太阳能双效溴化锂吸收式制冷系统的性能研究

【摘要】： 近年来,我国城乡建筑的发展非常迅速。每年新建房屋的建筑面积高达16-19亿平方米。到2001年底,全国城乡的房屋建筑面积已超过360亿平方米。目前,全国建筑能耗已超过全国总能耗的四分之一以上,而且有持续上升的趋势。建筑能耗包括热水、采暖、空调、照明、家电等。其中,住宅和公共建筑的空调能耗在全部建筑能耗中占有很大的比重。 随着常规能源的日益匮乏和环境问题的日益严峻,太阳能因其洁净、无污染、可再生等优点,日益受到人们的重视和青睐。在太阳能热利用领域,太阳能制冷空调具有对能量地利用与季节相匹配、对环境无破坏作用等优点,近几十年来得到了迅速发展。 太阳能溴化锂吸收式制冷是目前最成熟的太阳能制冷技术,现已进入实用化示范阶段。目前,针对太阳能溴化锂吸收式制冷地研究开发主要集中在单效系统,这主要是因为单效系统对热源要求低(75-90℃),系统通常选用价格便宜的平板型或真空管型太阳能集热器即可,系统成本相对较低,但系统的效率不高(COP 0.6-0.7)。 本文对太阳能双效溴化锂吸收式制冷系统进行了理论研究。系统的太阳能集热部分采用具有反映灵敏、集热效率高和工作流体出口温度高等优点的抛物面槽太阳能聚焦集热器(PTC),制冷机采用性能系数较高的热水型双效并联溴化锂吸收式制冷机。与太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统相比,双效系统对热源的要求较高(120-160℃),但对太阳能的利用效率更高(COP 1.2-1.5),具有更好的节能效果。 首先建立了PTC的一维、非稳态传热模型,对其沿轴线的光强分布进行了计算,对PTC在给定工况下的动态性能进行了数值模拟,并与远大空调有限公司的实验结果进行了比较,模拟结果与实验结果相差在4.61%以内,两者吻合较好,验证了模型的合理性。 建立了热水型双效并联LiBr/H_2O吸收式制冷系统的稳态集中参数模型。通过数值模拟,研究了热源水进口温度、热源水流量、冷却水进口温度、冷却水流量、冷冻水出口温度、冷冻水流量、溶液分配比和溶液循环量等运转条件的变化对系统性能的影响,分析了运转条件变化容易引发的系统故障。计算结果表明:系统的制冷量和COP随运转条件的变化而变化;运转条件的变化需要控制在一定范围内,否则将引发溶液结晶、工作压力过高、冷剂水或冷冻水结冰等系统故障。 以PTC和双效并联LiBr/H_2O吸收式制冷系统的模型为基础,对采用抛物面槽聚焦集热器(PTC)的太阳能双效LiBr/H_2O吸收式制冷系统的性能进行了数值模拟,研究了运行温度对系统总效率的影响,计算结果显示:PTC在高温工作条件下具有非常高的集热效率;运行温度为173.5℃时,系统总效率最高,达到0.8250;与采用复合抛物面聚焦集热器(CPC)和高效真空管集热器(ETC)相比,采用PTC的太阳能双效吸收式制冷系统具有最佳的系统性能;相同条件下,选用PTC时集热面积最小,但由于PTC的价格很高,导致系统成本很高。 在合肥地区的气候条件下,对采用抛物面槽聚焦集热器(PTC)的太阳能双效LiBr/H_2O吸收式制冷系统进行了设计优化和经济性分析。系统由66.125m~2PTC和16kW双效并联溴化锂吸收式制冷机组成,并增设了蓄热水箱和燃气辅助加热装置。研究了蓄热水箱容量及燃气辅助加热设定温度等对系统性能的影响。结果表明:蓄热水箱容量为0.6 m~3、燃气辅助加热设定温度为158.0℃时,系统在制冷期内所消耗的燃气量最少;制冷期内系统获得太阳能113594.52MJ,太阳能保证率达0.5997;与只采用燃气的双效溴化锂吸收式制冷系统相比,太阳能双效制冷系统全年制冷期内可节省燃气4091.11m~3;系统运行费用较低,但系统仍然是不经济的,这主要是由于PTC价格昂贵、初投资过大所致;当PTC价格低于$350.0/m~2时,太阳能双效制冷系统才比只采用燃气的双效溴化锂吸收式制冷系统更经济。 对双效并联溴化锂吸收式制冷系统双热源工作模式的热性能进行了理论研究,分析了低压发生器所消耗的热量及系统运转参数的变化对系统热性能的影响。计算结果显示:在双热源工作模式下,随着低压发生器所消耗热量的变化,为保证系统的正常运行,需要对溶液流量进行调节控制:随着低压发生器所消耗热量的增加,系统的节能效果更好,运行费用更低;溶液分配比的可调节范围随着运转条件的变化而变化。 【关键词】：太阳能制冷 PTC 双效 LiBr/H_2O 吸收式 性能 优化 双热源工作模式
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TU831;TU18
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 绪论14-33
• 1.1 我国的能源概况14-17
• 1.2 我国的太阳能资源17-18
• 1.3 我国太阳能热利用技术18-23
• 1.3.1 太阳能集热器19-21
• 1.3.1.1 平板型太阳能集热器19
• 1.3.1.2 真空管太阳能集热器19-20
• 1.3.1.3 聚焦型太阳能集热器20
• 1.3.1.4 太阳能热水器20-21
• 1.3.2 太阳能采暖21-22
• 1.3.3 太阳能热泵22-23
• 1.4 太阳能制冷空调23-24
• 1.4.1 太阳能制冷空调的优点23
• 1.4.2 太阳能制冷空调在现阶段的局限性23-24
• 1.4.3 太阳能制冷空调系统的分类24
• 1.5 太阳能吸收式制冷24-31
• 1.5.1 原理及分类24-26
• 1.5.2 历史与发展现状26
• 1.5.3 文献综述26-31
• 1.6 本文的主要内容31-33
• 第2章 采用PTC的太阳能双效溴化锂吸收式制冷系统简介33-43
• 2.1 系统结构33-34
• 2.2 系统工作原理34-35
• 2.3 溴化锂水溶液和水的热物性计算35-42
• 2.3.1 溴化锂水溶液的状态方程35-41
• 2.3.1.1 溴化锂水溶液的平衡方程36
• 2.3.1.2 溴化锂水溶液的比焓值36-38
• 2.3.1.3 溴化锂水溶液的结晶温度38-39
• 2.3.1.4 溴化锂水溶液的动力粘度系数39
• 2.3.1.5 溴化锂水溶液的密度39-40
• 2.3.1.6 溴化锂水溶液的热传导系数40
• 2.3.1.7 溴化锂水溶液的定压比热容40-41
• 2.3.1.8 溴化锂水溶液的表面张力41
• 2.3.2 水和水蒸气的状态方程41-42
• 2.3.2.1 水的饱和温度41-42
• 2.3.2.2 饱和水的比焓42
• 2.3.2.3 饱和水蒸气的比焓42
• 2.3.2.4 过热水蒸气的比焓42
• 2.4 本章小结42-43
• 第3章 PTC的数值模拟和实验验证43-54
• 3.1 PTC的理论模型43-47
• 3.1.1 跟踪角度44
• 3.1.2 真空集热管接收到的太阳辐射能44-45
• 3.1.2.1 真空管接收的太阳直射辐照强度T_(b,t)44-45
• 3.1.2.2 真空管接收的太阳漫射辐照强度I_(d,t)45
• 3.1.2.3 真空管接收的由反射板反射聚焦的太阳直射辐射辐照强度I_(b,r)45
• 3.1.2.4 真空管接收的由反射板反射的太阳漫射辐射辐照强度I_(d,r)45
• 3.1.3 玻璃外管的能量平衡方程45-46
• 3.1.4 吸热管的能量平衡方程46
• 3.1.5 工作流体的能量平衡方程46
• 3.1.6 PTC的瞬时热效率46-47
• 3.2 数值模拟与实验测试结果的比较47-50
• 3.3 PTC尺寸参数及工作流体质量流量对系统性能的影响50-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第4章 热水型双效并联溴化锂吸收式制冷机的性能研究54-77
• 4.1 热水型双效并联溴化锂吸收式制冷机的理论模型55-58
• 4.2 计算流程58-61
• 4.3 运转条件的变化对系统性能的影响61-76
• 4.3.1 热源水进口温度对系统性能的影响62-64
• 4.3.2 热源水流量对系统性能的影响64-65
• 4.3.3 冷却水进口温度对系统性能的影响65-67
• 4.3.4 冷却水流量对系统性能的影响67-68
• 4.3.5 冷冻水出口温度对系统性能的影响68-70
• 4.3.6 冷冻水流量对系统性能的影响70-71
• 4.3.7 溶液分配比对系统性能的影响71-73
• 4.3.8 溶液循环量对系统性能的影响73-76
• 4.4 本章小结76-77
• 第5章 运行温度和热源水质量流量对系统性能的影响77-86
• 5.1 系统参数77-78
• 5.2 系统性能的数值模拟结果78-85
• 5.2.1 集热面积对系统性能的影响78-79
• 5.2.2 运行温度对系统性能的影响79-81
• 5.2.3 经济性比较81-82
• 5.2.4 热源水质量流量对系统性能的影响82-85
• 5.3 本章小结85-86
• 第6章 太阳能双效溴化锂吸收式制冷系统的优化设计86-98
• 6.1 蓄热水箱的理论模型86-87
• 6.2 计算参数87-89
• 6.3 系统的性能计算及经济性分析89-96
• 6.3.1 系统的优化设计89-91
• 6.3.1.1 燃气辅助加热设定温度T_(ref)89-90
• 6.3.1.2 蓄热水箱的容量90-91
• 6.3.2 集热面积对系统性能的影响91-92
• 6.3.3 经济性分析92-95
• 6.3.4 系统的日性能95-96
• 6.4 本章小结96-98
• 第7章 双效溴化锂吸收式制冷系统双热源工作模式的理论研究98-109
• 7.1 双热源工作模式简介98-99
• 7.2 双热源工作模式的理论模型99-101
• 7.3 双热源工作模式的性能计算101-108
• 7.4 本章小结108-109
• 第8章 全文总结及工作展望109-112
• 8.1 本文主要工作及创新点109-110
• 8.2 后续工作展望110-112
• 参考文献112-120
• 附录 符号说明120-121
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果121-123
• 致谢123

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