【论文摘要】溴化锂吸收式制冷机在工业中有着广泛的应用,但换热装置腐蚀及其引起的冷量衰减一直以来是人们难以解决的问题。根据现有的溴化锂吸收式制冷机组的性能,结合塑料换热装置的一些特点,提出了采用塑料换热装置代替金属换热装置来解决溴化锂吸收式制冷机的这个难题;并以研制一台制冷量为3.49×104Ｗ的溴化锂吸收式制冷机组为例,对塑料换热装置的溴化锂吸收式制冷机组与传统金属溴化锂吸收式制冷机组相关部件的参数进行比较。通过对溴化锂吸收式制冷机组的传热面积、管道阻力的计算和安全强度的校核,发现塑料换热装置应用在溴化锂吸收式制冷机上是可行的,塑料换热技术在溴化锂吸收式制冷机上有着较好的应用前景。
1 前言
溴化锂吸收式制冷机[1]是一种以水为制冷剂,溴化锂水溶液为吸收剂,利用水在真空中沸点低而容易蒸发,蒸发时需从环境中吸收热量,从而降低环境介质温度的制冷设备。溴化锂吸收式制冷机自1945年在美国Ｃａｒｒｉｅｒ公司问世以来[2],由于以各种低温热源为动力,耗用电能少,噪声低、无臭、无毒、无爆炸危险、冷量调节范围广、对环境的适应性强,在空调及工艺过程提供冷源方面应用广泛。在当前国际社会禁用氟利昂作为吸收剂的条件下,溴化锂吸收式制冷机更具有发展优势。自从2003年夏季开始,我国大部分省市都存在较为严重的缺电现象。据有关业内人士推测,缺电现象还将持续。而溴化锂吸收式制冷机与电压缩式制冷机相比,可节电95%[3],这使得溴化锂吸收式制冷机的应用前景更加乐观。溴化锂吸收式制冷机的工质主要是溴化锂溶液,它是强碱性的腐蚀介质,所以传统的溴化锂吸收式制冷机一直以来难以解决的老大难问题就是换热装置腐蚀以及由此引起的冷量衰减。通常,一定浓度的溴化锂溶液在溴化锂吸收式制冷机发生器和吸收器中运行时,其浓度为63%～65%,停止运行时为50%～54%[4],在这样高浓度条件下材料的腐蚀严重。腐蚀不仅影响设备的寿命,而且腐蚀反应所生成的氢气会破坏高低压筒的压差平衡,产生的铁锈也会造成管路和喷口的阻塞而降低热效率并导致停机[5]。因此,为了解决这些问题,中外学者进行了大量的研究,如在溴化锂溶液中添加缓蚀剂,在换热装置的金属管壁上用氟塑料做纳米级的涂层,或者对塑料进行改性(如添加石墨等)。虽然这些方法取得了一定的成效,但总的效果尚不如人意。作者提出用薄壁细管径塑料管制成的塑料换热装置代替金属换热装置,有望解决溴化锂吸收式制冷机的腐蚀问题。
2 塑料换热装置的特点
塑料换热装置所用的塑料材质大多数是氟塑料,氟塑料换热装置是在金属换热装置的基础上发展起来的,是材料学、热力工程、塑料加工技术的综合成果。用于换热装置的氟塑料主要指ＰＴＦＥ(聚四氟乙烯)、ＰＦＡ(可溶性聚四氟乙烯)、ＦＥＰ(聚全氟乙丙烯)3种。ＦＥＰ最高使用温度略低(205℃),ＰＴＦＥ加工性能较差,但它耐腐蚀性能最好,其余各项性能(传热系数、机械强度等)基本相同[6]。用塑料换热装置代替金属换热装置有显著的优点[7],具体如下:
(1)塑料的价格便宜。它的价格比炭钢便宜5倍,比不锈钢便宜20倍。
(2)塑料有较强的抗酸,抗氧化能力,也适用于很多种溶剂。
(3)塑料有较强的抗腐蚀能力,允许管内有较高的流速。
(4)塑料的一般密度为900～2200ｋｇ/ｍ3,比金属轻4～5倍,这有利于运输,建造,并减少了安装费用。
(5)塑料成型加工简单,不用较高技能的劳动力。
(6)在蒸汽凝结过程中,塑料的润湿角小,容易实现珠状凝结。因此,在蒸汽侧,塑料的热传递系数比金属高。
(7)从环境观点出发,生产单位质量的塑料耗能是金属(如不锈钢,铝)的二分之一。这有利于节省燃料消耗,限制温室气体的排放,减少空气污染。
塑料换热装置的使用也有一些缺陷[7],具体如下:
(1)塑料的导热系数小(0.1～0.4Ｗ/(ｍ2·Ｋ)),是金属的1/100～1/300。1×10-4ｍ厚的塑料管与1×10-2ｍ厚的不锈钢管的热阻相当。导热热阻大是塑料换热装置的主要缺陷。
(2)塑料的热膨胀系数大,约为金属的10倍,热变形比金属大,影响寿命和可靠性。
(3)塑料的选用必须考虑在高温下的 变和老化问题。
(4)塑料换热装置的应用温度必须限制在50～200℃的范围内。
(5)作为一种新型换热装置,塑料换热装置的使用经验和技术数据十分缺乏。
3 塑料换热装置的国内外发展状况
3.1 塑料换热装置的国外发展状况
世界上塑料作为换热装置材料可以追溯到1960年美国ＤｕＰｏｎｔ公司最早开发应用[6]。以后一些工业先进国家也开发成功,如日本的淀川化成公司以ＰＦＡ为列管的ＹＳＴ800系列,前苏联的氟塑料盘管式换热装置等。1990年以前,还有许多公司开发研制了塑料换热装置,如ＵｎｉｔｅｄＷｉｒｅ公司开发使用了丝网-塑料换热装置,Ｅｃｏｐｏｌ公司开发了塑料套管式换热装置,Ｒｅｃｕｐａｉｒ公司推出了由聚碳酸酯制造的板式换热装置,Ｒｅｋｕｐｅｒａｔｏｒ公司制造了ＰＶＤＦ或ＰＰ材质的螺旋式换热装置,ＬｅＣａｒｂｏｎｅ公司开发了浸没式盘管和插入式换热装置,法国Ｃｉａｔ公司制造了塑料板式液-液换热装置[8],ＧＥ塑料公司在其节能开发中设计了由ＰＰＯ挤压制造的横向流动换热装置,Ｎｏｖｅｌｅｒｇ公司制造了一些原型板式换热装置[9]。1994年10月,Ｈ.Ｊ.Ｂｒｏｕｗｅｒｓ和Ｃ.Ｗ.Ｍ.ＶａｎＤｅｒＧｅｌｄ在塑料换热装置内对空气与水蒸气混合物的热传递问题进行了理论与实验的研究,并与现有的模型进行比较,得出了一些结论[10]。1999年1月,科威特大学的ＨｉｓｈａｍＴ.Ｅｌ-Ｄｅｓｓｏｕｋｙ和ＨｉｓｈａｍＭ.Ｅｔｔｏｕｎｅｙ对在脱盐工业中所应用的塑料紧凑式换热装置的性能进行了分析,最后得出能量消耗与设备的材质无关,只取决于压缩范围,ＰＴＦＥ换热装置的使用可以防腐蚀,因而减少缓腐剂的使用[7]。1999年5月,Ｄ.Ｒ.Ｒｏｕｓｓｅ等人指出了在温室中应用塑料换热装置可以解决由于通风不好,使得种植物的收成不高的问题,而且塑料换热装置又耐腐蚀,在有霜冻的情况下也可以使用[11]。2000年1月,Ａ.Ｂ.Ｐａｔｅｌ和Ｊ.Ｇ.Ｂｒｉｓｓｏｎ描述了塑料换热装置在ＳＳＲｓ(ｓｕｐｅｒｆｌｕｉｄＳｔｉｒｌｉｎｇｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ)中的成功应用,并对塑料换热装置的结构,设计型式和性能进行了详细的讲述[12]。2000年7月,Ｗ.Ｙ.Ｓａｍａｎ和Ｓ.Ａｌｉｚａｄｅｈ对交叉流平板式塑料换热装置用作减湿器和蒸汽冷却器时的性能进行了分析,最后得出了一些结论和实验关联式[13]。
3.2 塑料换热装置的国内发展状况
国内的塑料换热装置起步在80年代[6],已经形成一定的生产规模和型号。1998年,贾力,张秋宏提出了将冷凝式ＰＴＦＥ换热装置用于烟气换热可显著提高锅炉热效率,并可解决腐蚀问题,是国内将塑料换热装置应用于锅炉尾部的最新报导[16]。
4 塑料换热装置用于溴化锂吸收式制冷机的有关参数计算结果及分析
以研制一台制冷量为3.49×104Ｗ的溴化锂吸收式制冷机为例,并分别从换热面积、管道阻力、安全强度三个方面论证塑料换热装置可以应用在溴化锂吸收式制冷机上。
4.1 换热面积计算
在工程计算中,当圆管管道内、外径之比ｄｏ/ｄｉ<2时,以圆管外表面积为基准,传热系数Ｋ为:
式中:—管道内侧流体的换热系数,Ｗ/(ｍ2·Ｋ);α0管道外测流体的换热系数,Ｗ/(ｍ2·Ｋ);ｄｉ、ｄｏ—内、外管径,ｍ;δ—圆管壁厚,ｍ;λ—圆管导热系数,Ｗ/(ｍ2·Ｋ);—圆管内、外管径的算术平均值,ｍ;ｒｉ—内表面的污垢热阻,(ｍ2·Ｋ)/Ｗ;ｒｏ—外表面的污垢热阻,(ｍ2·Ｋ)/Ｗ。传热面积一般通过以下公式进行计算:
式中:Ｆ—传热面积,ｍ2;Ｑ—传热量,Ｗ;Ｋ—传热系数,Ｗ/(ｍ2·Ｋ);△—热交换器中的最大温差,Ｋ;ａ、ｂ—常数,与热交换器内流体流动的方式有关。一般地,逆流换热取ａ=0.35,ｂ=0.65;△ｔａ—温度变化较小流体的进出口温差,Ｋ;△ｔｂ—温度变化较大流体的进出口温差,Ｋ。
选塑料换热装置的塑料管管径为4×10-3ｍ,壁厚3×10-4ｍ,导热系数为0.395Ｗ/(ｍ2·Ｋ),密度2200ｋｇ/ｍ3,成本(考虑工艺因数)130元/Ｋｇ。结合式(1)、(2)计算可得塑料溴化锂吸收式制冷机有关部件参数与使用铜管(管径为1.6×10-2ｍ,壁厚1×10-3ｍ,导热系数为379.31Ｗ/(ｍ2·Ｋ),密度8700ｋｇ/ｍ3,价格30元/ｋｇ。)时的参数比较如表1所列。
由表1可以看出,塑料的传热系数虽小,但当壁较薄时,其总的传热系数为铜材的1/2～1/3之间,况且它的重量、成本都较铜材低得多,虽然塑料换热装置的体积比金属换热装置大,但塑料的加工性能好,可以通过强化传热技术使其体积与金属换热装置的体积一样。由于为了增加单位体积的传热面积和增加换热性能,使用了较细,较薄的塑料管,这样会增加管道阻力,因而需要考虑管道阻力和强度的问题。
4.2 管道阻力计算
系统阻力计算在溴化锂吸收式制冷机的设计计算工作中是不可缺少的,特别是管道阻力的计算。管道阻力可根据引起阻力损失的原因分成两部分,即因摩擦而引起的沿程阻力损失和因通道截面积形状发生变化以及流经阀门等而引起的局部阻力损失。
管道阻力损失可以通过以下公式进行计算:
式中:Ｈ—管道阻力损失,ｋｇ/ｍ2; 
-沿程阻力损失的总和,ｋｇ/ｍ2; 
-局部阻力损失的总和,ｋｇ/ｍ2。
沿程阻力可按下列公式计算:
式中:Ｌ—管道的长度,ｍ;—流速,ｍ/ｓ;ｒ-工作介质的密度,ｋｇ/ｍ3;ｇ—重力加速度,ｍ/ｓ2;λ-摩擦系数,工程中光滑管一般大致取0.003～0.004。
局部阻力可根据下述水力学公式来计算:
式中:ζ-局部阻力系数,此值一般是实验值。
从表1中可以大致算出各个换热装置塑料管管子根数与铜管管子根数之比,由以上公式可以大致算出各部件的流速,流阻之比,具体数值如表2所列。
假如按金属换热装置的方式来布置塑料换热装置,那么塑料换热装置的阻力比金属换热装置的阻力至少大10倍以上,需要大功率的泵来推动流体流动,这个将消耗大量的电能或导致机组无法工作。因此,必须采用新的布置方式解决这个问题。一般采用多短管并联的方式来减少管的长度,至少可以把塑料管的长度减少到铜管的1/8～1/4,这样管道阻力会大大降低,达到实用的程度。
4.3 安全强度的校核
安全强度的校核可用拉密公式:
式中:σｒ、σθ-分别表示压应力、拉应力,ＭＰａ;ａ、ｂ—分别为管内、外径,ｍ;ｒ、θ—表示极坐标;ｑａ、ｑｂ-分别表示内外压力,ＭＰａ。
如果只有内压力ｑａ作用,则ｑｂ=0,那么式(6)、(7)可化简为:
溴化锂吸收式制冷机的温度工作区间在0～180℃,绝对压力在0～0.5ＭＰａ之间。因此,假设管外为真空,那么可以得到最大的拉应力为0.5ＭＰａ,最大的压应力为2.6ＭＰａ。而聚四氟乙烯拉伸强度为10.3ＭＰａ,压缩强度为4.1ＭＰａ[17]。取安全系数为3.5后,仍可得到最大压应力和拉应力小于安全压缩强度和拉伸强度。因此,可以看出用塑料作换热装置符合安全要求。
5 结论
(1)塑料的导热系数虽小,但其热阻在壁厚较薄时,与溴化锂吸收式制冷机换热部件的管内外放热系数引起的热阻比,基本上在同一数量级(1×10-3Ｗ/ｍ2·Ｋ),即与相变换热热阻相当,因此可用于溴化锂吸收式制冷机各部件。
(2)与传统铜材作为传热元件的溴化锂吸收式制冷机作比较,塑料溴化锂吸收式制冷机的各部件总传热系数为铜材的1/2～1/3之间,所需的传热面积是铜材的2～3倍。这一缺点可通过应用强化传热技术,使单位体积中布置的导热面积(面体比)比传统铜材布置大1～2倍,就可保证塑料溴化锂吸收式制冷机的体积与传统溴化锂吸收式制冷机的体积相当,根据初步测算,小管径塑料换热装置的面体比为297ｍ2/ｍ3,而传统铜材结构的换热装置面体比仅为134ｍ2/ｍ3,因而可以肯定地说,总传热系数的减小对溴化锂吸收式制冷机的体积影响不是很大。通过研究表明,进一步采取增加面体比的措施,有可能使体积比传统铜管溴化锂吸收式制冷机更小。一般来说,铜材由于加工工艺壁厚不能做的太薄,管径因腐蚀而受到影响,为防堵塞也不能设计得太细,增加单位体积中导热面积技术实现比较困难。
(3)质量是铜制部件的1/9,大大减轻了机组的质量,这是塑料溴化锂吸收式制冷机的突出优点之一。
(4)目前成本(考虑了工艺因数)是铜制部件的1/2,工艺成熟后更留有大的降价空间,保证了塑料溴化锂吸收式制冷机研制成功后有强大的市场竞争力。
(5)塑料换热装置良好的抗腐蚀性,可大大延长溴化锂吸收式制冷机的寿命和溴化锂溶液使用寿命,消除因腐蚀物污染换热面而引起的冷量衰减问题,提高其质量和降低运行维护保养费用。
(6)溴化锂吸收式制冷机的温度工作区间在0～180℃之间,绝对压力在0～0.5Ｍｐａ之间,正适宜应用塑料作为材质。目前塑料水管的寿命可保证50年以上,而一般溴化锂吸收式制冷机寿命有10年左右即符合要求。
总之,塑料溴化锂吸收式制冷机有可能为溴化锂吸收式制冷机的发展带来重大变革,分析表明,塑料换热技术在溴化锂吸收式制冷机上有着很好的应用前景。
