太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统优化与运行特性研究

摘要

将太阳能作为吸收式制冷系统驱动热的主要来源,具有绿色清洁、对环境友好等特点.太阳能驱动吸收式制冷系统可用以缓解夏季用电紧张,在与建筑进行一体化结合中展现出较高的应用价值.考虑到传统溴化锂吸收式制冷系统在太阳能利用上存在利用率不高和白天驱动制冷时间短等问题,本文在前期构建的双工质对吸收式制冷循环基础上,建立太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统(联合系统).在联合系统?分析的基础上提出优化目标、给出寻优结果;结合实验研究,通过耦合传热传质评估方法分析LiCl溶液在降膜吸收过程中显示出的高吸收速率的原理;对联合系统建立仿真模型,对全天运行特性进行模拟分析,同时提出相应运行调节方法. 首先,基于热力学第二定律对循环各部件的?损失及其占比进行计算分析,?损失较大的部件依次为低压级吸收器、高压级发生器以及低压溶液热交换器,三者共计占总?损失71.93%.在此基础上,利用?损失分解理论进一步指出了?损失的来源.低压溶液热交换器可避免?损失的比例超过80%,最具备进一步优化的潜力.以循环COP及循环?效率同时达到最大值作为寻优标准,对循环在不同蒸发温度下的最优热源进口温度进行寻优,最后给出该循环最优热源进口温度与蒸发温度拟合关联式.以联合系统所需集热器面积最小、联合系统?效率达到最大进行寻优,给出了联合系统最佳集热器面积与蒸发温度的拟合关联式.以期为联合系统初投资、系统优化运行等方面提供依据. 降膜式吸收器作为双工质对吸收式制冷循环的实现形式,考虑到传统对数平均温差/势差评估方法对降膜吸收过程中传热传质系数的求解缺乏理论依据,因此,引入降膜吸收耦合传热传质评估方法.应用该评估方法分析了溶液物性对降膜吸收速率的影响,指出具有较高密度值及较低溶液焓值对温度偏导值的吸收工质有利于提高实际降膜吸收器的吸收效率.揭示了对比实验中,LiCl溶液降膜吸收速率高于LiBr溶液的原因在于LiCl溶液较低的运行浓度以及较高的降膜传质系数.混合溶液因配比灵活、成本可调,具有一定的应用优势.本文给出了LiCl与CaCl2以质量比为1∶1的混合工质作为纯LiCl工质的替代方案,实验研究了该混合工质在降膜吸收过程中的性能表现. 进一步地,利用耦合传热传质评估方法建立降膜式吸收器与发生器的仿真模型.通过由小到大的层级构建逻辑,形成双工质对吸收式制冷系统仿真计算模型.最后引入平板型太阳能集热器与非承压水箱的仿真模型,形成太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统仿真模型.为探究太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统在全天实际运行中的表现,本文结合实际运行情况,对联合系统全天运行逻辑与控制条件进行了合理设定.确立了联合系统结构型式与模拟运行所需全部结构参数.分别以南京地区过渡季和用冷季某典型天气条件作为联合系统输入气候参数,对联合系统运行特性进行了分析研究. 考虑到联合系统在太阳辐射较强时面临较高的溶液结晶风险,本文在联合系统运行特性分析的基础上,构建两种运行调节方式,并对两种调节方式下系统运行进行了相应的仿真模拟.以期为联合系统运行调节提供必要的依据和优化参考.

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主要符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 我国能源问题及现状

1.1.2 太阳能制冷系统优势及局限性

1.1.3 太阳能驱动吸收式制冷系统

1.2 国内外研究现状

1.2.1 太阳能驱动吸收式制冷系统仿真建模

1.2.2 太阳能驱动吸收式制冷系统优化研究

1.2.3 太阳能驱动吸收式制冷系统经济性分析

1.2.4 吸收式制冷循环新型工质对研究

1.3 本文主要研究内容

第二章 太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统分析与优化

2.1 系统介绍

2.2 基于双工质对吸收式制冷循环的?分析

2.2.1 低压级吸收器

2.2.2 低压级发生器

2.2.3 高压级吸收器

2.2.4 高压级发生器

2.2.5 冷凝器

2.2.6 蒸发器

2.2.7 溶液热交换器

2.2.8 模型验证与?分析

2.2.9 ?损失的外源性、内源性、可避免性、不可避免性分析

2.3 太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统分析与优化

2.3.1 太阳能集热器分析模型

2.3.2 蓄热水箱分析模型

2.3.3 联合系统评价指标

2.3.4 双工质对吸收式制冷系统分析与优化

2.3.5 太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统分析与优化

2.4 本章小结

第三章 垂直管外降膜吸收实验研究与耦合传热传质模型验证

3.1 实验系统介绍

3.2 降膜吸收耦合传热传质评估方法

3.2.1 传统降膜吸收传热传质评估方法

3.2.2 基于降膜吸收耦合传热传质评估方法

3.2.3 基于耦合传热传质评估方法的实验数据分析与处理

3.3 溶液热物理性质对降膜吸收速率的影响

3.3.1 溶液物性对理想降膜器吸收速率的影响

3.3.2 溶液物性对实际降膜器吸收效率的影响

3.3.3 LiCl溶液降膜吸收速率提升原理分析

3.4 混合溶液降膜吸收替代实验研究

3.4.1 混合溶液降膜吸收的替代方案

3.4.2 混合溶液与LiCl溶液降膜吸收速率对比

3.5 本章小结

第四章 太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统仿真模型

4.1 太阳能集热蓄热模块仿真计算模型

4.1.1 太阳辐射计算模型

4.1.2 太阳能平板集热器仿真模型

4.1.3 蓄热水箱仿真模型

4.2 双工质对吸收式制冷系统仿真计算模型

4.2.1 高压级降膜吸收器仿真模型

4.2.2 双工质对吸收式制冷系统高压级循环仿真模型

4.2.3 双工质对吸收式制冷系统仿真模型

4.3 评价指标

4.3.1 太阳能保证率

4.3.2 性能系数

4.4 本章小结

第五章 太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统运行特性研究

5.1 太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统运行逻辑与结构参数

5.1.1 辅助热源加热运行控制策略

5.1.2 太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统全天运行逻辑

5.1.3 太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统结构参数

5.2 南京地区过渡季联合系统逐时运行特性

5.2.1 南京地区过渡季天气条件概述

5.2.2 某典型天气条件下联合系统逐时运行特性

5.3 南京地区用冷季联合系统逐时运行特性

5.3.1 用冷季某典型天气条件下联合系统逐时运行特性

5.3.2 用冷季联合系统运行调节方式一

5.3.3 用冷季联合系统运行调节方式二

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间学术成果