摘 要

本文以固定制冷量为45kW的一种单效溴化锂吸收式制冷机为研究对象，通过建立溴化锂溶液以及饱和水与水蒸气的热物性参数数学模型、机组各部件的传热数学模型，对单效溴化锂吸收式制冷机进行了设计计算与变工况特性分析。

本文所做的工作可以为同类机型的研究提供参考，并且其研究结果对提高制冷机的性能提供了一定帮助。本文得到的结论如下：

通过对单效溴化锂吸收式制冷机进行设计计算，可以得到工作介质流量和各换热设备的热负荷、传热系数、换热面积等，计算得到的制冷机的性能系数（COP）为0.7162。

通过对单效溴化锂吸收式制冷机进行变工况特性分析，发现提高热源水进口温度可以提高制冷机的制冷量和COP，热源水进口温度越高，COP增加速度越慢；提高冷却水进口温度会导致制冷机的制冷量和COP降低，冷却水进口温度越高，COP降低速度越快；提高冷冻水进口温度可以提高制冷机的制冷量和COP，冷冻水进口温度越高，COP增加速度越慢。

关键词：单效溴化锂制冷机；数学建模；设计计算；变工况；特性分析

Abstract

In this paper, a single-effect lithium bromide absorption chiller with the fixed cooling capacity of 45 kW is taken as the research object. By establishing the thermal physical properties mathematical models of lithium bromide solution, saturated water and water vapor, and establishing the mathematical model of the heat transfer of the various components of the unit, the design and calculation of the single-effect lithium bromide absorption chiller and analysis of the characteristics of the variable working conditions are performed.

The work done in this paper can provide reference for the research of similar models, and its research results provide some help to improve the performance of refrigerators. The conclusions are as follows:

Through the design and calculation of the single-effect lithium bromide absorption chiller, the working medium flow and the heat load, heat transfer coefficient, and heat transfer area of each heat exchange equipment are obtained. The calculated performance coefficient (COP) of the refrigerator is 0.7162.

By analyzing the characteristics of the variable working conditions of the single-effect lithium bromide absorption chiller, it is concluded that increasing the inlet temperature of hot water can increase the refrigerating capacity and COP of the refrigerator. The higher the inlet temperature of hot water, the slower the COP increases. Increasing the inlet temperature of cooling water leads to a decrease in the refrigerating capacity and COP of the refrigerator. The higher the inlet temperature of cooling water, the faster the COP decreases. Increasing the inlet temperature of chilled water can increase the refrigerating capacity and COP of the refrigerator. The higher the inlet temperature of chilled water, the slower the COP increases.

Key Words: single-effect lithium bromide refrigerator; mathematical modeling; design and calculation; variable working conditions; characteristic analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.1 能源危机 1

1.1.2 吸收式制冷 1

1.1.3 溴化锂吸收式制冷机的特点 2

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 溴化锂吸收式制冷国内研究现状 2

1.2.2 溴化锂吸收式制冷国外研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 单效溴化锂吸收式制冷机的数学模型 6

2.1 溴化锂溶液的热物性参数数学模型 6

2.1.1 溴化锂溶液的动力粘度方程 6

2.1.2 溴化锂溶液的结晶温度方程 7

2.1.3 溴化锂溶液的密度 7

2.1.4 溴化锂溶液的质量定压比热容 8

2.1.5 溴化锂溶液的比焓 8

2.1.6 溴化锂溶液的导热系数 9

2.1.7 溴化锂溶液的平衡方程 9

2.2 饱和水和水蒸气的热物性参数数学模型 10

2.2.1 饱和压力与饱和温度方程 10

2.2.2 饱和水和水蒸气的比焓 12

2.2.3 饱和水和水蒸气的质量定压比热容 12

2.2.4 饱和水的密度 13

2.2.5 饱和水的导热系数 13

2.2.6 饱和水的动力粘度 13

2.2.7 饱和水的普朗特数 14

2.3 单效溴化锂吸收式制冷机的各部件传热数学模型 15

2.3.1 发生器的传热数学模型 16

2.3.2 冷凝器的传热数学模型 17

2.3.3 蒸发器的传热数学模型 17

2.3.4 吸收器的传热数学模型 17

2.3.5 热交换器的传热数学模型 18

2.3.6 机组热平衡校核及性能系数 18

2.4 本章小结 18

第3章 单效溴化锂吸收式制冷机的设计计算 19

3.1 单效溴化锂吸收式制冷机的热力设计 19

3.1.1 设计参数选定 19

3.1.2 主要状态点参数计算 20

3.1.3 工作介质流量及各换热设备热负荷计算 21

3.2 单效溴化锂吸收式制冷机的传热设计 23

3.3 单效溴化锂吸收式制冷机的结构设计 25

3.3.1 发生器的结构设计 25

3.3.2 冷凝器的结构设计 26

3.3.3 蒸发器的结构设计 27

3.3.4 吸收器的结构设计 29

3.3.5 热交换器的结构设计 30

3.4 本章小结 31

第4章 单效溴化锂吸收式制冷机的变工况特性分析 32

4.1 热源水进口温度对制冷机性能的影响 32

4.2 冷却水进口温度对制冷机性能的影响 35

4.3 冷冻水进口温度对制冷机性能的影响 37

4.4 本章小结 39

第5章 结论与展望 40

5.1 主要内容与结论 40

5.2 展望 40

参考文献 42

附录A 符号表 44

致 谢 45

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 能源危机

随着社会经济的不断发展，一次性能源的消耗越来越多，能源与环境问题已逐渐成为人们最为关注的话题之一，目前全世界都在努力应对能源供给和环境保护这两方面挑战。根据《BP世界能源统计年鉴（2017年）》显示，在能源需求方面，2016年中国的能源需求增加了1.3%，虽然增速和以往相比已经有所变缓，但中国依旧是全世界范围内增速最快的国家；在能源消费方面，中国的能源消费量占全球能源消费量的23%，占全球能源消费增长的27%，在所有形式的能源中，煤炭依旧是中国能源消费的主要对象，占到了中国能源总消费量的62%^[1]。为此，我们需要采取适当的措施来合理利用能源，优化我国的能源结构。近年来，对低压蒸汽、热水以及工业废热等低品位能源的利用已经成为人们关注的焦点，这将是我国缓解能源压力、减少环境污染的重要途径^[2]。

1.1.2 吸收式制冷

自1902年世界上第一台空调问世以来，制冷和空调技术已经在全世界得到了广泛应用，给人们的生活带来了很大方便；而另一方面，它也引起了许多能源与环境问题，例如需要消耗大量电能、造成了大量温室气体排放、破坏臭氧层等。

在目前所有的制冷方式中，蒸汽压缩式制冷应用最为广泛，但它需要消耗大量电能，而且要使用专门的制冷剂，其中有些制冷剂（例如R12、R22等）对环境造成了严重的污染和破坏，不利于节能环保；蒸汽喷射式制冷由于存在工作蒸汽压力高、喷射器不可逆损失大、效率低等缺点，在空调冷水机上的应用没有明显优势；吸附式制冷的循环模式是间歇性的，热力状态时刻在变化，不利于自动化运行，并且储存能量也存在困难，这种制冷方式的研究还没有深入；吸收式制冷可以直接利用低压蒸汽、热水以及工业废热等低品位热源来驱动，在工业余热利用方面有比较大的优势，这可以减少电能消耗，而且采用的制冷剂对环境和大气臭氧层无害，有利于环境保护^[3-5]。在当今能源紧张、环境问题日益严峻的情况下，吸收式制冷受到了人们的广泛关注。

氨水吸收式制冷机曾广泛应用于化学工业，但它在工作过程中需要一套精馏设备，这使得整个制冷装置变得非常笨重，影响了制冷机的效率，而且氨水有刺激性气味，空气中含有过量的氨会使人中毒，因此现在氨水吸收式制冷机在化学工业上的应用已经越来越少。相比这下，溴化锂吸收式制冷机则不存在上述缺点，它在近几年内得到了前所未有的发展^[6]。

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