热管型双效溴化锂机组热管换热器的影响因素.pdf

基金项目:国家自然基金资助项目(50376048);211二期工程建设项目,国家 985建设项目(X03140);教育部博士点基金项目(20030056027)供热热源热管型双效溴化锂机组热管换热器的影响因素白丽莹,杨 昭(天津大学 热能研究所,天津 300072)摘 要:分析了热管型双效溴化锂吸收式冷热水机组中的分离式热管换热器的工作原理,对影响分离式热管换热器性能的因素进行了研究。在烟气出口温度一定的前提下,较高的烟气进口温度可减少分离式热管换热器的传热面积,降低造价,但受到热管工作温度的限制,应控制烟气进口温度。在热管几何参数不变的情况下,烟气进口温度对分离式热管换热器的传热系数影响很小,因此为提高传热系数,应优化其结构。虽然较低的高压发生器溴化锂溶液进出口温度可减少分离式热管换热器的换热面积,但会使双效溴化锂吸收式冷热水机组的性能系数有所下降。关键词:热管换热器;双效溴化锂吸收式冷热水机组;影响因素中图分类号:TU995 文献标识码:A 文章编号:1000-4416(2006)12-0040-04Influencing Factors ofHeat Pipe Exchanger ofDouble-effectLithium-bro m ide UnitBAIL-i ying,YANG Zhao(Thermal Energy Research Institute,T ianjin University,T ianjin 300072,China)Abstract:The operating principle of separated heat pipe exchanger of double-effect lithium-bro-m ide absorption-type water chiller-heater unit is analyzed,and the study on factors influencing the per-for mance of separated heat pipe exchanger is conducted.On the prem ise of constant outlet te mperature offlue gas,the higher inlet temperature of flue gas can reduce the heat transfer area of separated heat pipeexchanger,thus lowering the manufacturing cos,tbut it is li m ited by the working temperature of heatpipe,so the inlet temperature of flue gas shall be controlled.Under the condition of constant geom etricparameters of heat pipe,the influence of inlet temperature of flue gas on the heat transfer coefficients ofseparated heat pipe exchanger is sm al,l so the structure of separated heat pipe exchanger shall be opt-im ized to enhance the heat transfer coefficients.Though the lower inlet and outlet temperatures of lithium-brom ide solution in high pressure generator can reduce the heat transfer area of separated heat pipe ex-changer,the perfor mance coefficients of double-effect lithium-brom ide absorption-typewater chiller-hea-ter unit w ill be reduced at the same ti me.Key words:heat pipe exchanger;double-effect lithiu m-brom ide absorption-type water chiller-heater uni;t influencing factor 余热型吸收式制冷机的研究得到众多学者的关注,结构形式也越来越多 1。以往主要采用管壳式#40#第 26卷 第 12期2006年 12月煤 气 与 热 力GAS&HEATVo.l 26No.12Dec.2006换热器对气态余热进行直接利用,或利用余热锅炉制取蒸汽,但前者易造成腐蚀,后者的造价较高,而利用热管直接回收气态余热的热管型溴化锂吸收式冷热水机组则弥补了以上的不足 2。南京化工大学对由装机容量为 200 k W 的柴油发电机尾气驱动的热管型溴化锂吸收式冷水机组进行了大量理论实验研究 2、3,天津大学对热管型溴化锂吸收式冷水机组进行了初步优化研究 4。热管型双效溴化锂吸收式冷热水机组是热管换热器与溴化锂吸收式冷热水机组的有机结合 5 7。本文以溴化锂溶液串联流程为例,分析烟气进口温度及高压发生器溴化锂溶液的进出口温度对热管换热器性能的影响。1 分离式热管换热器的工作原理分离式热管换热器由多根热管组成,其工作原理见图 1。高温烟气加热蒸发段,热管工质(水)受热蒸发,蒸汽通过上升管将热量输送至冷凝段(即高压发生器),将热量释放给高压发生器中的低温溴化锂溶液,换热后冷凝液靠重力返回蒸发段,如此反复循环,将热量不断传送给高压发生器。分离式热管换热器靠热管工质相变将热量传给高压发生器中的低温溴化锂溶液。图 1 分离式热管换热器的工作原理F ig.1 W orking principle of separated heat pipe exchanger2 影响分离式热管换热器性能的因素2.1 分离式热管换热器的简化模型为了更加直观地进行分析,将分离式热管换热器简化为逆流间壁式换热器,并设定分离式热管换热器各热管中的热管工质状态均相同,热管工质平均工作温度为 t,单位为e。分离式热管换热器简化模型见图 2,图中 t,f i、t,f o分别为分离式热管换热器蒸发段烟气进、出口温度,单位为e;tL,i、tL,o分别为高压发生器溴化锂溶液进、出口温度,单位为e。分离式热管换热器的设计在确定高压发生器图 2 分离式热管换热器简化模型F ig.2 Si mplifiedmodel of separated heat pipe exchanger吸热量(即分离式热管换热器冷凝段放热量)的前提下进行。分离式热管换热器的传热量 5=5e+5c2(1)式中 5)分离式热管换热器的传热量,W5e)分离式热管换热器蒸发段的传热量,W5c)分离式热管换热器冷凝段的传热量,W 分离式热管换热器的传热面积 A=55sAs(2)5s=KAs,e$tm(3)K=1RsAs,e(4)$tm=(tL,i-t,f o)-(tL,o-t,f i)lntL,i-t,f otL,o-t,f i(5)式中 A)分离式热管换热器的总传热面积,m25s)单个热管的传热量,WAs)单个热管的传热面积,m2K)以单个热管蒸发段传热面积为基准计算的分离式热管换热器总传热系数,W/(m2#K)As,e)单个热管蒸发段的传热面积,m2$tm)分离式热管换热器的对数平均温差,eRs)单个热管的总热阻,K/W 单个热管的总热阻 Rs=Rs,e+Rs,c(6)Rs,e=1As,ehs,e,oEs,e+12PK Ls,elndodi+1As,e,ihs,e,i(7)#41#第 12期白丽莹,等:热管型双效溴化锂机组热管换热器的影响因素第 26卷 Rs,c=1As,chs,c,oEs,c+12PK Ls,clndodi+1As,c,ihs,c,i(8)式中 Rs,e)单个热管蒸发段热阻,K/WRs,c)单个热管冷凝段热阻,K/Whs,e,o)热管蒸发段管外表面传热系数,W/(m2#K)Es,e)热管蒸发段管外污垢系数K)热管管壁热导率,W/(m#K)Ls,e)热管蒸发段长度,mdo)热管外径,mdi)热管内径,mAs,e,i)单个热管蒸发段内传热面积,m2hs,e,i)热管蒸发段管内沸腾表面传热系数,W/(m2#K)As,c)单个热管冷凝段的传热面积,m2hs,c,o)热管冷凝段管外表面传热系数,W/(m2#K)Es,c)热管冷凝段管外污垢系数Ls,c)热管冷凝段长度,mAs,c,i)单个热管冷凝段内传热面积,m2hs,c,i)热管冷凝段管内凝结表面传热系数,W/(m2#K)热管工质的平均工作温度 t=Rs,cRs#t,f i+t,f o2+Rs,eRs#tL,i+tL,o2(9)热管工质的最低工作温度 tmin=t,f o-(t,f o-tL,i)RsRs,e(10)式中 tmin)热管工质的最低工作温度,e 热管工质的最高工作温度 tmax=t,f i-(t,f i-tL,o)RsRs,e(11)式中 tmax)热管工质的最高工作温度,e2.2 影响因素的分析在分离式热管换热器传热量(即高压发生器的热负荷)一定的情况下,t,f i、t,f o、tL,i、tL,o、t成为分离式热管换热器重要的设计参数,为保证热管的正常工作,必须将 t、tmax控制在热管工质的许用工作温度范围内。本文以制冷能力为 1 160 k W 的双效溴化锂吸收式冷热水机组为研究对象,分析 t,f i、tL,i、tL,o对分离式热管换热器性能的影响。为了避免烟气结露,烟气出口温度设定为 200 e。热管换热器的传热量取 1 078 k W,迎风截面取近似正方形,烟气流速为 2.5m/s。t,f i的影响当 tL,i=1301 e,tL,o=163.4 e,t,f i在 350500 e 范围内变化时,K、$tm、A 随 t,f i的变化见图 3。图 3 K、$tm、A随 tf,i的变化Fig.3 V ariation ofK,$tmandA with t,f i由图 3可知,随着 t,f i的升高,$tm、A 分别增大、减小。而且由式(2)、(3)可知,$tm的增大使 5s增大,可使 A 减小。但在热管几何参数不变的情况下,K 受 t,f i的影响很小,只是略有增大。因此,必须优化分离式热管换热器的结构。由分析可知,t、tm ax随着 t,f i升高有所升高。虽然较高的 t,f i会减少热管分离式换热器的传热面积,提高其经济性,但由于热管对 tm ax的限制,应控制 t,f i,避免事故的发生。tL,i、tL,o的影响当 t,f i=500 e、t,f o=200 e 时,$tm、K、A、t随tL,i、tL,o的变化分别见图 4 7。图 4$tm随 tL,i、tL,o的变化Fig.4 V ariation of$tmwith tL,iand tL,o 由图 4可知,当 tL,i不变时,$tm随 tL,o的升高而#42#第 12期煤 气 与 热 力第 26卷图 5 K随 tL,i、tL,o的变化Fig.5 V ariation ofK with tL,iand tL,o图 6 A随 tL,i、tL,o的变化Fig.6 Variation ofA w ith tL,iand tL,o图 7 t随 tL,i、tL,o的变化F ig.7 Variation of tw ith tL,iand tL,o降低;当 tL,o不变时,$tm随 tL,i的升高而降低。因此,较低的 tL,i、tL,o会得到较高的$tm,从而提高分离式热管换热器的传热量。由图 5可知,K 受 tL,i、tL,o的影响很小。由图 6可知,A 随 tL,i、tL,o的降低而减少,因此降低 tL,i、tL,o可提高分离式热管换热器的经济 性。但由图 7可知,tL,i、tL,o的升高均会使 t升高,考虑到分离式热管换热器的安全,应尽量使 tL,i、tL,o低一些,可在高压发生器压力一定的情况下,靠减小高压发生器放气范围实现。然而,提高双效溴化锂吸收式冷热水机组性能系数的主要途径是增大高压发生器的放气范围或提高高压发生器进口溴化锂溶液温度。因此,追求分离式热管换热器高性能与提高双效溴化锂吸收式制冷机组的性能系数相矛盾,应在设计中予以考虑。3 结论 当烟气出口温度一定时,较高的烟气进口温度可减少分离式热管换热器传热面积,降低造价,但受热管工作温度的限制,应控制烟气进口温度。在热管几何参数不变的情况下,烟气进口温度对分离式热管换热器传热系数影响很小,因此为提高传热系数,应优化分离式热管换热器结构。虽然较低的高压发生器溴化锂溶液进出口温度可减少分离式热管换热器换热面积,但会使双效溴化锂吸收式冷热水机组性能系数有所下降。参考文献:1 王长庆,李冰玉,陆震,等.用于回收余热的几种溴化锂吸收式装置 J.节能,1994,(11):29-33.2 金苏敏,刘坚.热管废热溴化锂制冷机 J.流体机械,1999,(8):28-31.3 杨振民,金苏敏.热管废热溴化锂制冷机的优化设计 J.能源研究与利用,2005,(3):46-48.4 焦永刚.余热回收型吸收式制冷循环研究(硕士学位论文)D.天津:天津大学,2005.5 庄骏,徐通明,石寿椿.热管与热管换热器 M.上海:上海交通大学出版社,1984.6 庄骏,张红.热管及其工程应用 M.北京:化学工业出版社,2000.7 戴永庆.溴化锂吸收式制冷机技术及应用 M.北京:机械工业出版社,1996.作者简介:白丽莹(1982-),女,辽宁沈阳人,硕士生,主要从事制冷及低温方面的研究。电话:[phone]E-mail:BaiBai9731 163.co m收稿日期:2006-04-14;修回日期:2006-06-16#43#第 12期白丽莹,等:热管型双效溴化锂机组热管换热器的影响因素第 26卷