氨水吸收式制冷系统的内部回热研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文氨水吸收式制冷系统的内部回热研究专业：制冷及低温工程博士生：杜帅导师：王如竹上海交通大学机械与动力工程学院2015年06月`ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorRESEARCHONINTERNALHEATRECOVERYOFAMMONIAWATERABSORPTIONREFRIGERATIONSYSTEMSSpecialty:RefrigerationandCryogenicsEngi

2、neeringAuthor：ShuaiDuAdvisor：RuzhuWangSchoolofElectronicsandElectricEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaJune,2015摘要氨水吸收式制冷系统的内部回热研究摘要随着人类生活水平的提高，制冷空调在工业和民用领域越来越普及，在带来生产和生活便利的同时，也带来了相当大的能耗。吸收式制冷系统可由太阳能、工业废热和地热等低品位热源驱动，大大降低了电力消耗，并且提高了总的能源有效利用率。相比于溴化锂-水吸

3、收o式制冷系统，氨水吸收制冷具有蒸发温度可低于0C、正压易维护、无结晶危险和易实现风冷等优点，其缺点主要有系统性能低、需精馏过程、系统体积大和初始投资高等。而系统的内部回热能够有效提高系统性能，本文对氨水吸收式制冷系统的内部回热进行了深入的理论、数值与实验研究。以低蒸发温度工况为例，使用温度-热负荷（T-Q）图示方法，利用夹点技术推导出了氨水吸收式制冷系统的最优回热循环，其特点是泡点加料、浓溶液分流进行精馏热回收、高温部分的稀溶液用于气体发生过程。不同工况下对应着的最优回热循环并不是唯一的，当吸收过程和发生过程有温位重叠时，最优回热循

4、环为GAX循环。确认了饱和加料条件和降低背景过程曲线口袋内的热流量是系统内部回热的关键点。对两级氨水吸收系统进行了最优回热循环研究，结果表明了夹点分析方法对氨水吸收系统的普适性。采用热力学第一定律分析了最优回热循环的性能，以及与传统循环性能的比较。最优回热循环的性能提高效果非常明显，随着高温温I摘要度的上升，最优回热循环的性能提高比增大；随着中温温度的上升，最优回热循环的性能提高比先增大后减小，说明存在一个最优中温温度使得性能提高比最优；随着低温温度的上升，最优回热循环的性能提高比先减小，在采用GAX循环后迅速增大。在稳定的工况范围内

5、，最优回热循环相比于传统循环的性能提高20%以上。回热潜力比可以直观有效的看出最优回热循环相比于传统循环的回热潜力。热力学第一定律从数量上说明了最优回热循环性能的提高。采用卡诺因子-热负荷（η-Q）图清晰地表示各个换热过程的损失。通过比较，最优回热循环通过良好的循环构建降低了各传热过程的温差，使得能量得到有效利用，从而降低了系统的总体损失。指出了传统氨水吸收制冷系统分析的不足，分析了可避免的损失中应包含因循环构建引起的损失。量化分析结果表明最优回热循环的内部换热过程损失高于传统循环，而外部传热损失小于传统循环。由于热源平均温度和环境

6、温度不变，最优回热循环减小的损失完全是由于最优回热循环构建而引起的。热力学第二定律从本质上说明了最优回热循环性能提高的原因。根据研究的工况，提出了简化后能够应用于实际系统的多股流热集成结构。为了研究内部传热传质机理以及结构的有效设计，对此热集成结构进行了数值模拟。基于双膜理论建立了物理模型和数学模型，模型同时考虑了气相和液相的传热传质阻力。使用有限差分法，编制计算机程序求解数学模型中的非线性方程。此热集成结构的长度和进出口条件以及沿结构长度气相和液相的温度分布和浓度分布可以由数值结果中获得。数值计算结果表明传热阻力主要集中于气相，而传

7、质阻力主要集中于液相。因此，传热强化应关注气相而传质强化应关注液相。满足传热的结构热设计同样满足传质的要求。II摘要根据提出的简化后的回热优化循环，使用螺旋管式换热器构建了新的热集成结构，对回热优化热集成结构进行了实验研究。设计了单压氨水吸收式制冷系统，实验台的构造可以模拟实际系统的高压部分。稳态实验结果表明，热集成结构可以有效的运行，各部件功能完成情况良好，分流比的控制和散热损失影响了系统的换热过程和性能。实验结果验证了此多股流热集成结构的可行性和有效性。为了验证回热优化循环应用到实际系统的可行性与可靠性，根据回热优化循环设计了渔船

8、发动机尾气余热驱动的氨水吸收冷冻样机。冷冻机还充分考虑了船舶应用时摇摆、震动、腐蚀和空间不足的情况。根据热平衡设计了测试系统。实验结果表明冷冻机组能够长时间平稳运行，发生方式可适应发电机尾气温度的剧烈变化，精馏效果良好，