扩散吸收式热变换器的理论和实验研究

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吸收式热变换器作为提升温度品位的重要手段,可以有效实现低品位热能的回收再利用,对于实现工业生产生活中的节能减排降耗具有很大的应用潜力,但是目前几乎所有的吸收式热变换器仍然需要机械泵消耗电能来产生和维持系统的压力差,需要额外的极高品位的电能补充才能实现低品位热能的回收利用,并不完全符合低品位能源驱动的宗旨。本文通过总结吸收式热变换器的概况和发展,借鉴相关研究经验,并结合扩散吸收制冷系统的原理提出扩散吸收式热变换器,其具有完全热驱动而无需电力的特点,用热虹吸效应的气泡泵取代传统电力驱动的机械泵,可以实现无运动部件的高稳定性和可靠性,对低品位余热的回收利用意义重大。同时为了解决传统吸收式热变换器使用LiBr为工质时的设备易腐蚀问题,本文创新性地采用了HCOOK作为制冷剂吸收剂,HCOOK具有成本低、腐蚀性小、环境相容性好等优点,实际应用前景广阔。本文以R134a为扩散气体,TEGDME为扩散气体吸收剂,H2O为制冷剂,LiBr或HCOOK为制冷剂吸收剂,对扩散吸收式热变换器开展了理论和实验研究,主要内容与结论如下:(1)首次建立了扩散吸收式热变换器完整的热力学模型,其中工质的物性和相平衡性质根据不同工质特性分别采用了理想气体模型、改进的PT方程法和电解质NRTL模型等方法来进行计算,并建立了整体的气泡泵模型用于指导扩散吸收式热变换器实验装置的设计。(2)对扩散吸收式热变换器进行了详细的循环性能分析,考察工质流量、浓度、温度等参数对系统性能的影响。在扩散气体发生温度、制冷剂发生温度、蒸发温度均为90°C,冷凝温度和低温吸收温度均为30°C,高温吸收温度为120°C的工况下,发现可以通过调节适当的制冷剂发生器流量比、溶液浓度在采用LiBr或HCOOK作为制冷剂吸收剂可分别实现0.1701和0.1693的最大COP,且HCOOK相比LiBr作为制冷剂吸收剂时的系统性能略差。分析结果表明,在其它量保持不变的前提下,冷凝温度、低温吸收温度和高温吸收温度越低,扩散气体发生温度、制冷剂发生温度和蒸发温度越高,系统COP也越大。(3)根据扩散吸收式热变换器循环性能的计算结果,设计并搭建了以HCOOK为制冷剂吸收剂的扩散吸收式热变换器实验装置,经过多次调试和改进最终实现了实验装置稳定而良好的运行。在该实验装置上可以开展扩散气体发生吸收性能实验、气泵模拟扩散吸收式热变换器温升性能实验和全热驱动扩散吸收式热变换器温升性能实验等多个实验,全方位验证扩散吸收式热变换器的各类性能。(4)在扩散气体发生吸收性能实验中,通过调节扩散气体发生器加热功率和气泡泵运行个数实现了扩散气体流量0.0850.428g/s的连续调节,发现了扩散气体发生器加热功率的增加可以使扩散气体流量、提升的TEGDME溶液流量、扩散气体发生温度和压力都增加,而气泡泵提升效率减小。同时为了提高扩散气体的发生效率,应尽量运行较少个数的气泡泵来满足所需的扩散气体流量。(5)气泵模拟扩散吸收式热变换器温升性能实验在蒸发器温度为99.5111.0°C的热源输入条件下可以实现最高达17.6°C的系统极限温升,全热驱动扩散吸收式热变换器温升性能实验在蒸发器温度为115.0125.4°C的热源输入条件下可以实现最高达11.8°C的系统极限温升。两部分实验的温升变化规律类似,提高蒸发器加热功率、适当减小HCOOK溶液流量、提高HCOOK溶液浓度、降低系统压力降低或者蒸发温度都有利于提高系统的温升效果。(6)通过提取部分实验数据,使用构建的扩散吸收式热变换器热力学模型预测了80组高温吸收器内的最高温度,预测值和实验测量值的偏差较小,所有数据中有92.5%的偏差值在4°C以内,有63.75%的偏差值在2°C以内,说明本文构建的理论模型具有较高的准确性和可靠性,可用于指导扩散吸收式热变换器的设计计算和性能预测。
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