质换热器（参数下标为）的数学模型（下标2～22表示节点）：

（7）建立低温平板传质换热器（参数下标为）的数学模型（下标2～24表示节点）：

2.2 设定数值分析工况参数值

（1）设定参数

制冷量0=18kWh；蒸发器出口冷冻水的温度15=10℃；加热蒸汽压力P=6.8MPa；冷煤水的温差Δt=10℃；冷却水的温度17=32℃。

（2）根据参考文献[7,8]的要求进行选取参数的设定及各状态点参数，如下表所示。

表1 已知给定的设计参数

表2 各状态点的参数

续表2 各状态点的参数

3 计算结果与结论分析

本次数值分析对象是一额定制冷量为18kW的小型双效溴化锂吸收式制冷机，根据上述方法建立该系统的数学模型后，通过编制Matlab计算程序分析，首先计算了当高、低压发生器入口稀溶液流量为0.12kg/s、0.14kg/s、0.18kg/s、0.20kg/s、0.24kg/s、0.28kg/s、0.32kg/s、0.36kg/s时，高、低温热交换器溶液出口温度和高、低温传质换热器溶液出口温度；高、低温热交换器溶液出口浓度和高、低温传质换热器溶液出口浓度；分析流量和出口温度、浓度的变化关系，并绘制图表如图3、图4、图5、图6所示。其次计算了当高、低压发生器入口稀溶液浓度、温度发生变化时，对应该系统使用高、低温热交换器和使用高、低温传质换热器时的系统COP，并绘制图表如图7、图8所示。

图3 高温换热器进口溶液流量和出口溶液温度的变化关系

从图3、图4可以看出，高、低温热交换器和高、低温传质换热器中浓溶液和稀溶液的出口温度均随着换热器进口稀溶液流量增大而降低，说明在溴化锂吸收式制冷系统中溴化锂溶液的流量不宜过大，要保持在适当的范围内，否则系统性能会下降。

此外，在换热器进口溶液流量相同的情况下，高、低温传质换热器中稀溶液的出口温度要高于高、低温热交换器中稀溶液的出口温度，高、低温传质换热器中浓溶液的出口温度要低于高、低温热交换器，说明高、低温传质换热器高温侧和低温侧之间的换热性能要好于相同尺寸大小的高、低温热交换器的换热性能。

图4 低温换热器进口溶液流量和出口溶液温度的变化关系

从图5、图6可以看出，高、低温热交换器中浓溶液和稀溶液的出口浓度随着换热器进口稀溶液流量的增大基本保持不变，但是高、低温传质换热器中浓溶液的出口浓度减小而稀溶液的出口浓度增大且两边浓度增大部分和浓度减小部分的大小基本相同，说明在该双效溴化锂吸收式制冷系统中，高、低温热交换器的高温侧和低温侧在热交换过程中没有发生传质，而高、低温传质换热器的高温侧和低温侧在热交换的过程中有传质存在，且传质的方向为高温侧向低温侧传递。

此外，当高、低温传质换热器稀溶液进口流量增大到一定程度以后（本次数值模拟此流量数值为0.28kg/s），高、低温传质换热器出口溶液的浓度基本不发生变化，趋于平稳状态，出口浓溶液的浓度始终要大于出口稀溶液的浓度。

图5 高温换热器进口溶液流量和出口溶液浓度的变化关系

图6 低温换热器进口溶液流量和出口溶液浓度的变化关系

从图7、图8可以看出，替换前系统COP和替换后系统COP均随着高、低温热交换器和高、低温传质换热器入口稀溶液浓度的增大而增大，替换后系统COP随着高、低温传质换热器稀溶液入口浓度的增加而增大，并且其幅度大于替换前系统COP随着高、低温热交换器稀溶液入口浓度的增加而增大的幅度，说明高、低温传质换热器内部存在的传质作用增大了系统的放气范围，使得系统COP增大，且溴化锂稀溶液浓度在一定的范围内增大时，这种作用越强烈。

此外，替换前后的系统COP均随着高、低温热交换器和高、低温传质换热器稀溶液入口温度的升高而增大，替换后系统COP增大的幅度仍然大于替换前系统COP，系统COP受到溴化锂溶液浓度的影响更大。

图7 换热器入口稀溶液浓度和系统COP的变化关系

图8 换热器入口浓溶液浓度和系统COP的变化关系

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Study on the performance of the plate heat exchanger applied in absorption refrigeration system

Wang Zhi Sun Wenzhe Chen Panpan Fang Peiming

( Shanghai maritime university, Shanghai, 201306 )

This paper adopts flat mass and heat transfer exchanger to the small double effect absorption refrigeration system, through the establishment of the mathematical model of the parts in the system and setting related parameters of high temperature flat mass and heat transfer exchanger and flat at low temperature. Based on the Matlab numerical analysis program, this paper calculates COP of absorption refrigeration system after the replacement of mass and heat transfer exchanger. Found by simulation calculation, replacing with flat mass and heat transfer exchanger system, it increases the system's COP and the energy utilizes more fully.

plate heat exchanger; absorption refrigeration; COP

1671-6612（2017）04-346-05

TB61

A

王 志（1991.10-），男，在读硕士研究生，E-mail：897875933@qq.com

作者简介：孙文哲（1962.11-），男，教授，从事制冷相关领域的研究与教学工作，E-mail：wzsun@shmtu.edu.cn

2016-11-17