小型高效太阳能吸收式制冷系统涡旋发生器特性研究

【摘要】： 吸收式制冷技术作为一种以热能为驱动力、对臭氧层无破坏作用的制冷方式,近年来越来越受到工业界及相关科研工作者的重视。太阳能吸收式制冷因为可有效地利用低品位热源和可再生能源,成为了近年来吸收式制冷技术研究的重点。但由于受热源温度的限制,太阳能吸收式制冷系统的制冷系数不能得到有效提高,从而得到广泛应用。为了提高太阳能吸收式制冷系统的性能,本文从溴化锂溶液的特性着手,根据旋流理论在国内首次提出了利用流体的旋转运动,降低吸收式制冷系统发生器内溴化锂溶液的蒸发压力,从而降低溶液的蒸发温度,在不增加外界热源的情况下,增加用于制冷循环的冷凝蒸气量,提高吸收式制冷系统制冷效率的方法。根据旋流理论提出了一种新型的用于吸收式制冷循环的双室涡旋发生器。 吸收式制冷循环是利用相变过程伴随的吸、放热来获取低温,以消耗热能为动力的制冷方式。吸收式制冷循环中工质的化学和热物理性质对系统性能起着关键性作用。为了更好地研究溴化锂吸收式制冷系统,提高系统的性能,建立了溴化锂溶液和水蒸气随压力、温度和浓度的热物性参数方程。同时分析了采用本文所提出的双室涡旋发生器的小型太阳能吸收式制冷系统的热质平衡特性。 为了得到最优的双室涡旋发生器结构,提高太阳能吸收式制冷系统的效率,建立了一种具有切向入口的涡旋发生器结构,使流体通过切向入口进入到发生器内产生旋转运动。采用流体动力学软件FLUENT模拟了不同结构的涡旋发生器内流体的流动及传热特性。模拟结果表明:流体通过切向入口进入到涡旋发生器后,产生了强烈的旋转运动,形成了以中部为核心的Rankin组合涡。在发生器内,流体的压力呈抛物线分布规侓，在中心处，压力最小魈逶诜⑸髂诘难沽Γ?着流体入口速度的增大而减小;随着入口喷嘴尺寸减小,发生器内的压力减小,从而有效地降低了发生器内溴化锂溶液的蒸发温度,形成有利于溴化锂溶液蒸发的环境。通过数值模拟可知:利用流体的旋转运动,可有效地降低涡旋发生器内的蒸发压力,从而降低进入到发生器中溴化锂溶液的蒸发温度,提高热源的可利用温差。在不改变外界热源质量与数量的前提下,达到增加用于制冷循环的冷凝蒸气量,提高系统制冷系数的目的。 根据数值模拟计算结果设计了一种由圆锥体和圆柱体组成的双室涡旋发生器。双室涡旋发生器的锥角为20°,流体的入口采用与圆柱体相切的三段式渐缩喷嘴保证流体切向进入到发生器内产生旋流运动。双室涡旋发生器由高压发生室和低压发生室组成。低压发生室利用流体的旋转运动降低溴化锂溶液的蒸发压力,高压发生室用来对产生的冷凝蒸气进行压力恢复。介绍了采用双室涡旋发生器的吸收式制冷系统实验装置的循环流程以及实验装置中各设备的选型及参数,为小型太阳能吸收式制冷系统双室涡旋发生器流体特性的研究提供实验平台。 通过实验研究了双室涡旋发生器内流体的流动及传热特性。实验研究结果表明:流体在双室涡旋发生器中产生强烈的旋转运动,有效地降低发生器中部的发生压力,提高了溶液的可利用温差,产生更多用于制冷循环的冷凝蒸气量。采用双室涡旋发生器的吸收式制冷系统,其COP随着入口温度的增加而增大。当溶液入口温度达到90℃时,其COP值达到0.83,比传统吸收式制冷系统的COP值高22%。采用双室涡旋发生器的吸收式制冷系统由于可以在低温情况下实现高效制冷,因此可以有效地利用太阳能、废热、地热等低品位热源,解决能源利用以及单效吸收式制冷系统由于热源温度低,系统性能较低的问题。 【关键词】：太阳能 吸收式制冷 双室涡旋发生器 制冷效率
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK511.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-32
• 1.1 引言12-13
• 1.2 吸收式制冷研究现状13-20
• 1.2.1 吸收式制冷循环流程14-17
• 1.2.2 我国发展太阳能空调的有利条件17-20
• 1.3 太阳能吸收式制冷文献综述20-29
• 1.3.1 太阳能吸收式制冷循环系统20
• 1.3.2 太阳能吸收式制冷系统国内外研究进展20-29
• 1.4 本论文的研究目的及研究内容29-32
• 第2章 太阳能吸收式制冷系统循环特性分析32-46
• 2.1 溴化锂溶液与水的热物性计算32-39
• 2.1.1 溴化锂水溶液特性32-33
• 2.1.2 溴化锂溶液的状态方程33-37
• 2.1.3 水和水蒸汽的状态方程37-39
• 2.2 小型太阳能吸收式制冷系统循环特性分析39-44
• 2.2.1 热力学模型40-43
• 2.2.2 小型太阳能吸收式制冷系统的热量及质量平衡43-44
• 2.3 本章小结44-46
• 第3章 吸收式制冷系统涡旋发生器数值模拟计算46-76
• 3.1 引言46
• 3.2 涡旋发生器内速度与压力的理论模型46-48
• 3.3 涡旋发生器物理模型及数值计算方法48-54
• 3.3.1 涡旋发生器物理模型49-51
• 3.3.2 网格的划分51
• 3.3.3 边界条件的设置51-52
• 3.3.4 确定计算模型52-53
• 3.3.5 设定流体的材料属性53-54
• 3.3.6 控制参数的设定54
• 3.4 模型的验证54-62
• 3.4.1 发生器内流体速度分布54-58
• 3.4.2 压力分布58-61
• 3.4.3 气液分布61-62
• 3.5 α= 20 发生器内不同喷嘴尺寸和流速下流体流动特性分析62-70
• 3.5.1 参数的设定62-63
• 3.5.2 发生器内压力特性分布63-66
• 3.5.3 在z=0，y=0.3m处（溴化锂溶液区域内）沿z方向的温度分布66-69
• 3.5.4 发生器中溴化锂/水蒸汽的气液分界面69-70
• 3.6 不同锥度的涡旋发生器内流体流动特性70-74
• 3.6.1 压力分布71
• 3.6.2 蒸发温度71-74
• 3.7 本章小结74-76
• 第4章 小型太阳能吸收式制冷系统实验台的研制76-104
• 4.1 双室涡旋发生器的结构设计76-82
• 4.1.1 双室涡旋发生器整体结构图77-80
• 4.1.2 喷嘴设计结构图80-81
• 4.1.3 各连接件的设计81-82
• 4.2 太阳能吸收式制冷系统实验装置82-88
• 4.2.1 吸收式制冷系统主流程图82-83
• 4.2.2 循环流程的溶液回路83-86
• 4.2.3 循环流程的冷剂回路86
• 4.2.4 冷却水回路86-87
• 4.2.5 热水回路87-88
• 4.3 实验设备参数及性能88-94
• 4.3.1 双室涡旋发生器89
• 4.3.2 冷凝器89-90
• 4.3.3 溶液热交换器90
• 4.3.4 MCN型磁力驱动齿轮溶液泵90-92
• 4.3.5 混合器92-93
• 4.3.6 加热器93
• 4.3.7 真空泵和真空隔膜阀93-94
• 4.4 实验测量装置及性能94-98
• 4.4.1 压力测量94-95
• 4.4.2 温度测量95
• 4.4.3 DIGMESA体积流量计95-97
• 4.4.4 涡轮流量计97-98
• 4.4.5 管路连接98
• 4.4.6 数据采集系统98
• 4.5 实验方法及实验操作98-102
• 4.5.1 机组气密性的检查99-100
• 4.5.2 溴化锂溶液的充注100-101
• 4.5.3 机组的试运转101-102
• 4.5.4 实验运行步骤102
• 4.6 本章小结102-104
• 第5章 吸收式制冷系统双室涡旋发生器实验研究104-124
• 5.1 实验方案104
• 5.2 实验数据整理104-106
• 5.2.1 工质流速105
• 5.2.2 焓值105-106
• 5.2.3 制冷效率（COP）106
• 5.3 实验数据不确定度分析106-107
• 5.3.1 温度的不确定度106
• 5.3.2 流量的不确定度106-107
• 5.3.3 压力的不确定度107
• 5.3.4 焓值的不确定度107
• 5.3.5 制冷效率的不确定度107
• 5.4 数据分析及结果讨论107-122
• 5.4.1 系统稳定性分析108-110
• 5.4.2 双室涡旋发生器性能分析110-116
• 5.4.3 吸收式制冷系统性能分析116-120
• 5.4.4 系统火用分析120-122
• 5.5 本章小节122-124
• 第6章 结论与展望124-128
• 6.1 本文的研究结论124-125
• 6.2 本文的创新点125-126
• 6.3 对未来工作的展望126-128
• 参考文献128-134
• 附录1 热电偶标定曲线134-136
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文136-137
• 致谢137

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