高效余废热利用全石英溴化锂制冷机组的研究

高效余废热利用全石英溴化锂制冷机组
的研究
摘要：本文研究设计的溴化锂机组，充分利用夏季过剩太阳能热水及工业
余废热制冷，节约电力、减少排放。

传统溴化锂制冷机组体积大、密闭差、腐蚀强，本文创新采用石英代替碳钢制作。

分析了石英的优势，设计了机组的原理，
并分析了关键技术问题。

制作了石英热管并进行性能测试。

本项目的研发对石英、制冷供热行业都有着美好的前景。

关键词：石英；溴化锂；吸收式制冷；余废热利用
一、背景
传统的溴化锂吸收式制冷技术虽然比较成熟，但是它还有着比较大的弊端。

体积大质量重，小型化比较困难。

另外，机组密闭性较差，真空度难以长期维持，不仅会影响制冷性能，而且还会带来腐蚀问题。

腐蚀所产生的氢气又会进一步影
响机组性能。

为了避免这些问题，本文所研究的吸收式制冷机组将全部采用石英
材料，这是前人没有尝试过的，也是本文的创新之处，并已获得发明专利授权。

二、石英材料的优势
首先，采用石英，机组质量可以大幅下降，体积可以缩小。

传统的溴化锂吸
收式机组多采用碳钢与紫铜材料，其密度分别为7.85g/cm3和8.93g/cm3，而石英
的密度仅为2.65g/cm3。

我们对比这三种材料的密度即可发现，石英的密度大约
为前者的三分之一。

其次，石英的机械性能优良。

在20℃下，透明石英玻璃的抗拉强度为
785~1156×106帕，抗压强度为48.1×106帕，和碳钢在同一个数量级。

抗冲击强
度为1060J/m2，比聚碳酸酯提高了50%~100%，后者是制作防弹玻璃的关键材料。

第三，石英材料化学稳定性好。

溴化锂的腐蚀性一般要低于氯化钠，如果把
石英材料放在102℃，10%浓度的氯化钠溶液中，2h后其重量损耗仅为0.14g/m2。

而类似的条件下，碳钢的腐蚀量要比石英的大两个数量级。

三、石英机组的原理
图1为全石英溴化锂制冷机组的原理示意图。

75℃以上的热水进入发生器，
通过石英热管换热器加热溴化锂溶液，一方面解吸出的水蒸气进入冷凝器被冷凝，
获
得液态冷剂水。

另一方面，
剩下的溴化锂浓溶液经过换
热后进入吸收器吸收冷剂蒸
汽。

液态冷剂水经过降压进
入蒸发器蒸发为冷剂蒸汽，
蒸发将带走冷媒水的热量，
变冷的冷媒水送入需求侧制冷。

而冷剂蒸汽进入吸收器被吸收，溴化锂浓溶液变为稀溶液，被泵送回发生器
进行下一次循环。

四、关键技术问题
首先就是全石英机组的加工。

因为机组采用了统一
的石英材料，所以在加工工艺上可以更好的保持一致，
这有利于真空度的维持，如图2所示。

其次，石英的导
热系数并不高，不到碳钢的一半；但也不低，要优于不
锈钢。

因此，这会对机组内外的热量交换产生一定的影
响。

因此，要解决的第二个关键问题是传热问题。

传统吸收式制冷多采用管壳式换热器，压缩式制冷多采用板翅式，本文拟采
用热管式。

对比这三种方式，热管式换热器压力损失低，放热系数高，单位体积
内的传热面积大。

同时，单一热管的损坏不影响整体换热器性能，因此价格适中，维修费用低。

如下表所示。

表三种换热方式的对比
种类
压
力损失
放
热系数
单位
体积的
传热
面积
维
修费
价
格
管
壳式
高高低中中
板
翅式
低中很高中高
热管式低高很高很
低
中
五、石英热管的研发与测试
针
对上述热管换热器的选择，我们进行了全石英
玻璃重力热管的初步设计制作与性能测试。

主
要以水、丙酮和乙醇为工质制作不同充液量的
热管，并搭建试验台采用电加热和油浴加热排
气的制作过程并进行传热性能测试，如图3所示。

工
质为水、丙酮和乙醇的全石英玻璃重力热管传热功率分别如图4、5、6所示，图中不同标号的热管充液量不同。

由表可知实验中做出的全石英玻璃重力热管最高的传热功率在15.7W。

在相同加热温度下，不同热管之所以出现传热功率差异较大的现象，其原因应为热管内真空度不同导致，传热功率较低的热管由于排气不净导致管内真空度较低。

工
质为水的全石英玻璃重力热管传热功率
要好于工质为乙醇和丙酮的热管。

总的
来
说，当加热温度上升时三种工质的全玻
璃重力热管的传热功率都有所上升。

六、社会经济贡献
对比一下相同制冷量下两种不同方式制冷机组的节能效果。

一般10kW压缩式制冷机输入电功率为4kW，而全石英溴化锂制冷机组输入电功率为0.5kW，所以其单位制冷功率耗电量分别为0.4kWh/kW，0.05kWh/kW。

假设制冷周期：100天×10h，两者的耗电量分别为4000和50kWh。

可见节约的电量极为可观。

因此，也获得良好的减排量。

在一个制冷周期，全石英溴化锂制冷机组节约标准煤约为1580kg，CO
2
减排量约为3938.15kg，粉尘减少量约为
1074.4kg，SO
2减排量约为118.5kg，NO
X
减排量约为59.25kg。

如图7所示，苏北地区特别是
连云港有着雄厚的石英产业基础，这既为本文全石英溴化锂制冷机组的研发带来巨大的优势，反过来，本项目的成功和未来的产业化，不仅可以扩大就业，也可以极大的促进本地区石英行业的转型升级。

七、结论与前景
全石英溴化锂制冷机组的研发有着美好的前景，主要体现在以下6个方面：首先，在夏季，太阳能集热系统往往产生的大量余废热量，可以利用。

而夏季正是制冷需求旺盛的时期。

其次，能源化工等行业也有大量的余废热可以利用。

在国际市场上，如日照充足的西亚、地中海地区的制冷需求十分迫切。

另外，项目的实施可以促进石英材料的研发，优化产品结构，加快石英行业产品高端化、高附加值的升级转型步伐。

在制冷行业，机组的小型化，扩大了吸收式制冷应用领域。

在供热行业，未来可开发全石英溴化锂热泵机组，回收利用低品位热能进行供热。

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简历：
陶涛，1982.12，男，安徽，讲师，工学博士，主要研究太阳能热利用技术、海水淡化技术、吸收吸附式制冷技术等，************.cn，157****1949.。