太阳能冷管空调及热水复合系统的实验研究与性能分析

摘要

本文以太阳能制冷为应用背景，建立太阳能冷管空调及热水复合系统实验装置。该太阳能冷管系统实验装置与房间屋顶结合，以太阳能为驱动热源，向屋内提供冷量(夏季)和提供生活热水(全年)。系统中的太阳能冷管由太阳能集热器/吸附床、冷凝、蒸发、冷却等几个部分组成，采用固体吸附原理和无污染吸附工质对：沸石分子筛-水，受太阳能驱动在一根管内完成制冷与制热循环，且在管内冷、热分流向外输出。本文主要对太阳能冷管空调及热水复合系统的理论和实验进行深入研究，主要研究内容和结果包括： (1)太阳能冷管热力循环特性分析和实验研究，在原太阳能冷管结构基础上，参与改进太阳能冷管制作工艺和床体结构，在不同太阳辐射强度下，测试改进后太阳能冷管的制冷和制热性能。实验研究表明：在太阳辐射变化范围：13.43～24.3MJ/m2时，制冷系数COP变化范围：0.16～0.24之间变化； (2)设计并建成太阳能冷管空调及热水复合系统实验装置，该系统由128根太阳能冷管组成，还包括热水联箱、蒸发器冷联箱、风管和风机等部件。对实验系统进行多次实验，研究系统的制热、制冷性能及各种运行参数(冷凝温度、蒸发温度、解吸温度、吸附温度等)在冬季、春季和夏季的性能变化。该实验系统在冬季和春季主要用来提供生活热水，在太阳辐射变化范围为：11～22MJ/m2时，制热效率在30.8％～50％之间；在夏季典型工况下，太阳辐射为22.3MJ/m2时，吸附床温度可达230℃，该实验系统最大输出制冷功率2.2kW，蒸发器最低温度可达6℃，制冷量可达30.2MJ，系统制冷系数约为0.177，制热效率可达39.5％。现场运行表明，该空调系统的制冷效果与当地太阳辐射密切相关，太阳辐射量越大，则系统制冷量也越大。该实验系统的主要不足在于系统制冷量只能在晚间产生，并且由太阳辐射量决定，在天气状况不好时系统制冷量小，只能提供部分时间的制冷量； (3)在对沸石分子筛-水吸附工质对吸附和传热传质性能分析基础上，结合该实验系统结构特点，建立太阳能冷管空调及热水复合系统的动态传热传质数学模型。该模型由太阳能冷管吸附床/集热器、冷凝器、蒸发器、冷凝水箱、蒸发器冷联箱、冷却水箱和反射板等七大模块组成，用能量平衡、质量平衡和其他约束条件将七大部件联系起来并进行求解，从理论上研究在一定太阳辐射条件下，太阳能冷管吸附床内动态温度分布以及太阳能冷管系统在制热、放冷过程中主要影响因素。根据实验系统运行特点，对实验系统的运行过程进行模拟计算，将模型仿真计算结果和实验数据进行对比验证，计算结果与实验结果符合得较好； (4)应用太阳能冷管空调及热水复合系统数学模型，对太阳能冷管实验系统的运行过程进行优化分析。从太阳能冷管吸附床的内部特性参数及系统外部特性参数出发，较为全面而系统地分析了这些参数的改变对系统性能(COP)影响。得出一些规律性的结论，提出了改进系统运行的一些措施，为以后系统的实用化设计提供了基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

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第一章 绪论

1.1概述

1.2固体吸附式制冷技术

1.3建筑物屋顶的节能技术

1.4太阳能冷管的提出

1.5本文的主要工作

第二章 太阳能冷管原理与性能研究

2.1引言

2.2太阳能冷管技术方案

2.3第三代太阳能冷管结构原理

2.4太阳能冷管的加工制作

2.5太阳能冷管的实验研究

2.6本章小结

第三章 太阳能冷管空调及热水复合系统实验装置

3.1引言

3.2太阳能冷管空调及热水复合系统实验装置技术方案

3.3太阳能冷管空调及热水实验系统的构成

3.4系统实验过程

3.5本章小结

第四章太阳能冷管空调及热水复合系统实验研究

4.1引言

4.2实验系统组合热水联箱热损实验

4.3太阳能冷管系统冬季制热水和蒸发器防冻实验研究

4.4太阳能冷管系统春季制热水实验研究

4.5太阳能冷管系统夏季制冷和供热水实验研究

4.6本章小结

第五章太阳能冷管空调及热水复合系统理论计算模型

5.1引言

5.2太阳能冷管系统数学模型的方程建立

5.3太阳能冷管系统数学模型的初始条件和边界条件

5.4模型方程组的差分求解

5.5太阳能冷管系统模犁中太阳辐射、反射和管壁间热辐射的处理

5.6太阳能冷管系统性能指标计算公式

5.7本章小结

第六章太阳能冷管空调及热水复合系统性能计算和优化分析

6.1引言

6.2太阳能冷管空调系统性能计算参数选取

6.3太阳能冷管集热器\吸附床数学模型的计算及分析

6.4太阳能冷管系统性能优化

6.5本章小结

第七章总结与展望

7.1总结

7.2展望

7.3创新性

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文