冷凝器原理及模型分析

冷凝器是一种换热器，它将一种物质从气态凝结成液态，如图5.19所示。气态工质被送入管道，热量（通过冷海水）释放给外部冷源，因此被冷凝变为液体^[33]。冷凝器的运行跟蒸发器相反。

图5.19 冷凝器示意图

图5.20所示为一个冷凝器模型。在此模型中，有一个流体工质罐和吸收器。吸收器有两个入口：一个来自涡轮机；另一个来自扩压管。流体工质为氨和水的混合物。在这个简单的冷凝器模型中，瞬态性能是流体工质的温度、压力、成分以及质量流量的函数^[35，36]。

图5.20 冷凝器模型示意图

焓h（J/kg）和比容v（m³/kg）是温度T（℃）、压力P（Pa）以及成分Z的函数。成分Z是氨的质量分数。

气相和液相（Z_v，Z_L）的组成、这两相（h_v，h_L）的焓及其比容（v_v，v_L）都是压力和温度的函数，可由下式求得：

冷凝过程可以使用“质量守恒定律”和“热力学第一定律”来解释。

氨和水这两种流体工质有两个质量守恒方程^[36]。冷凝器有一个来自吸收器的输入和一个到工质罐的输出。它还具有冷水入口和冷水出口。因此，冷凝器内的流体质量平均值是输入质量和输出质量的总和，可以表示为

式中 ^MACT1_W——冷凝器内流体工质的总质量（kg）；

m_VI^AB——从涡轮机到吸收器的流体质量（输入到冷凝器，kg）；

m_LI^AB——从扩压器到吸收器的流体质量（输入到冷凝器，kg）；

m^TKI_WLO——从工质罐到泵的流体质量（冷凝器的输出，kg）。

应该指出，上标AB代表吸收器的吸收量，而上标TKI则代表来自工质罐的数量。下标VI、LI和WLO分别代表来自扩压器、来自涡轮机以及流向泵的流体工质。

基于总质量守恒方程，流体质量流量可写成

式中，（d/dt）M_W^ACT1——冷凝器中流体工质的总质量流量（kg）；

（d/dt）m^AB_VI——第一个入口的质量流量（kg/s）；

（d/dt）m_LI^AB——第二个入口的质量流量（kg/s）；

（d/dt）m^T_WKLIO——出口的质量流量（kg/s）。

铵的质量守恒可以表示为

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式中，M_W^ACT1——在冷凝过程中流体工质的总质量（kg）；

Z^ACT1_W——子系统中流体工质的平均组成；

（d/dt）m^AB_VI（d/dt）m_LI^AB、（d/dt）m^TKI_WLO——两个入口（来自扩散器和涡轮）

和出口罐的质量流量（kg/s）；Z^AB_VI、Z_LI^AB、Z^TKI_WLO——相关入、出口工质的组成。

另一方面，冷凝器的体积不变。因此，冷凝器中的液体体积V_W^ACT1（m³）为常数。因此，输入的质量流量应该等于输出质量流量，因此

热力学第一定律表征了能量守恒：

式中 h_W^ACT1——流体工质的平均比焓；

P_W^ACT1——压力；

h^AB_VI、h_LI^AB、h^TKI_WLO两个进水口和出水口的工质比焓；

Q^CN——冷凝器内的传热速率（W），它可以被描述为

式中 U^CN——传热系数[W/（m²℃）]；

A^CN——换热器的接触面积（m²）；

ΔT_m^CN——对数平均温差（℃）。

U_CN的传热系数可以近似为

式中（d/dt）m_CS^CN——冷水的质量流量，（kg/s）；

U^CN_S和（d/dt）m^CN_s——标准传热系数[W/（m²℃）]和标准质量流量，（kg/s）。

这些系数可以通过实验来确定^[36]。

对数平均温差可以通过下式计算：

对于给定的h_W^ACK1、P_W^ACK1和Z_W^ACK1，T_W^ACK1和T^CN_WO=T_W^ACK1可以根据式（5.44）计算出。T_CN^WI可利用h_W^ACK1、P_W^ACK1和Z_W^ACK1得到，其中h^CN_WI和Z^CN_WI