（制冷及低温工程专业论文）双效单效耦合型溴化锂吸收式空调系统的性能研究.pdf

摘要 环境与能源是人类生存和发展的基础，是现阶段全世界关心的问题。如何提高利 用太阳能为驱动热源的溴化锂吸收式制冷空调系统的性能和经济性是本领域的热点研 究课题之一。它对节省常规能源，减少环境污染，提高人们生活水平有着重要意义。 本文研究了双效单效耦合型太阳能溴化锂吸收式制冷系统。在夏天空调季节日照 正常时，该系统以聚光型太阳能集热器来产生饱和蒸汽，按双效循环驱动溴化锂吸收 式制冷机运行，并将多余能量贮存在蓄能罐内，在非日照时段当蓄能罐内热水温度低 于1 4 0 时按单效循环运行，直至8 5 。由于聚光型太阳能集热器在驱动双效循环运 行的同时所贮存的高温热水在切换为单效循环运行后存在较大温差的显热，该方案具 有综合循环效率较高，且蓄能密度较大等优点，并开辟了一条能照顾非日照时段运行 的太阳能空调的新运行模式。 作者编制了双效单效耦合型太阳能溴化锂吸收式制冷机的稳态热力设计程序和 优化分析程序；分析了热源进口温度、冷媒水出口温度变化和冷却水进口温度变化对 双效单效耦合溴化锂吸收式制冷循环的性能的影响；同时编制双效单效耦合溴化锂 吸收式制冷系统的稳态仿真可视化程序；实现溴化锂吸收式制冷系统设计计算、性能 模拟的图形化、可视化；可以在良好的界面下完成参数选择、性能模拟等操作。 论文中分析了双效太阳能溴化锂制冷机各个部件问的热质耦合关系，建立了动态 模型。定量分析研究了机组的干扰特性。当采用实际工况下的初始条件和边界条件时， 仿真所得的结果能够基本正确地反映溴冷机的工作状态和参数以及实际运行的响应趋 势。 通过建立计算与分析模型，考虑环境成本，对双效单效耦合太阳能吸收式空调机 组与太阳能辅助热源机组、直燃机组和电力压缩空调机组进行经济性和能耗分析比较。 结果表明，双效单效耦合溴冷机初投资部分与传统热源( 直燃型) 的溴化锂吸收式制冷 系统相差不多，增加的投资主要是在太阳能集热装置方面，这可队通过充分利用伴随 产生的热水而使投资合理化。由于该方案在减少一次能源消耗量与环境污染物排放方 面的明显优势，在能源趋于枯竭的大趋势下值得积极推广，利用太阳能等可再生能源 驱动空调是大势所趋。 关键词：双效单效耦合溴化锂吸收式制冷循环；动态特性；可视化程序；经济性分析 a b s t r a c t e n v k o n m e n ta n de n e r g yr e s o u r c e s & r et h ef o u n d a t i o no fh u m a n ss u r v i v a l a n dd e v e l o p m e n t ，a n dn o wt h e ya l eh o ti s s u e sc o n c e r n e dg l o b a l l y h o wt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n de c o n o m i c so fs o l a re n e r g yd r i v e nl i b ra b s o r p t i o n c h i l l i n ga i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi s o n eo fm a j o rt o p i c si nt h i s f i e l d i th a sg r e a t i m p o r t a n c eo ne n e r g yc o n s e r v a t i o n , p o l l u t i o nc o n t r o l a n dl i v i n gs t a n d a r d i m p r o v e m e n t t h ec o m b i n e dd o u b l e s i n g l ee f f e c tl i b ra b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m w a ss t u d i e d d u r i n gt h es u m m e rs e a s o n ，t h es y s t e mu s e ss a t u r a t e ds t e a ma r o u n d 1 6 0 cg e n e r a t e db yf o c a l i z e ds o l a rc o l l e c t o r st od r i v et h el i b rc h i l l e ra c c o r d i n g t od o u b l e - e f f e c tl i b ra b s o r p t i o nc y c l ea n ds i m u l t a n e o u s l yt oa c c u m u l a t et h e s u r p l u sh e a ti naw a t e rt a n ki ns u n s h i n ed a y t i m e ，w h i l ed u r i n gt h el e s to ft i m et h e c h i l l e ri sd r i v e nb yt h ea c c u m u l a t e dh o tw a t e rs t a r tf r o m1 4 06 ct i l l8 5 cw i t h s i n g l ee f f e c ta b s o r p t i o nc y c l e a st h e r ei sal a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h eh e a ts o u r c e sr e q u i r e db yd o u b l e - e f f e c tc y c l ea n ds i n g l e - e f f e c to n e ，b o t hh i 【g h e f f i c i e n c ya n dd e n s ee n e r g ya c c u m u l a t i o na r ea c c o m p l i s h e d a n di to p e n sa n e w w a yt or e a l i z et h es o l a rd r i v e na i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e md u r i n gb o t hs u n s h i n et i m e a n do f f - s u n s h i n et i m e at h e r m a ld e s i g n p r o g r a ma n d ao p t i m i z ea n a l y s i s p r o g r a mf o r t h e a m p h i b i o u sl i b ra b s o r p t i o nc y c l ew e r ec o m p i l e d a n dt h ei n f l u e n c e so nt h e p e r f o r m a n c eo fv a r i a t i o no fh e a ts o u r c et e m p e r a t u r e ，i n l e tt e m p e r a t u r e so fb o t h c o o l a n tw a t e ra n dc h i l l i n gw a t e rw e r ec o m p u t e da n da n a l y z e d m o r e o v e r ，t h e v i s u a l i z a t i o np r o g r a mw a ss e tu pt of a c i l i t a t et h ed e s i g n , p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n g r a p h i c s ，v i s u a l i z a t i o no ft h ea m p h i b i o u sc y c l ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ， w h i c hh a sg o o di n t e r f a c e sf o rc o m p l e t i n gp a r a m e t e rs e l e c t i o n , p e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n , a n ds o m eo t h e ro p e r a t i o n s t h ec o u p l e dm a s sa n dh e a tt r a n s f e rr e l a t i o n s h i pi nt h ec o m p o n e n th e a t e x c h a n g e r so ft h ea b s o r p t i o nc h i l l e rd r i v e nb ys o l a re n e r g yw e r ea n a l y z e d t h e d y n a m i cm a t h e m a t i c a l m o d e l si ne a c hc o m p o n e n tw e r ec o n s t r u c t e d t h e 东南大学硕士学位论文 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e nu s i n g 恤ea c t u a lc o n d i t i o n so ft h ei n i t i a l c o n d i t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，i th a sc o r r e c tr e s p o n s et ot h es t a t u sa n d p a r a m e t e r so ft h es y s t e m ，a n di t r e f l e c t st h ea c t u a lo p e r a t i o no ft h et r e n d r e s p o n s e - b ye s t a b l i s h i n gt h ec o m p u t a t i o na n da n a l y s i sm o d e la n dc o n s i d e r i n gt h e e n v i r o n m e n t a lc o s t ，t h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c ya n de n e r g yc o n s u m p t i o no ft h e s o l a ra b s o r p t i o na i rc o n d i t i o n i n gw e r ec o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s i ts h o w s t h a tt h ei n i t i a li n v e s t m e n to fd o u b l e e f f e c t s i n g l ee f f e c ta m p h i b i o u sl i b r a b s o r p t i o nc h i l l e rp r o p e ri ss i m i l a rt ot h a to ft h et r a d i t i o n a l o i l f n - e dl i b r a b s o r p t i o nc h i l l e ru n i t s ，w h i l et h ei n c r e a s e dc o s to fw h o l es y s t e ml i e so nt h es o l a r c o l l e c t i o n f a c i l i t i e s ，w h i c hc a nb ej u s t i f i e db yf u l l u s eo ft h eh o tw a t e r c o g e n e r a t e d h o w e v e r , t h ea d v a n t a g e so ft h er e d u c t i o ni ne n e r g yc o n s u m p t i o n a n de n v i r o n m e n t a le m i s s i o n sa r eo b v i o u s ；i ts h o u l db ep o s i t i v e l yp r o m o t e da tt h e e v e ns t r i n g e n te n e r g ys h o r t a g ee r aa n dt h eu t i l i z a t i o no f r e n e w a b l ee n e r g ys u c ha s t h es o l a re n e r g yt od r i v et h ea i r - c o n d i t i o n i n gi si n e v i t a b l e k e yw o r d s ：c o m b i n e dd o u b l ee f f e c t s i n g l ee f f e c tl i b ra b s o r p t i o nc h i l l i n g s y s t e m ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；v i s u a l i z a t i o nc o m p u t a t i o n ； e c o n o m i ca n a l y s i s 1 1 1 主要符号表 主要符号表 总传热面积 各设备传热面积 循环的性能系数 冷剂流量 溶液质量 太阳辐照度 焓值 传热系数 压力 制冷量；热负荷 温度 冷却水的流量 高压发生器 低压发生器 吸收器 蒸发器 冷凝器 发生器蒸汽 冷凝器冷剂水 热交换器浓溶液出口 热交换器稀溶液出口 空气 冷却水 冷媒水 进口 出口 壳体 i v l n 2 m 2 k g s 蚝 w m 2 l o , k g w ( m 2 k 1 m p a 或p a k w k 或 i f h 4 4 卿 g g ， 置城q 喊 和体坛培口 。七 渊咖 研 w，瘌减砌 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：穗1 鳌厶 日 期：2 丑蚓 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一虢虹名：堕盟日易”。j 第一章绪论 1 1 选题背景与意义 第一章绪论 随着社会的不断进步，在人们享受生活的同时，人类消耗的能源也越来越多。能 源需求量的不断提高势必造成两个问题：能源危机与环境问题。目前我国的综合国力 和人民的生活水平都得到很大提高，电力工业作为国民经济的基础产业之一，也已取 得长足的发展。但是，电力的增长仍然满足不了每年电量增长的要求。随着社会经济 继续高速的发展，夏季空调制冷所消耗的能量已经占到较大的比例，我国每年夏季大 部分地区都会有出现电力紧张的情况。与此同时，发电过程煤炭直接燃烧所带来的大 气污染、酸雨、温室效应、化石能源枯竭的加剧，废气的排放严重污染着人们的生活 环境。传统空调机的制冷剂氟利昂的排放破坏了臭氧层。这些都使得各国的能源工作 者对包括太阳能在内的可再生能源的开发利用给予了极大的关注【l2 1 。 太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源。在太阳能热利用领域中，不仅有 太阳能热水和太阳能采暖，还有太阳能制冷空调。换句话说，在太阳能转换成热能后， 人们不仅可以利用这部分热能提供热水和采暖，而且还可以利用这部分热能提供制冷 空调。夏季是用电高峰，报告显示夏季高温时4 0 的电力是被空调消耗，因此利用太 阳能制冷空调一方面可以大大减少电力消耗，节省常规能源，同时由于夏季太阳能辐 射基本上是随着气温的上升、空调冷负荷需求增加而相应增大，因此系统制冷能力与 空调需求有较好的匹配性，由于耗电量少，基本不造成城市热岛效应；另一方面，由 于太阳能空调系统采用非氟氯烃类物质作为制冷剂，没有相关的环境污染。因此，利 用太阳能空调技术，对节约常规能源、保护自然环境都具有十分重要的意义。 1 2 太阳能吸收式制冷机的国内外研究动态 近几十年来，国内外很多专家学者对太阳能空调和吸收式制冷进行了大量的理论 和实际的研究。一般来说，利用太阳能作为能源的空调装置由三部分组成：其一是制 冷系统，利用太阳能热源作为驱动力的制冷系统不同于压缩式制冷系统，目前吸收式 制冷技术较为成熟，尤其是采用溴化锂一水作为工质对，能满足对安全性要求很高的 空调装置，是一种较为理想的工质对 3 1 ，但由于目前厂家生产的溴化锂吸收式制冷机 东南大学硕士学位论文 容量规格比较大，适合太阳能空调的小型制冷机仍然是研制开发的难题；其二是太阳 能集热器。集热器形式多样，性能各异【4 】。集热器采用真空管型最多，真空管型最基 本的种类有三种：热管式真空集热管( 简称热管) 、全玻璃真空集热管和直通式真空集 热管p j ，以上这些都是低温型集热器，而中温型太阳能集热器也有待完善和开发；其 三是自动化控制系统，即对空调装置的各种工作参数进行控制和安全保护的控制系统 州。功能齐全的自动控制装置，不仅能够减轻操作人员的劳动强度、改善劳动条件、 提高管理效率，而且还可以使机组的运行参数长期稳定在合理的工况范围内，经济可 靠地运行，达到节能的目的。 1 2 1 吸收式制冷机的研究发展 理论方面早在1 9 8 1 年g r o s s m a n 等就提出采用太阳能作为吸收式制冷机提供热 源。并在太阳能不足时采用其他形式的辅助能源。此外，他还提出采用溶液预热器和 辅助发生器以提高制冷机效率【7 】。此后m c l i n d e n 建立了吸收式热泵的稳态模型并与试 验值进行比较i s 。g r o s s m a n 又提出吸收式制冷循环的仿真程序 9 】。1 9 9 8 年b e s t 和o r t e g a 提出影响太阳能作为吸收式制冷机热源的主要因素是环境，例如太阳辐射强度，风速 等等 1 0 1 。v l i e t 和l a w s o n 分析了溴化锂双效制冷循环【l l 】。m i t s u s a t u 分别对氨水吸收式 制冷机，蒸汽和太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷机的动态特性进行过研究【1 2 1 。 应用方面美国弗罗里达大学的f a r b e r 教授【i 剐早就着手于这方面的研究，并且投入 了实际运行。他采用氨吸收式制冷机，冷却水为2 1 ，制冷系数为0 4 5 左右。日本研 制的太阳能供冷系统【1 4 】，由面积3 2 2 m 2 的平板集热器、7 l 【w 的溴化锂制冷机和2 5 m 3 的储能水箱组成，该系统可提供冬天采暖所需的全部能量和夏天为驱动吸收式制冷机 所需能量的7 0 。沙特阿拉伯1 1 3 1 3 建设了平板集热器的太阳能空调，采用溴化锂制冷 机进行制冷。 太阳能驱动的吸收式制冷系统在我国同样也发展的非常迅速。 8 0 年代与9 0 年代初期，中国的经济面临飞速发展，而基础产业与基础设施的发 展相对滞后。特别是电力发展滞后，企业用电非常紧张，空调用电受到限制，因此溴 化锂吸收式制冷技术在我国迅速地发展起来。用太阳能热源作为能源制冷的空调就是 在第一类吸收式制冷机的基础上，采用太阳能作为加热热源推动系统实现制冷的装置。 由于太阳能所能提供的加热温度较低，所以在工质的选择上，采用溴化锂水溶液作为 工质较多。对由热水驱动的以溴化锂水溶液为工质对的吸收式制冷机，中国科学院广 州能源研究所、上海交通大学、华南理工大学、浙江大学等都做过不少的研究工作。 2 第一章绪论 西安交通大学和浙江大学考虑配合太阳能驱动运行，对无泵溴化锂吸收式空调系统， 特别是对其技术关键系统内溴化锂溶液和冷剂水循环的热虹吸泵原理的研究做过大量 的工作。华南理工大学对溴化锂吸收过程和强化传热机理也作了不少研究。 理论研究方面贾明生对通过对溴化锂水溶液物性的实测数据进行回归分析，提出 了溴化锂水溶液的平衡方程及粘度系数、结晶温度、密度、比焓等物性参数计算方程 【2 9 】。 陈光明等人针对太阳能空调系统的热源不连续的问题，提出了采用电压缩辅助方 案。新循环比传统循环多了一个压缩机。从发生器出来的制冷剂蒸汽分为两路，一路 送入冷凝器，一路经压缩机压缩后，又回到发生器将汽化潜热释放出来加热溶液，本 身凝结后再进入冷凝器。由于进入冷凝器和发生器的热负荷降低，所以系统的c o p 值增加。 陈滢等提出了一种被称为s e d l 的循环【1 5 】，但由于该循环流程过于复杂，屏蔽泵 ( 或磁力泵) 较多，且回热路线不尽合理，很难付诸实用。 陈亚平等在s e d l 循环的基础上提出了1 x 循环的概念【l6 1 ，即循环中部分流体按 单效循环，而另一部分按两级循环，其c o p 介于两者之间，则称此循环为1 x 级溴化 锂吸收式制冷循环。1 x 级和s e d l 溴冷机循环克服单效循环在热源温度较低时无能 为力，而两级循环的能量转换效率偏低的缺点而提出的。由于1 x 级溴化锂循环中溴 化锂溶液的流程更合理，所以该循环比s e d l 的性能系数c o p 更高。 应用方面1 9 8 7 年中国科学院广州能源所与香港理工大学合作在深圳建成了中国 第一套太阳能空调系统【1 - q 。1 9 9 7 年，又为国家“九五”科技攻关项目“太阳能空调及供 热示范系统”研制了一台1 0 0 k w 的两级吸收式制冷机，并成功地应用于太阳能系统中。 他们在江门市的一幢高楼上安装了一套制冷和供热联合运行系统，采用了5 0 0 m 2 改进 后的平板式集热器，系统的热源温度甚至低到6 5 时还能运行。该所的李戬洪、马伟 斌等人通过理论分析和初步的实验研究，指出两级溴化锂一水吸收式制冷机可有效利 用太阳能，有着广阔的市场前景。这种两级吸收式制冷机有两个显著的特点，一是所 要求的热源温度低；二是热源的可利用温差大。此系统对热源温度有较宽的适应范围， 有利于制冷机在较低的太阳辐射强度和不稳定的太阳能输入情况下，适应其引起的温 度波动，实现稳定的运行。 上海交通大学制冷与低温工程研究所从1 9 9 7 年就开始了对直燃式溴化锂吸收式 制冷机的动态特性的研究。周锦生对小型直燃式双效溴化锂制冷机的启动特性进行了 实验和数值研究。1 9 9 7 年，德国斯图加特市的m e i s s n e r & w u r s t 公司与北京桑达太阳 能技术公司生产设计并安装一套太阳能空调系统【”】，以满足夏季制冷及日常用热水的 3 东南大学硕士学位论文 需要。整套太阳能空调系统于1 9 9 8 年5 月完成安装调试工作并投入使用。该空调系统 共使用了1 6 0 0 支由北京桑达太阳能技术有限公司生产的直流式真空管，采用溴化锂吸 收式制冷装置，最大制冷量为5 6 0 k w ，最大输入功率为8 0 0 k w 。太阳集热器提供9 5 * 0 的热水作为制冷机组的热源，流经制冷机组工作后的出1 2 1 水温为8 0 ( 2 ，它再次进入太 阳集热器系统经过加热至9 5 ( 2 。北京太阳能研究所何梓年等主张采用单级吸收式制冷 机循环【l9 】，他们利用该所研制的高温真空管集热器，并于1 9 9 9 年在山东乳山也建立 了一座有5 4 0 m 2 集热器面积，制冷功率为1 0 0 k w 的示范性的工程项目。该系统集热器 提供的热水温度为8 8 c ，制冷功率实测值为5 0 9 0 k w ，c o p 的实测值为0 5 - - - 0 7 1 ，日 平均值为o 5 7 。 目前，世界各国都在加紧进行太阳能制冷技术的研究，并主要集中在吸收式制冷 领域。我国已经成为全世界公认的太阳能利用大国，目前太阳能热水器的年生产量已 超过1 0 0 0 万m 2 。但是在中温太阳能集热器以及适用于太阳能应用的小型制冷机组的 研制方面还有许多工作要做。 1 2 2 太阳能集热器的研究发展 太阳能集热器作为太阳能空调的重要部件，对其发展有着重要的影响。目前集热 器可分为两大类【2 0 】：非聚光型集热器和聚光型集热器。非聚光型集热器又分为平板集 热器( f p c ) 、真空管集热器( e t c ) 、热管型集热器等；而聚光型集热器则分为阳光跟踪 型抛物面集热器和复合抛物面集热器( c p c ) 等。 早期出现的太阳能装置，主要为太阳能动力装置，大部分采用聚光集热器【2 l 】，只 有少数采用平板集热器。1 9 6 0 年以后才真正进行深入研究和规模化应用。为了减少平 板集热器的热损，提高集热温度，国际上7 0 年代研制成功真空集热管 2 2 1 ，其吸热体 被封闭在高真空的玻璃真空管内，大大提高了热性能。将若干支真空集热管组装在一 起，即构成真空管集热器，为了增加太阳光的采集量，有的在真空集热管的背部还加 装了反光板。真空集热管大体可分为全玻璃真空集热管，玻璃七型管真空集热管，玻 璃、金属热管真空集热管，直通式真空集热管和贮热式真空集热管等。我国自8 0 年代 中期开始研制热管真空集热管，经过十几年的努力，攻克了热压封等许多技术难关， 建立了拥有自主知识产权的热管真空管生产基地，产品质量达到世界先进水平，生产 能力居世界首位。 聚光集热器主要由聚光器、吸收器和跟踪系统三大部分组成。按照聚光原理区分， 聚光集热器基本可分为反射聚光和折射聚光两大类，每一类中按照聚光器的不同又可 4 第一章绪论 分为若干种。在反射式聚光集热器中应用较多的是旋转抛物面镜聚光集热器( 点聚焦) 和槽形抛物面镜聚光集热器( 线聚焦) 。前者可以获得高温，但要进行二维跟踪；后者可 以获得中温，只要进行一维跟踪。 7 0 年代，国际上出现复合抛物面型集热器c p c 2 3 1 ，这是一种依据边缘光线原理设 计的低聚光度非成像聚光器，可将接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到吸热 体上。它由二片槽形抛物面反射镜组成，不需要跟踪太阳，最多只需要随季节作稍许 调整，便可聚光，获得较高的温度。其聚光比一般在1 0 以下，当聚光比在3 以下时可 以固定安装，不作调整。复合抛物面型集热器( c p c ) 主要有如下优点：可以利用几乎 所有可接收到的太阳辐射，有较高的光效率；有较大的接收角，能更大程度的利用太 阳能；结构简单，初投资小，运行维护费用低。更重要的是，由于太阳能量密度较低， 导致普通集热器的最高工作温度一般在8 0 左右。而c p c 集热器的工作温度为8 0 2 5 0 ，可较大幅度地提高工作温度。正因为c p c 太阳集热器有诸多优点，c p c 集热 器已广泛应用于热水、供暖、太阳能光催化废水处理阱】、太阳能光伏发电、聚焦式复 合光电光热太阳能系统等领域。 1 2 3 本论文相关研究背景 由前述可知，在太阳能集热器方面，平板集热器、真空管集热器已经得到了很好 的应用，但是由于这类集热器所获取的热源温度较低，一般在8 5 左右，若利用单效 吸收式制冷系统( c o p = o 7 1 ，只能在中午前后短时间内能够运行，其余时间无法驱动； 而如果采用双级溴化锂吸收式制冷机，则由于其制冷性能系数( c o p - 卸4 ) 较低，导致太 阳能制冷空调的整体效率低下，需要大量集热器面积，不易推广。双效循环能较大幅 度地提高吸收式制冷机的性能系数，c o p 可达1 2 左右。鉴于双效循环和单效循环所 需热源有较大的显热温差，本人所在课题组提出了一种新型双效单效耦合太阳能吸收 式制冷循环，其特点是在白天有日照时段利用中温集热器生产蒸汽，当集热器产生的 热源温度在1 6 0 左右时可按双效循环运行提供空调制冷量，并进行蓄热；而在无日 照时段或热源温度下降到1 4 0 c 以下时可切换为热水型单效循环运行，直至8 5 左右 单效循环无法运行为止。这样，由于热源利用温差很大，单位体积的蓄热水箱( 蓄能 罐) 可以蓄取较多的能量。其蓄能密度与冰蓄冷相当，在正常天气情况下有可能无需 用辅助能源而完全靠太阳能进行昼夜空调。 虽然单位集热面积的中温集热器之费用要比低温集热器的高，但由于双效单效耦 合的综合循环效率可比双级循环的提高一倍以上，特别是有优异的蓄能能力，可供应 s 东南大学硕士学位论文 系统在非e l 照时段依靠太阳能实现空调，其潜在经济效益很有吸引力，有可能实现系 统的小型化与商业化。 1 3 本文的主要工作 太阳能吸收式制冷系统以洁净的太阳能为驱动能源，几乎不消耗常规能源；但是 太阳能随着季节、昼夜、天气变化而变化，具有不连续性和不稳定性，这将对系统运 行性能带来不利影响，因此需开展系统设计优化和动态干扰仿真等方面的研究工作。 同时从经济性和能源环境利用的角度分析了这种新型循环的可行性。本文重点完成了 以下几项工作： 1 编制了双效单效耦合溴化锂吸收式制冷机的热力设计程序和优化分析程序； 包括溴化锂水溶液的物性计算程序、热力计算程序、优化分析计算程序等。 2 完成了参数变化对循环性能的优化分析：分析了热源进口温度、冷媒水出口温 度变化和冷却水进口温度变化对双效单效耦合溴化锂吸收式制冷循环的性能的影响。 3 编制了双效单效耦合溴化锂吸收式制冷系统的稳态仿真可视化程序。实现溴 化锂吸收式制冷系统设计计算、性能模拟的图形化、可视化，能使用户可以在良好的 界面下完成参数选择、性能模拟等操作。 4 分析了双效溴化锂吸收式机组各个部件间的热质耦合关系，建立了各部件的动 态模型，并给出了详细的解法：根据动态过程中热质传递的机理提出或改进了传热系 数，传质系数公式。 5 在上述基础上，建立了双效吸收式机组的动态模型，并进行了数值求解，定量 分析了冷却水进口温度，热源进口温度等在阶跃扰动信号干扰下对各部件及整个机组 的影响，得出了参数变化的时间常数和其它动态特性。 6 初步设计了双效单效耦合太阳能溴化锂吸收式制冷系统的自动控制原则性方 案；对四种制冷机组夏季工况下运行方案：即采用太阳能双效单效耦合吸收式制冷机 组：采用太阳能与辅助热源驱动吸收式制冷机组；采用直燃型吸收式制冷机组和采用 电力压缩制冷机组，进行了经济性和环境影响方面的比较分析。 6 第二章双剃单效耦合太阳能溴化锂吸收式空调系统 第二章双效单效耦合太阳能溴化锂吸收式空调系统 随着技术的进步和对高效率的追求，近年来国外的太阳能空调研究方案有以双效 溴化锂吸收式循环为主的趋势【3 3 1 。长沙远大集团也在开发以燃气为辅助热源的双效溴 化锂吸收式循环太阳能空调系统【2 5 1 。 2 1 双效单效耦合太阳能溴化锂吸收式空调系统流程 图2 - 1 显示了一种以城镇建筑物为单元同步建设双效单效耦合型太阳能溴化锂吸 收式空调系统的方案的系统流程。其具体做法是：以聚光型太阳能蒸汽发生器来生产 热媒，在夏天空调季节日照正常时按双效蒸汽型循环驱动溴化锂吸收式制冷机运行， 在非日照时段当热源温度低于1 4 0 时按单效循环运行的方案。 汽水分离罐 1 冷凝器，2 热水发生器，3 高压发生器，4 一低压发生器，5 吸收器，6 蒸发器 图2 - 1 太阳能与地源水结合的溴化锂吸收式系统结构原理图 该系统主要部件有：聚光型太阳能蒸汽发生器、蓄热水箱、双效蒸汽型单效热水 型板壳式溴化锂吸收式制冷机、冷却系统、集热器循环泵、热水泵、冷却水泵等。 7 东南大学硕士学位论文 溴化锂吸收式制冷机所需热源有蒸汽和热水，两路热源一般情况是分别切换使用， 但也不排除可以同时使用，特别是在蒸汽参数偏低，制冷功率未达到要求时。整个系 统由蒸汽回路、热水回路、冷却水回路组成。 1 蒸汽回路：由聚光型太阳能集热器、汽水分离罐和连接管线组成。分离罐下部 供水联管与聚光型太阳能集热器各吸收管一端连接，吸收管内液位由汽水分离罐内液 位确定，吸热后蒸发出的蒸汽经蒸汽联管返回汽水分离罐，形成自然对流循环；当有 制冷需要且蒸汽压力达到0 2 5 m p a ( 表) 时，由图2 1 所示打开v 2 阀给溴化锂吸收式 制冷机供应蒸汽，制冷机按双效循环运行；当蒸汽压力升至0 6 m p a ( 表) 时开启v l 使部分蒸汽进入蓄能罐，并维持v 1 阀前压力不变。水泵p l 根据汽水分离罐内液位进 行补水。 2 热水回路；由蓄热水箱和连接管线组成。当有制冷需要且蒸汽压力低于0 2 5 m p a ( 表) ，而蓄热水箱内热水温度在1 3 9 8 5 之间时，制冷机热源切换为热水，按单 效循环运行，由图2 1 启动热水泵p 2 并打开v 3 阀。蓄热水箱内设置折流隔板以加大 温度差，因热水温度是上高下低，所以在上部吸水而回水从底部返回。由于双效与单 效循环两者所覆盖的热源温度范围较宽，日照时段可按双效循环运行，并对蓄热水箱 内热水加热；非日照时段的运行可在热源参数降低时切换至单效循环运行，蓄能密度 达到冰蓄冷的水平。且循环的性能系数较高。 3 冷却水回路：图2 - 1 中冷却水泵p 4 从地下埋管换热器吸水，冷却水吸收制冷 机的吸收器和冷凝器内的热量后，出口温水送回地下埋管。以地下土壤与地下水作为 冷源，利用地下土壤或水作为制冷机组排热场所。已有研究表明：在地下5 米以下的 土壤温度基本上不随外界环境及季节变化而改变，且约等于当地年平均气温，同时地 下水温一般也比较稳定，因此，土壤或地下水是一种比空气更为理想的冷热源。特别 是在冬季可以将溴化锂吸收式制冷机按热泵循环方式运行采暖，而冷却塔方案就会受 到结冰的限制而无法工作。 4 冷媒水回路：冷媒水泵将制冷机组的产生的冷量送到空调房间内的风机盘管。 2 2 双效单效耦合溴化锂制冷机原理 当聚光型太阳集热器发生的蒸汽压力达到0 2 5 m p a ( 表) 以上且有制冷需求时，打 开v 2 阀给溴化锂吸收式制冷机供应蒸汽，制冷机按双效运行，在高压发生器中，稀 溶液被热源蒸汽加热。在较高的发生压力n 下产生冷剂蒸汽，因该蒸汽具有较高的饱 和温度，又被通入低压发生器作为热源，加热低压发生器中的溶液，使之在冷凝压力 8 第二章双效单效耦合太阳能溴化锂吸收式空调系统 风下产生冷剂蒸汽。此时，低压发生器则相当于高压发生器在肼压力下的冷凝器。由 于驱动热源的能量在高压发生器和低压发生器中得到了两次利用，所以称为双效循环。 显然，与单效循环相比，产生同等制冷量所需的驱动热源加热量减少，即双效机组的 效率比单效机组提高近一倍。 为了高效率和蓄能，推荐采用双效和单效耦合运行的溴化锂吸收式制冷机m 】，双 效蒸汽型和单效热水型两用板壳式溴化锂吸收式制冷机系统原理图如图2 2 所示： 臣羽 区图 臣圜 臣二 图2 2 双效单效两用溴化锂吸收式制冷机流程 9 东南大学硕士学位论文 图2 3 双效单效两用溴化锂吸收式制冷机样机图片 双效单效耦合溴化锂吸收式制冷机跟普通的双效溴化锂制冷机相比，多了一个热 水低压发生器，该换热器的传热面布置在低压发生器传热面的上方，两部分传热面均 采用喷淋式结构，可避免沉浸式结构因液柱而造成发生效率降低的问题。图2 - 2 中的 v 1 阀和v 2 阀用于双效与单效的切换，当双效运行时开启v 1 阀并关闭v 2 阀，单效 运行时关闭v 1 阀并开启v 2 阀。 在制冷剂回路中，高压发生器中产生的冷剂蒸汽在低压发生器中加热溶液后，凝 结成冷剂水，经节流减压后进入冷凝器，与低压发生器中产生的冷剂蒸汽一起被冷凝 器管内的冷却水凝结成冷剂水。显然，与单效循环相比，双效循环减少了冷凝器的冷 却负荷。 冷凝器中的冷剂水经u 形管节流后进入蒸发器，喷淋在蒸发器传热面上吸取管内 冷水的热量，在蒸发压力舶下蒸发，使冷水温度降低，达到制冷的目的。蒸发器中产 生的冷剂蒸汽流入吸收器，完成了双效制冷循环的制冷剂回路。 如图2 2 所示，溶液回路按串联流程工作，自高压发生器流出的中间溶液经高温 热交换器进入低压发生器，低压发生器出口的浓溶液进入低温溶液热交换器，在其中 加热进入高压发生器的稀溶液，温度降低后直接喷淋在吸收器传热面上，吸收来自蒸 发器的冷剂蒸汽。从而维持蒸发器中较低的蒸发压力，使制冷过程得以连续进行。在 1 0 第二章双效，单效耦合太阳能溴化锂吸收式空调系统 管( 板) 内冷却水的冷却下，浓溶液吸收水蒸汽后温度、质量分数降低为稀溶液。流 出吸收器的稀溶液由溶液泵升压，按串联流程先后经过低温、高温溶液热交换器，凝水 热交换器送往高压发生器。这样，便完成了双效循环的溶液回路。 质量分数f 图2 4 串联流程双效溴化锂吸收式制冷循环 图2 - 4 为上述双效吸收式制冷循环在溴化锂溶液厅 图上的表示， 自吸收器流出的稀溶液，经溶液泵输送，以串联方式先后进入高、低压发生器。 整个制冷循环由下列过程组成： 2 7 7 h 线为吸收器流出的点2 状态的稀溶液，在溶液泵的输送下，先后进入低温 溶液热交换器和高温溶液热交换器，受到低压发生器和高压发生器出来的浓溶液的加 热。溶液的温度升高，质量分数不变。 7 n - 5 h 4 h 线为高温溶液热交换器流出的稀溶液进入高压发生器，被管内工作的蒸 汽加热，温度升高，先达到高压发生器工作压力b 下的汽液相平衡状态点5 h ，然后 沸腾，产生点3 1 - i 状态的冷剂蒸汽。溶液的温度、质量分数相应升高，过程终了达到 点4 h 状态，其质量分数为矗，通常成为中间溶液。 4 h 8 h 线为高压发生器流出的中间溶液，经高温溶液热交换器，把热量传给稀溶液， 温度下降而质量分数不变。达到点8 h 状态不变。 8 h 5 - 4 线为点8 h 状态的中间溶液进入低压发生器，被来自高压发生器的点3 1 t 状 态的冷剂蒸汽加热，先达到r 压力下的汽液相平衡状态点5 ，然后发生出点3 状态的 冷剂蒸汽。过程终了溶液达到点4 状态。 东南大学硕士学位论文 4 - 8 线为低压发生器流出的浓溶液在低温溶液热交换器中的冷却过程。溶液温度 降低，质量分数不变。 3 h ，3 h 线为高压发生器的冷剂蒸汽在低压发生器传热面内的冷凝放热过程。过程 终了成为与压力a 相对应的点3 h 状态的冷剂水。 3 h - 3 线为低压发生器管内冷剂水进入冷凝器的节流、冷却过程。过程终了成为点 3 状态的冷剂水。 3 - 3 线为低压发生器的冷剂蒸汽在冷凝器中的冷凝过程。在冷凝器管内冷却水的 冷却下，被凝结成点3 状态的冷剂水。 3 1 线为冷凝器中的冷剂水进入蒸发器的节流、蒸发过程。点3 状态的冷剂水节 流进入蒸发器后，压力降低至珈，但焓值不变，蒸发时吸取蒸发器管束内冷水的热量 而制冷，成为点1 状态的冷剂蒸汽。 当聚光型太阳集热器发生的蒸汽压力低于o 2 5 m p a ( 表) ，蓄能罐温度低于1 3 9 时，制冷机按单效运行，关闭图2 1 中的v 1 阀，从吸收器流出的稀溶液经低温溶液 热交换器升温后直接喷淋在热水低压发生器传热面上，制冷机热源由蓄能罐热水提供。 当蒸汽发生量较少时，单独运行双效循环的制冷量达不到需求时，也可同时投入热水 驱动的单效制冷循环。结构上将热水低压发生器和二效蒸汽低压发生器上下布置在装 置的同一侧，这样，吸收器中的稀溶液经过低温溶液热交换器加热后就可依次喷淋在 这两个低压发生器上，以实现双效单效分别运行或同时运行。 当有制冷需要且蒸汽压力低于0 2 5 m p a ( 表) 、而蓄能罐内热水温度在1 4 0 8 5 之间时，制冷机热源切换为热水，按单效循环运行，启动热水泵p 2 并打开v 2 阀。机 组工作时，从吸收器流出的稀溶液，经溶液泵升压流进低温溶液热交换器进入热水低 压发生器。稀溶液在低温溶液热交换器中被来自低压发生器的浓溶液加热，再在发生 器中被作为驱动热源的热水加热，浓缩成浓溶液。从发生器流出的浓溶液，在压差和 位差的作用下，经低温溶液热交换器进入吸收器。浓溶液在低温溶液热交换器中向来 自吸收器的稀溶液放热，再在吸收器中吸收来自蒸发器的冷剂蒸汽，稀释成稀溶液， 同时，向冷却水放出溶液的吸收热。这样，完成了单效溴化锂吸收式制冷循环的溶液 回路。在发生器中产生的冷剂蒸汽，流入冷凝器，在其中向冷却水放热，凝结成冷剂 水，经u 型管节流进入蒸发器。冷剂水在蒸发器中蒸发，同时向冷水吸热，使之降温 而产生制冷效果。在蒸发器中产生的冷剂蒸汽，进入吸收器，完成了单效溴化锂吸收 式制冷循环的制冷剂回路。 第三章双效单效耦台溴冷机的静态仿真与可视化程序开发 第三章双效单效耦合溴冷机的静态仿真与可视化程序开发 众所周知，计算机模拟已经成为研究吸收式制冷机热力循环模型的重要手段。通 过计算机模拟，不仅可以迅速计算出吸收式制冷机各状态点的参数，研究参数之间相 互匹配的关系，还可以进行参数优化等。吸收式制冷机模拟程序不但能减少吸收式制 冷机设计所花的时间和费用，而且在吸收式制冷机制造之前可以观察到离线操作。模 拟不稳定的波动可以分析开始过程，操作条件的变化。最优性能的设计也要求系统与 各个装置的时间和稳定性特征的支持。吸收式制冷机模拟的第一步是用数学关系来阐 述吸收式制冷机的操作这可以通过吸收式制冷机系统的各个组件的模型来得到，也就 是对发生器、冷凝器