单效溴化锂吸收式制冷机组性能研究及其应用.pdf
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1、硕士学位论文单效谟化锂吸收式制冷机组性能研究及其应用Performance Study of Solar LiBr Absorption Chiller and Its Application_:大连理I.大学硕士学位论文摘 要随着世界能源危机愈加严重,太阳能溟化锂制冷系统以其节能电耗、无污染等优点 成为国内外研究的热点。然而,此系统距大规模应用还有一定距离。在机组小型化方面,对应用板式换热器的嗅化锂制冷机组的优化设计和性能研究不足,在太阳能吸收式制冷 系统中,集热器系统、制冷机组和建筑负荷的匹配的动态性能还需进步分析。因此,本文以小型太阳能演化锂吸收式制冷系统为研究对象,分析r各参数对单效溟
2、化锂制冷 机组性能的影响特性及其系统运行特性,具体研究工作如下:首先,建立了滨化锂水溶液及饱和水和水蒸气的热物性参数数学模型,利用集总参 数法,建立了单效滨化锂吸收式制冷机蛆各部件传热数学模型。第二,对单效溟化钾吸收式制冷机组进行优化设计,分析各设计参数变化对机组的 传热面积和COP的影响,得到最优的各部件传热面积和工质流量c第二,对单效浪化锂吸收式制冷机组进行性能分析。分析了热源水进口温度、冷水 出口温度、冷却水进口温度等外部条件对单效漠化锂吸收式制冷机绡性能的影响,研究 了在部分负荷下系统的运行状态,分析了热水流量、溶液循环量、冷却水量和冷冻水量 的变化对机组COP和制冷量的影响,并给出了
3、工质流量的变化引起的各换热部件的换 热能力的变化情况,计算出了机组危险工况范围。最后,对太阳能浪化锂吸收式制冷系统进行数值模拟研究,优化了系统集热器面积 和蓄热水箱体积,分析了系统在全天运行过程中各参数及机组性能随太阳能辐射强度的 动态变化特性。关键词:太阳能制冷;单效澳化锂制冷;动态性能分析;优化设计太昵能浪化锂吸收式制冷系统动态性能分析Performance Study of Solar LiBr Absorption Chiller and Its ApplicationAbstractAs the the world energy crisis more and more seriou
4、s,a solar lithium bromide(LiBr)absorption refrigeration system has become hotspot in the field of renewable energy utilization owing to its characteristics of saving energy and no pollution.However,there is a long way from large scale application.In this paper,the performance of a solar single-effec
5、t lithium bromide absorption refrigeration system is studied.The main studies,by method of numerical simulation,are as follows:Firstly,thermal physical properties mathematical models of of lithium bromide solution,saturated water and water vapor are developed.Mathematical models of the components of
6、 the solar LiBr absorption refrigeration system are established,by using lumped parameter method.Secondly,optimization design process of the single-effect LiBr-H?。absorption refrigerating unit is analyzed.The effect of design variables on units area and the COP is gained and heat transfer area of th
7、e components and working medium flow are obtained.Thirdly,the performance of a solar single-effect lithium bromide absorption refrigeration system is analyzed.The effect of the inlet temperature of hot water,outlet temperature of cold water,inlet temperature of cooling water and other external condi
8、tions on the performance of the chiller is analyzed.Running state of the system under partial load is simulated and the effect of flow rate of hot water,solution,cooling water and cold water on the refrigerating capacity and COP of the unit and heat exchange capability of the components is gained an
9、d the range of dangerous condition of the unit is calculated.Finally,The area of collector and tank is optimized and variation of dynamic performance of system on the whole day with solar radiation and the building cooling load is analyzed.Key Words:Solar Cooling System;Single-effect Lithium Bromide
10、 Absorption Refrigeration System;Dynamic Performance Analysis;Optimization Design11大连理工大学硕士学位论文目 录摘 要.IAbs tract.II1绪论.11.1 研究背景和意义.11.1.1 能源危机.11.1.2 太阳能资源.11.1.3 太阳能吸收式制冷.11.2 国内外研究概况及发展趋势.21.3 太阳能滨化锂吸收式制冷系统存在的问题.61.4 本文主要研究内容.72单效溟化锂吸收式制冷机组的数学模型.92.1 演化锂水溶液热物性参数数学模型.92.1.1 溪化锂水溶液动力粘度.92.1.2 溪化锂水溶
11、液的结晶温度方程.92.1.3 澳化锂水溶液的密度.102.1.4 溟化锂水溶液的定压比热容.102.1.5 滨化锂水溶液的比培.112.1.6 漠化锂水溶液的表面张力.112.1.7 澳化锂水溶液的热导率.122.1.8 溟化锂水溶液平衡方程.122.2 饱和水和水蒸汽的热物性数学模型.132.2.1 饱和压力方程.132.2.2 饱和温度方程.142.2.3 饱和水和水蒸汽的密度.142.2.4 饱和水和水蒸汽的比培.152.2.5 饱和水和水蒸汽的定压比热.162.2.6 饱和水和水蒸汽的比嫡.162.2.7 饱和水和水蒸汽的热导率.172.2.8 饱和水和水蒸汽的动力粘度.172.2.
12、9 饱和水汽化潜热.182.2.10 饱和水普朗特常数.18-III-太阳能漠化锂吸收式制冷系统动态性能分析2.3 单效漠化锂吸收式制冷机组传热计算数学模型.182.3.1 单效溟化锂吸收式制冷系统制冷原理及机组结构示意图.182.3.2 单效溟化锂吸收式制冷系统的数学模型.202.4 本章小结.223单效演化锌吸收式制冷机组的优化设计.233.1 单效浸化锂吸收式制冷机组结构初步设计计算.243.1.1 设计参数选定.243.1.2 主要状态点参数.253.1.3 各换热设备热负荷.263.1.4 热力系数.273.1.5 工作介质流量.273.1.6 换热设备传热面积.283.2 单效溟化
13、锂吸收式制冷机组的优化设计.293.2.1 单效溟化锂吸收式制冷机组的优化设计程序计算框图.293.2.2 单效溟化铎吸收式制冷机组优化设计分析.303.2.3 单效溟化锂吸收式制冷机组的优化设计结果.353.3 单效溟化锂吸收式制冷机组的结构设计.383.3.1 蒸发器的结构设计.383.3.2 吸收器的结构设计.393.3.3 发生器的结构设计.403.3.4 冷凝器的结构设计.413.3.5 热交换器的结构设计.423.4 本章小结.434单效溟化钾吸收式制冷机组的性能分析.444.1 单效溟化锂吸收式制冷机组各部件及系统的热力计算流程.444.1.1 蒸发器的热力计算流程.444.1.
14、2 吸收器的热力计算流程.444.1.3 发生器的热力计算流程.454.1.4 冷凝器的热力计算流程.464.1.5 热交换器的热力计算流程.464.1.6 单效溟化锂吸收式制冷机组的性能分析程序计算框图.47IV-大连理1大学硕士学位论文4.2 单效浸化锂吸收式制冷机组的性能分析.484.2.1 冷却水进口温度对系统性能的影响.484.2.2 热源水进口温度对系统性能的影响.504.2.3 冷冻水出口温度对系统性能的影响.514.2.4 热源水流量对系统性能的影响.534.2.5 溶液循环量对系统性能的影响.554.2.6 冷却水量对系统性能的影响.564.2.7 冷冻水量对系统性能的影响.
15、584.2.8 危险工况分析.594.3 本章小结.605太阳能单效溟化锂吸收式制冷系统的动态性能研究.625.1 太阳能集热器和蓄热水箱模型的建立.625.1.1 平板型集热器数学模型.625.1.2 蓄热水箱数学模型.645.1.3 辅助热源数学模型.645.1.4 环境参数模型.655.2 太阳能吸收式制冷系统动态性能分析.665.2.1 建筑负荷.665.2.2 太阳能集热系统性能分析.665.2.3 蓄热水箱和太阳能集热器的优化设计.695.2.4 太阳能吸收式制冷系统动态性能分析.705.3 本章小结.72结 论.74参考文献.75附录A符号表.79攻读硕土学位期间发表学术论文情况
16、.81致 谢.82大连理工大学学位论文版权使用授权书.83大连理I:大学硕士学位论文1绪论1.1 研究背景和意义1.1.1 能源危机随着世界经济快速发展,对能源需求也不断增长,而不可再生能源的储备量却越来 越小。据2012年6月发布的BP世界能源统计年鉴2012数据表明,2011年全球一 次能源消费总量为122.7亿吨油当量,而2001年为94.3亿吨油当量,10年间增长了 30%。全球能源消耗量越来越大,而我国的形势更加严峻。2011年我国一次能源消费量占全球 一次能源消费的21.3%,为26.13亿吨油当量,比2001年提高10个百分点,位居世界 第小叫在我国的能源结构中,煤炭资源相对丰富
17、,煤炭消费量占世界煤炭消费量的 48.2%,位居世界第户1。一次能源的大量利用,导致了严重环境污染和温室气体排放,严重制约了可持续发展2011年,在世界一次能源消费结构中,可再生能源仅占 1.6%,比例微乎其微。随着人们对建筑热环境要求的提高和我国城市化进程的加快,建筑能耗的总量和比重也不断增大。加强可再生能源在供热制冷中的应用,将是减缓环 境恶化、应对能源挑战、缓解能源压力的有力举措。、1.1.2 太阳能资源太阳能作为一种可再生能源,与常规能源相比,具有清洁、资源丰富等独特的优势。但因其间断性、低效性和成本高等缺点,在利用方面也受到了一定程度上的不利影响。我国太阳能资源丰富,全国三分之二的国
18、土面积年R照小时数在2200小时以上。我国大部分地区属于热利用较丰富区和中等区,只有极少数地区的太阳能资源较贫乏叫 太阳能资源分布很广泛,具有广阔的应用前景。在2007年国家发改委研究制定的可 再生能源中K期发展规划就提出了我国可再生能源发展的指导思想,其中重点发展领 域就包括了太阳能发电和太阳能的热利用。1.13 太阳能吸收式制冷20世纪70年代以来,太阳能科技突飞猛进。太阳能的利用现阶段主要有光热发电、供暖、供热水和太阳能制冷等。在我国丰富的太阳能资源的条件下,有理由大力支持研 究太阳能制冷:首先,太阳能制冷系统对季节的匹配性好,当冷负荷大的时候,太阳辐 射强度也大,制冷量也最大,能够充分
19、的利用太阳能;其次,应用太阳能制冷系统消耗 一小部分的电能,可以减缓夏季空调带来的电耗压力,应对我国H益增长的能源需求;第三,不产生污染环境的有害污染物;第四,太阳能制冷可以匹配对于太阳房或利用太 1太阳能漠化锂吸收式制冷系统动态性能分析阳能供暖在更季过热的情况,提高了太阳能系统的利用率。因此,伴随绿色建筑的兴起,太阳能制冷将是建筑能源结构中重要的组成部分,具有很大的发展前景。太阳能吸收式制冷已应用于实践,相比于太阳能吸附式制冷67】和太阳能喷射式制冷【7周有明显优势,实用性比较强,是太阳能制冷应用的主要路线,也是国内外研究太阳能 制冷的热点。但太阳能吸收式制冷系统受经济性差及系统不稳定性等影
20、响,导致无法得 到广泛的利用。世界能源危机的加剧和环境污染严重是研究开发利用可再生能源技术的基本动力,我国丰富的太阳能资源又提供了研究利用太阳能的基础,研究太阳能吸收式制冷技术不 仅可以减低夏季电耗、节能减排,而且可以有效的利用我国丰富的太阳能资源,促进太 阳能建筑的发展,具有广阔的应用价值和较大的经济效益。因此,对太阳能制冷技术的 不足之处展开进一步的研究,增强太阳能制冷的实用性是非常有必要的。1.2国 内外研究概况及发展趋势目前,国内外在太阳能湿化锂吸收式制冷的实用化方面,都展开了大规模的研究。研究者利用实验、模拟或者两者结合的方法,对溟化锂制冷机组做了性能特性分析或者 对太阳能制冷系统进
21、行优化设计,研究女用件更高且能够合理利用太阳能的制冷机组。我国通过建立太阳能吸收式制冷系统的示范工程,促进太阳能溟化锂制冷的发展。第一,我国太阳能空调系统示范工程的建立,对我国太阳能制冷研究起到了推动作 用。在上个世纪八十年代中后期,我国建立了太阳能空调热水系统示范工程,坚持对太 阳能制冷系统的研究。1987年,中国科学院广州能源研究所与香港理工大学合作在深圳 建成了一套科研与实用相结合的示范性太阳能空调与热水综合系统,制冷能力14kW,空调面积为80m2,采用两台R本矢崎公司生产的2冷吨单级嗅化锂吸收式制冷机。1999 年太阳能学报刊登介绍了由中国科学院广州能源研究所研制的太阳能制冷空调系统
22、(李 傲洪、马伟斌等【)。该系统采用了面积为50()11?高效平板集热器和制冷量为100kW 的两级吸收式冷机,是在太阳能热水系统的基础上,配置冷机,实现太阳能的制冷和供 热水。当天气不好或水温不足时,燃气热水炉作为辅助热源加热,保证系统全天稳定运 行。制冷机组采用两级吸收式漠化锂制冷机,所需驱动热源温度低,65-70*C该太阳 能制冷供热水系统于1998年6月投入运行,运行结果表明太阳能集热器的系统效率较 高,在二三月份太阳辐射很弱的阴天,可以满足生活热水的需求,四月份供冷之后,太 阳辐射特别弱的情况下才需要使用辅助热源再加热。热源水温在60-65C也可以很稳定 地制冷运行,COP初测大于0
23、4。-2大连理I:大学硕士学位论文第二,很多研究人员在演化锂吸收式制冷机组的小型化进行了研究与开发,对机组 结构优化设计。廉永旺等人口”就研制出了一种新型的太阳能溟化锂制冷机组结构,该系 统采用的集热器是真空管内套U形管型,面积为6411)2,是lOkW的单级单泵制冷系统。该制冷机组采用单泵单级循环、浓溶液直接喷淋循环方式、无冷剂循环水泵,发生器和 蒸发器采用盘管机构,无管板胀管制造工艺,从而使得结构简单、紧凑,加工方便,造 价降低。实测该系统的平均COP达到0.67,工作性能稳定。在热水温度达到65C开始 制冷,可制得最低6c的冷水。李新梅设计的机组吸收器采用传热传质分离结构,可 以提高传热
24、效率、节约传热器面积,并对机组的其他换热器也进行了优化设计,溶液热 交换器、发生器和吸收器采用板式换热器,冷凝器和蒸发器采用管壳式换热器,体积适 中,制冷效果良好而韩东等人网对吸收器、蒸发器、发生器均采用传热传质分离设计,通过高效板式换热器的预先冷却或加热的方法,达到制冷机小型化的目的。第三,为充分利用太阳能低温热源,许多学者也对吸收式制冷系统的循环形式进行 了改进。太阳能热源温度较低会影响溟化锂吸收制冷循环的效率,冯毅等人提出了改 进型太阳能澳化锂增压抽气吸收制冷循环,新循环不仅克服了传统循环的缺点,降低了 驱动热源温度,而且制冷循环相对稳定即使热源温度有波动时,新循环与传统循环的制 冷系数
25、也基本相当。吴嘉峰等人【对增压辅助型机组循环流程提出在冷凝器前加装隔离 阀的改进方案,使系统能够无光照条件下使用低温余热,并可有效回收压缩功。循环改 进后,溶液质量分数差在0.04-0.06之间时COP有最大值。热源温度定时,发生压力 有最住值。随着热源温度降低,发生压力减小,压缩机压力比和功耗变大,但压缩功仍 比太阳辐射的有用功小。第四,对太阳能双效澳化锂吸收式制冷系统的性能方面的研究。韩崇巍I网研究了太 阳能供能的双效澳化锂吸收式制冷系统,集热器采用抛物面槽聚焦型,建立了冷机的理 论传热模型,研究了不同运转条件下的制冷性能,分析了易产4:的系统故障。对系统在 不同温度和热源水流量的条件下进
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