氨水降膜吸收传热传质机理及其在两级风冷吸收制冷中的应用研究

摘要

采用热驱动的太阳能空调系统具有削峰填谷、节能环保等巨大优势，是太阳能应用领域的热点研究方向。作为系统的主要两个组成部分:太阳能集热器以及热驱动制冷机，希望能够利用更低品位的热源获得更好的系统性能。传统的太阳能吸收/吸附式空调热源温度需求通常较高，并且难以实现风冷冷却，造成系统初投资大，设备复杂，电力COP低。为了实现太阳能空调家用化、小型化的推广，本文提出氨水两级风冷吸收式制冷，能够实现风冷冷却与低品位热能驱动的结合，于恶劣工况实现空调制冷，初投资和维护保养费用均显著降低。另外，作为吸收式制冷设计难点的吸收器，不仅氨水工质对吸收实验研究很少，而且吸收实验数据评估方法也缺乏统一性。需要从吸收机理出发，分析传递过程的主要阻力，建立一套科学的、可靠的评估方法，能够准确地应用于风冷吸收器的热设计，从而构建完整的氨水两级风冷吸收式制冷系统。基于以上研究思路，本文主要研究内容包括:
　　(1)建立氨水两级风冷吸收式制冷热力学模型。热力学第一定律研究表明，热水入口温度85℃，冷却空气温度35℃，蒸发温度10℃，系统热力COP大于0.3，电力COP可达10以上，系统变工况性能稳定。冷凝器应放置于吸收器的前端，系统无需精馏设备，并且可充分利用低品位热源，工况合适时可切换为单级系统进一步提高系统COP。热力学第二定律研究表明，低压吸收器、中压吸收器火用损失最大，进一步利用火用分离理论将火用损失分解为外源性、内源性、可避免以及不可避免四部分，确定吸收器具有最大的可避免火用损失，应为系统重点研究部件。火用分离理论同时显示了溶液热交换器的重要性，而制冷剂过冷却器将从实际系统中去除。
　　(2)建立氨水垂直管内降膜吸收实验台测试变工况下吸收传热传质性能。传统的对数平均温差-浓度差法在传热传质同时进行的情况下缺乏理论基础，并且在处理溶液过冷度时遇到困难。对耦合传热传质过程做出合理假设，从守恒、传递方程出发，建立耦合传热传质微分方程组，利用特征值和特征向量求解，并且给出了简化求解方式。与传统方法对比处理吸收实验数据，考察新方法的正确性。降膜吸收传热传质速率、努赛尔数、舍伍德数随着雷诺数的增大而增大，降低冷却温度，增加吸收压力均对吸收过程有促进作用。新方法的拟合结果具有更好的一致性和更小的误差，尤其是在传热过程的处理上，能够正确处理稀溶液入口过冷度带来的影响，所有数据均可拟合为统一的努赛尔数、舍伍德数方程式，为风冷吸收器热设计提供了良好的实验基础。利用同样的实验台进行绝热吸收实验，基于传质微分方程推导舍伍德数计算方法，传质速率以及舍伍德数随着雷诺数的增大而增大。增加吸收压力，稀溶液入口过冷度均能强化传质效果。具有过冷度的耦合传热传质过程传质速率及舍伍德数大于单独的过冷绝热吸收或者耦合传热传质吸收。拟合绝热吸收传质舍伍德数方程，可应用于传热传质分离的吸收器热设计。
　　(3)利用垂直降膜吸收实验所得的传热传质经验方程，基于双膜理论，同时考虑气相、液相的传热传质，在质量、组分、能量平衡的基础上建立两级风冷吸收器数学模型，进行吸收器热设计以及传递过程阻力分析。为指定制冷量系统确定合理的吸收器参数及优化排列布置，研究沿吸收管长的温度、浓度分布。吸收过程主要由液膜与管壁之间的传热，气液界面至液相主体的传质以及管外翅片对流换热过程共同控制，水蒸气的作用以及气相传热传质可忽略，验证耦合传热传质评估方法推导所用假设的合理性。在低压吸收的开始阶段，会出现液相中的水解析至气相中的现象，而在之后的大部分吸收阶段，氨蒸汽与水蒸气均从气相被吸收至液相。考察不同热源温度、冷却空气温度以及蒸发温度对吸收性能及系统制冷量的影响，完成了两级风冷吸收器的热设计。
　　(4)构建整机实验装置，通过实验研究氨水两级风冷吸收制冷。对发生器、蒸发器、溶液热交换器进行热设计，选择合适的溶液泵，设计合理的布液装置配合降膜吸收器使用。根据部件浓度需求充注指定浓度的氨水溶液，制定正确的开机顺序。氨水两级风冷吸收式制冷系统可依据天气情况在单级、两级循环中切换运行，系统无需冷却塔和精馏设备，70-85℃低温热水即可驱动，热力COP为0.2（两级）至0.45（单级），电力COP为5（两级）至12（单级），其中两级循环可以工作于单级系统无法适应的极端工况。通过实验与理论对比，循环方式之间对比，考察变工况下系统运行性能，并对实验结果进行统一评估。氨水两级风冷吸收实验装置设计成功，验证了循环理论以及吸收机理分析的正确性。小型旋转机械效率较低，制约电力COP进一步提高，是今后系统需要改进的重点。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 氨水吸收制冷系统研究进展

1．2．1 氨水吸收式制冷循环研究

1．2．2 氨水吸收制冷机组研制

1．3 氨水吸收性能研究进展

1．3．1 氨水吸收性能实验研究

1．3．2 氨水吸收器模拟研究与设计

1．4 当前研究需要解决的问题

1．5 本文的主要研究内容

第二章 氨水两级风冷吸收循环热力学分析

2．1 氨水两级风冷吸收式制冷的提出

2．2 氨水两级吸收式制冷循环原理

2．3 氨水两级风冷吸收循环系统热力学第一定律分析

2．3．1 系统热力学第一定律模型的建立

2．3．2 系统热力学第一定律评价指标

2．3．3 风冷实现形式以及标准工况计算结果

2．3．4 变工况下系统性能研究

2．4 氨水两级风冷吸收循环系统热力学第二定律分析

2．4．1 系统热力学第二定律模型的建立

2．4．2 各部件火用损失结算结果

2．4．3 火用损失的外源性、内源性、可避免、不可避免的分离与分析

2．4．4 氨水两级风冷吸收循环变工况火用效率

2．5 氨水两级风冷吸收循环特性研究

2．5．1 精馏过程研究

2．5．2 低品位热源热利用

2．5．3 低压循环吸收热回收研究

2．6 本章小结

第三章 氨水管内垂直降膜吸收实验与吸收机理研究

3．1 氨水管内垂直降膜吸收实验台构建

3．2 变工况氨水管内垂直降膜吸收传热传质测试与分析

3．3 耦合传热传质评估方法数学模型

3．3．1 传统对数平均温差-对数浓度差评估方法的缺陷

3．3．2 耦合传热传质数学模型必要假设及简化过程

3．3．3 耦合传热传质评估方法推导与求解

3．4 基于耦合传热传质评估方法实验数据分析处理

3．5 氨水管内垂直降膜绝热吸收评估方法与实验分析

3．6 本章小结

第四章 风冷降膜吸收器分布参数热设计及传递过程阻力分析

4．1 氨水两级风吹吸收器物理模型

4．2 氨水两级风冷吸收器数学模型

4．2．1 气相-液相的传质过程

4．2．2 气相-液相的传热过程

4．2．3 液膜-翅片管的传热过程

4．2．4 质量、组分、能量平衡方程式

4．2．5 圆环翅片的相关计算

4．2．6 各环节传热传质方程

4．2．7 模型求解方法

4．3 氨水两级风冷吸收器模拟结果与分析

4．3．1 风冷却器优化热设计

4．3．2 吸收过程中沿管长温度、浓度分布以及传递过程阻力分析

4．3．3 变工况下风冷吸收嚣吸收性能

4．4 本章小结

第五章 氨水两级风冷吸收式制冷实验研究

5．1 氨水两级风冷吸收式制冷实验台总体构建

5．1．1 氨水两级风冷吸收式制冷总体设计方案

5．1．2 测试系统与溶液充注

5．2 氨水单级风冷吸收式制冷实验结果

5．2．1 氨水单级风冷吸收式制冷开机过程

5．2．2 氨水单级风冷吸收制冷典型工况

5．2．3 氨水单级风冷吸收制冷变工况实验结果

5．2．4 单级风冷氨水吸收式循环实验经验与总结

5．3 氨水两级风冷吸收式制冷实验结果

5．3．1 氨水两级风冷吸收式制冷开机过程

5．3．2 氨水两级风冷吸收制冷典型工况

5．3．3 氨水两级风冷吸收制冷变工况实验结果

5．3．4 两级风冷氨水吸收式循环实验经验与总结

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究内容总结

6．2 创新点以及典型研究成果

6．3 今后的研究和展望

参考文献

附录一 符号与标记

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢