一种用于燃气空气源吸收式热泵系统的立式降膜发生器的制作方法

本发明涉及一种能源利用与环保领域的空气源热泵系统，尤其涉及一种用于燃气空气源吸收式热泵系统的立式降膜发生器。

背景技术：

近年来，如何推进北方地区清洁供暖，保证群众温暖过冬，减少雾霾和污染成为一个热点问题。利用空气源作为热源提取热量的空气源热泵技术是一种很有前景的技术。空气源吸收式热泵因性能稳定，获取热源丰富，安装使用便捷等特点在供暖和空调领域都有了广泛的应用。该技术可以利用一部分电能或热能，将低品位能量转换为高品位能量，节能高效，安全环保。采用空气源吸收式热泵代替燃煤是农村地区清洁供暖的主要方式之一，并且已经得到了国家和政府的大力支持。然而，空气源吸收式热泵性能系数较低，如何提高系统的效率是目前的热点问题，尤其是对核心部件发生器的研究。现如今，常用的发生器有沉浸式发生器和喷淋式发生器。沉浸式发生器的液体静液柱压力会对发生效果产生影响，而喷淋式发生器虽然不存在静液柱的影响，且传热传质性能好，但是存在喷淋量小，传热面积利用不充分和难以完全湿润的特点。除此之外，还有立式降膜和水平降膜发生器。立式降膜发生器与水平降膜发生器相比，占地面积小，节约空间，可以更好的形成逆流换热，布液更加均匀，表明润湿率更好，从而获得更高温度的热输出等特点。

技术实现要素：

针对上述现有技术，为了减少设备占地面积，节约空间，增强换热，本发明提出一种用于燃气空气源吸收式热泵系统的立式降膜发生器，以天然气作为热源，可实现无极调节，直接给循环工质加热，采用波纹管换热管，提高了热传递效率。设置烟气排放出口，可以将烟气集中排出给系统加以利用，并采用锥形插件布膜器以保证液膜均匀。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于燃气空气源吸收式热泵系统的立式降膜发生器，包括燃烧机和发生器壳体，所述燃烧机的排放管路竖直的依次穿入所述发生器壳体，所述发生器壳体内的顶部设有布液器，所述布液器设有稀溶液进口和蒸汽出口，所述发生器壳体的侧壁中部设有烟气排放出口，所述发生器壳体内的底部设有溶液槽，所述溶液槽的底部设有浓溶液出口；自所述布液器至所述溶液槽之间设有多个换热波纹管，所述换热波纹管的顶端与所述布液器贯通，所述换热波纹管的底端与所述溶液槽贯通，所述换热波纹管底端的位置高于所述溶液槽中浓溶液的液面位置；每个换热波纹管内同轴的设有锥形筒插件，所述锥形筒插件的顶部位置比所在的所述换热波纹管的顶部位置高，所述换热波纹管的管壁与所述锥形筒插件留有缝隙。

进一步讲，本发明所述的立式降膜发生器，其中，所述燃烧机送入预混的空气和天然气至发生器壳体中作为驱动热源向溶液释放热量；来自于系统吸收器的稀溶液经溶液泵从稀溶液进口打入布液器，当所述布液器中的稀溶液的液面没过所述换热波纹管顶部时，在所述锥形筒插件的导流作用下，稀溶液沿着所述换热波纹管管壁形成均匀的液膜；在稀溶液向下流动的过程中，吸收来自于所述燃烧机的热量，稀溶液中的低沸点水蒸发成为蒸汽，蒸汽沿着所述换热波纹管向上流动，从布液器的蒸汽出口进入冷凝器中；该稀溶液的浓度逐渐升高，到达底部的溶液槽时已为浓溶液，所述浓溶液从溶液槽的浓溶液出口排出，进入吸收器中。

本发明中所述换热波纹管的面积是a；设，该立式降膜发生器传热的整个过程是对流换热和辐射换热的复合换热形式，则定性温度tm为：

式(1)中，tw是换热波纹管内发生温度，tf是燃烧时空气温度；根据定性温度tm，可以在《传热学》干空气的热物理性质表中查得空气的物性参数如运动粘度υ，导热系数λ，普朗特数pr，体积膨胀系数α，则格拉晓夫数gr为：

式(2)中，g为重力加速度，l为换热波纹管的长度；计算出格拉晓夫数和gr普朗特数pr的乘积；按照竖直壁准则式，壁温为常数，则努希尔特数nu为：

nu＝0.1×(gr·pr)^1/3(3)

则对流换热系数为hc：

辐射传热系数hr为：

式(5)中，ε为发射率，cb为辐射系数，则换热波纹管外复合换热传热系数为：

h＝hr+hc(6)

则换热波纹管的面积a为：

式(7)中，q为燃气产生热量，δt为换热温差。

根据所述换热波纹管长度l和面积a，设计该立式降膜发生器中换热波纹管的个数和直径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述的立式降膜发生器，减少了设备占地面积，节约了空间，强化了换热。以天然气作为驱动热源，直接与循环工质换热，降低环境污染，增大了换热效率。换热管采用波纹管，强化传热，使湍流程度增加。烟气排放出口有助于系统对烟气余热进行回收，锥形筒插件形式的布膜器可以保证液膜均匀向下流动。同时，提供了发生器传热过程的计算模型，为工程设计和实验提供了参考。

附图说明

图1是本发明所述的立式降膜发生器的结构示意图。

图2是本发明立式降膜发生器中布液器4的结构示意图；

图3是本发明立式降膜发生器中溶液槽8的结构示意图。

图中：

1-燃烧机2-蒸气出口3-稀溶液进口4-布液器

5-发生器壳体6-换热波纹管7-烟气排放出口8-溶液槽

9-浓溶液出口10-锥形筒插件11-稀溶液流动方向12-稀溶液

13-蒸汽流动方向14-浓溶液15-挡板

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提供的一种用于燃气空气源吸收式热泵系统的立式降膜发生器，包括燃烧机1(由风机和燃烧器构成)，布液器4，锥形筒插件10，换热管，溶液槽6以及发生器壳体5，所述发生器壳体5为不锈钢材质，所述燃烧机1的排放管路竖直的依次穿入所述发生器壳体5，所述布液器4布置在发生器壳体5的顶部，其包含有稀溶液进口3和蒸汽出口2，发生器壳体5的中部设有烟气排放出口7，所述溶液槽8位于所述发生器壳体5的底部，所述溶液槽8下部有浓溶液出口9。所述布液器4与发生器壳体5之间及所述溶液槽8与所述发生器壳体5之间均用挡板15隔离。本发明中的换热管为换热波纹管6，采用波纹管可以强化传热，使湍流程度增加，其管束长度和数量根据系统负荷大小确定。换热波纹管6上部和布液器4贯通并伸出，换热波纹管6的下部连至溶液槽8，所述换热波纹管6底端的位置高于所述溶液槽8中浓溶液14的液面位置，如图3所示；该发生器壳体5采用无缝焊接，每个换热波纹管6内同轴的设有锥形筒插件10，所述锥形筒插件10的顶部位置比所在的所述换热波纹管6的顶部位置高，所述换热波纹管6的管壁与所述锥形筒插件10留有缝隙，即采用锥形筒插件10形式的布膜器为降膜入口处，以保证液膜均匀。

以溴化锂吸收式热泵为例，描述本发明所述的立式降膜发生器的工作过程。在吸收器中，高浓度的溴化锂溶液吸收水蒸气后变为低浓度的稀溶液12。来自于系统吸收器的稀溶液12通过溶液泵，从稀溶液进口3打入发生器的布液器4中，布液器4中的液面逐渐上升，当布液器4中的稀溶液12的液面没过换热波纹管6的管口时，在所述锥形筒插件(10)的导流作用下，稀溶液12经过锥形筒插件10(与换热波纹管6之间的缝隙，即布膜器)流入换热波纹管6中，锥形筒插件10的布膜器使得稀溶液12能够沿换热波纹管6的内壁面均匀向下流动，从而形成均匀的液膜。在管内稀溶液12的流动(稀溶液流动方向如图2中箭头11所示)过程中，管外的燃烧机1将混合好的天然气和空气燃烧，并通过竖直向下的排放管路送入发生器壳体5中作为驱动热源向溶液释放热量，与换热波纹管6进行对流换热和辐射换热，向换热波纹管6输入热量。换热波纹管6内的溴化锂稀溶液吸收来自于所述燃烧机1的热量后，稀溶液12中低沸点的水遇热蒸发，从稀溶液12中变成蒸汽沿着所述换热波纹管6向上流动(图2中示出了蒸汽流动方向如箭头13所示)，从蒸汽出口2中流出，进入冷凝器进行冷凝。稀溶液12在释放一部分水后，浓度升高，浓度逐渐升高并继续向下，到达底部时已变成为浓溶液14流至溶液槽8中，再从溶液槽8的浓溶液出口9流入吸收器中继续循环。本发明中，在发生器壳体5的侧面设置烟气排放出口7，有助于吸收式热泵将烟气进行余热回收。

为了工程设计和实验的需要，本发明中还提供了该立式降膜发生器传热过程的计算模型，本发明所述的立式降膜发生器传热的整个过程是对流换热和辐射换热的复合换热形式，则定性温度tm为：

式(1)中，tw是换热波纹管内发生温度(根据工况需要自行设计)，tf是燃烧时空气温度；根据定性温度tm，可以在《传热学》干空气的热物理性质表中查得空气的物性参数如运动粘度υ，导热系数λ，普朗特数pr，体积膨胀系数α，则格拉晓夫数gr为：

式(2)中，g为重力加速度，l为换热波纹管的长度(根据需求自行设计)；计算出格拉晓夫数和gr普朗特数pr的乘积；按照竖直壁准则式，并认为壁温为常数，则努希尔特数nu为：

nu＝0.1×(gr·pr)^1/3(3)

则对流换热系数为hc：

辐射传热系数hr为：

式(5)中，ε为发射率，cb为辐射系数，则换热波纹管外复合换热传热系数为：

h＝hr+hc(6)

则换热波纹管的面积a为：

式(7)中，q为燃气产生热量，δt为换热温差。

综上，本发明中所述换热波纹管的管束长度和数量可以根据系统负荷(即立式降膜发生器传热过程的计算模型)计算出面积，根据面积和长度确定管束中的数量大小。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。