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《大连理工大学》 2013年
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高温吸收式热变换器热力学和传递性能研究

郝兆龙  
【摘要】:能源紧缺和全球变暖已经引起世界各国政府和学术机构的高度关注,提高能源利用率、减小单位产值能耗已经成为世界范围内能源战略的重点之一。吸收式热变换器(Absorption heat transformer, AHT)作为热泵技术的一种,主要以废热源为驱动将低品位能量提升温度后重新利用,是一项节能环保的余热回收利用技术,具有广阔的市场和应用前景。为了扩展AHT技术工业余热回收利用的温度范围,实现高温热量的梯级利用,本文对高温吸收式热变换器(High temperature absorption heat transformer, HT-AHT)的热力和传递进行了较为系统的理论分析和实验研究。 建立高精度高温溴化锂溶液相平衡实验系统,实验测定水和溴化锂溶液相平衡饱和蒸汽压与文献值吻合较好。测定了温度范围为156.06-257.84℃,浓度为43.14%、52.67%、54.26%、59.33%和65.26%的溴化锂溶液相平衡饱和蒸汽压数据,并对实验数据进行拟合,得到高温范围溴化锂溶液相平衡P-T-X计算式,为工业应用中运行在高温范围(150-250℃)吸收式系统的设计和运行扩展了溴化锂溶液基础物性数据的范围。 提出(?)平衡-能级分析方法并建立了HT-AHT循环热力学模型,应用能级差表征能量传递过程中不可逆因素强度,将系统能量传递过程中(?)损失的数量因素和不可逆因素((?)损失机理)剥离,对系统(?)损失分布及机理进行全面的分析。结果表明,吸收器是(?)损失最大部件,大约占系统总(?)损失40-50%,其进出口流体温度差引起的不可逆因素占主导且受操作温度影响较小;其次是再生器,大约占10-40%,其进出口溶液浓度差引起的不可逆因素占主导,且受操作温度影响较大。低温工况下系统性能系数(COP)和(?)性能系数(ECOP)分别为0.25-0.48和0.4-0.7;高温工况下系统的COP和ECOP分别为0.4-0.46和0.8-0.9,HT-AHT在热力学第一和第二定律性能方面都明显优于常规温度下AHT系统。提出了HT-AHT-HP(高温吸收式热变换器-热泵联合循环)对高温热源能量梯级利用策略,在给定工况条件下,大约46%输入能量以205℃高温输出,98%输入能量以70℃的中温输出;高温输出(?)值占输入(?)的49%,中温输出(?)值占30%,实现了高温热源能量利用效率的最大化。 应用VOF (Volume of Fluid)方法建立了三维功能涂层管外降液膜流动的CFD(Computational Fluid Dynamics)模型。模型中引入了表面张力动量源项来考察壁面疏水性对降液膜过程的影响。结果表明,液膜在涂层上端交界处形成积液环,达到一定厚度后以滴状流和溪流方式通过涂层区域,在涂层下端交界处液膜重新铺展为薄液膜形式。在积液过程、溪流过程和重新铺展过程中,液膜内部在轴向和径向两个方向实现了有效地扰动掺混。设计了两种涂层构型并对其降膜流动形态和内部流场进行分析,结果表明积液环液膜通过导流区域汇合后,#1构型涂层液膜重新分流为两条溪流,有效的减小了积液环厚度且增加了液膜润湿面积;#2构型涂层液膜再一次发生积聚过程,溪流厚度进一步增加,该过程进一步增强了径向方向液膜内部掺混作用。两种优化构型在液膜内部流场方面均实现了强制掺混的目的。实验考察了光滑管和优化设计功能涂层构型管传热传质特性,结果表明,#1和#2涂层管总传热系数较光滑管分别提高了21.47%和24.25%。 设计和建立了HT-AHT实验系统,经过调试运行该实验样机各项性能指标均达到设计要求。其主要部件在150-205℃的高温高压操作,系统温升大于40℃,并辅以表面抗蚀技术,实验过程中系统设备没有明显腐蚀现象。实验结果表明:随着蒸发温度增加,COP和Qa(吸收器热负荷)增加;随着吸收温度增加,COP和Qa先增加后减小;随着再生温度增加,COP和Qa先是增加后略微减小;COP和Qa随着系统温升增加而减小;随着蒸发温度和吸收温度的增加,ECOP先增加后减小;随着再生温度增加,ECOP整体上呈现增加的趋势;当系统温升增加时,ECOP开始略微增加而后急剧减小。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TQ051.5

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【参考文献】
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