吸收式动力循环HFCs+有机溶剂类工质体系的热物性研究

摘要

吸收式动力循环(APC)以低品位热驱动，是一项重要的节能技术。它利用一个吸收和分离过程代替了传统Rakine循环中的冷凝过程，其热力学完善度要高于Rakine循环。循环工质对的热物性对APC循环单元结构的设计和操作条件的建立起着至关重要的作用。目前，人们对APC循环的研究仅仅局限于循环构型以及外部条件的优化，而对循环工质对的热物性研究很少。本文针对APC循环工质对的热物性展开了以下几个方面的研究:
　　第一，本文基于前人对APC循环工质体系的评选方法，从二元混合体系的亲和性入手，关联了Flory-Huggins似晶格理论与Wilson局部组成概念，进一步阐明了最小超额Gibbs值(GEmin)作为评价二元体系亲和性判据的理论实质。同时，选择10种HFCs与9种有机溶剂，共组成90对工质对为研究对象，采用UNIQUAC活度系数模型为物性方法，计算了工质体系的GEmin。从而根据亲和性判据，选择亲和性较好的HFC161/HFC152a+DMETEG体系作为APC循环具有潜力的工质对。最后，从有机溶剂和HFCs分子物质种类以及分子间相互作用角度分析了其亲和性机理。
　　第二，本文在APC循环工质对亲和性判据的理论研究基础上，提出HFC161+DMETEG/DMETrEG/DMEDEG三个体系作为APC循环工质对，并从热力学和热动力学两个视角评价了三个新体系。将微热量热法与等温合成法结合，建立了一套微量量热-气液相平衡同步测试实验系统，同步测定了三种新工质对体系在303.15K下的溶解度和吸收焓。热力学数据表明三个体系间的亲和性由强到弱依次为HFC161+DMETEG＞HFC161+DMETrEG＞HFC161+DMEDEG。基于三个体系303.15K、313.15K、323.15K和333.15K下的热动力学实验，考察了三个体系吸收过程的吸收速率常数、活化能等热动力学参数，进一步分析了三个体系的亲和性，得到了与溶解度和吸收焓分析一致的结论。最后，从分子间氢键角度分析了三个体系分子间作用，认为HFC161+DMETEG体系是更具开发潜质的选项。
　　第三，综合前人对APC循环工质体系相平衡数据(VLE)的研究工作，本文测定了HFC161+DMETrEG、HFC152a+DMETrEG和HFC152a+NMP体系293.15K到353.15K的VLE数据。同时选择五参数的NRTL模型关联了实验数据，其中HFC161+DMETrEG、HFC152a+DMETrEG和HFC152a+NMP三个体系压力实验值和计算值平均偏差分别为1.33％、1.43％和1.23％，最大偏差分别为3.70％、3.66％和3.29％。通过与文献报道的七个体系活度系数比较，以及体系组分分子间的氢键作用分析讨论了HFC161/HFC152a+醚类、酰胺类和酮类有机溶剂组成的工质体系的VLE行为规律。HFC161+吸收剂类体系对Raoult定律呈负偏差，较HFC152a+吸收剂类体系表现出相对好的亲和性。HFC161+DMETrEG和HFC152a+DMETrEG体系的亲和性优于HFC152a+NMP体系，可考虑作为APC循环工质对的潜力选项。
　　最后，本文提出了以CO2+DME二元体系作为APC循环的潜力工质对。引入“化学热机”理论模型，用子循环划分的方法将整个循环分为化学热机子循环和热机子循环。同时对比分析了CO2+DME体系跨临界操作条件优于亚临界和超临界条件的本质原因。本文借助流程模拟软件Aspen Plus建立了一套典型的CO2+DME跨临界APC循环模拟程序。基于文献报道的VLE数据，选择PR方程作为物性计算模型，分别计算了循环物流的组成、流率、焓值和熵值。根据循环系统的T-s图、1g p-h图、能流图和分(火用)流图，分析了两个子循环之间的耦合关系和能量转换与梯级利用机理。最后，采用参数分析法，探索了不同吸收温度（25、30、35和40）℃下，化学热机子循环高压端压力对整个循环热转功效率的影响。结果表明，降低化学热机子循环运行压力有助于提高循环热转功效率和对能量的二次利用率。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 吸收式动力循环工质体系的评选

1．2．1 HFCs与有机溶剂的研究现状

1．2．2 工质体系评选方法研究现状

1．3 吸收式动力循环工质体系热物性研究现状

1．3．1 工质体系气液相平衡

1．3．2 工质体系吸收热

1．4 新型工质体系的探索

1．5 研究内容

第二章 HFCs+有机溶剂体系亲和性研究

2．1 工质体系亲和性判据GEmin的阐述

2．2 研究对象的确定

2．2．1 HFCs与有机溶剂热物性

2．2．2 工质对的筛选

2．3 工质体系GEmin的计算

2．3．1 GEmin计算值与实验值的对比验证

2．3．2 90对工质体系GEmin的计算

2．4 分析与讨论

2．5 小结

第三章 HFC161+DMETEG／DMETrEG／DMEDEG体系气液相平衡与吸收焓同步测定及热动力学研究

3．1 实验系统介绍

3．1．1 实验药品

3．1．2 实验装置

3．1．3 实验步骤

3．1．4 溶解度和吸收焓的计算

3．1．5 实验装置可靠性验证

3．2 气液相平衡与吸收热同步测定热力学分析

3．3 热动力学研究

3．3．1 建立热动力学吸收机理模型

3．3．2 热动力学参数计算与分析

3．4 小结

第四章 HFC161／HFC152a+DMETrEG，HFC152a+NMP体系气液相平衡

4．1 实验系统介绍

4．1．1 实验药品

4．1．2 实验装置及步骤

4．1．3 实验装置可靠性验证

4．2 实验数据拟合

4．2．1 拟合方法

4．2．2 数据拟合

4．3 结果分析与讨论

4．4 小结

第五章 拓展研究：CO2+DME跨临界吸收式动力循环热转换机理研究

5．1 体系的选择

5．2 吸收式动力循环流程描述

5．3 吸收式动力循环模拟流程的构建

5．3．1 循环操作条件的确定

5．3．2 循环模拟流程的构建

5．4 循环热转换机理分析与讨论

5．4．1 物流模拟数据计算与分析

5．4．2 循环热转功效率分析

5．5 化学热机子循环对循环热转功效率影响规律分析

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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