工质对吸收式制冷系统性能的影响研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.目的及意义

目前，全球变暖、能源危机和环境污染问题日益突出，迫切需要推行节能与环保技术。利用热驱动制冷技术，替代需要耗费大量电力和制冷剂的传统电驱动压缩式技术，能够有效降低能源消耗和减少臭氧层破坏，具有节约能源、保护环境的双重作用。热驱动制冷技术包括吸收式制冷、喷射式制冷、吸附式制冷和热电制冷等，其中吸收式制冷是目前应用最为广泛的热驱动制冷技术。以H₂O-LiBr为工质对的吸收式制冷系统从研制初始到今天已有八十多年的历史,在这几十年的时间里,溴化锂吸收式制冷行业蓬勃发展,在技术上变得越来越成熟。众所周知,在当今能源短缺的时代,提高能源的利用率是节约能源的一项重要举措。但是,由于在使用技术上存在缺陷,使得能源的利用率普遍偏低,大量的余热、废热无法得到有效的回收利用,造成了能源的大量浪费。溴化锂吸收式制冷在低品位能源的利用上有着很大优势,从而吸引了众多学者对溴化锂吸收式制冷进行研究。目前大部分商用船舶均采用内燃式的柴油机作为主推动装置以及发电原动机。在船舶航行或靠港装卸货期间,大型船舶主机及发电柴油机的排烟温度根据机型的不同,在经过涡轮透平增压器及废气锅炉后仍然高达150~200℃;其中蕴含着大量废热,约含燃油发热量的10%~20%，吸附式制冷技术摒弃了传统制冷概念,不用压缩机、不耗电、没有氟利昂,利用排放的余热、废热,属于梯级循环利用能源。可以较为有效的节省能源，提高能源的利用率，特别是在海上执行远航任务时,为满足船舶上的日常生活需求,制冷是必不可少的，制冷不仅可以保证船舶上食物的新鲜,还可以在温度较高的环境下保障船员生活的舒适性。当今,船舶上的制冷很多是通过辅机来提供,这样不仅会增加成本，而且也减少了航行里程数。吸收式制冷循环可以利用热量来转换成冷量，很好的解决了这一问题。溴化锂吸收式机组主要特点为:以各种低品质热能为动力,且可回收利用各种各样的低品质热能,如低压蒸汽、热水、烟气、导热油、多组分介质等，安全环保,机组采用溴化锂溶液为吸收液,水为制冷剂;运转部件少，易损件少,维护保养方便,振动小,噪声低;放置场所要求低,可根据项目改造情况灵活放置;智能化控制,可实现机房无人管理;可根据低品质热能实际情况进行“量身定制”,实现最佳的解决方案。提高吸收式制冷系统的余热回收率，可使能源消耗量降低，具有重要意义。因此针对不同工质、工况等因素对吸收式制冷系统的影响进行数值模拟，得出工质对吸收式制冷系统性能的影响规律。^[1-6]

1.2选题的意义：

在能源紧缺和环境严重污染的背景下,节能减排引起了各行各业的重视。远洋运输是国际贸易往来的主要运输方式,船舶不仅需要消耗巨大能源,而且其排放物对环境也造成了很大的污染。吸收式制冷技术作为一项成熟的制冷技术,具有可利用废热、制冷系数高、工质对环境无污染等优点，并且，船舶余热资源丰富,假若可以将陆地研究成果船用化,对节能减排、保护环境都具有具有重大意义。首先，船舶柴油机热量输出除燃油输出外，其他热量都以废气、冷却水、增压后空气、润滑油等废热的形式向环境大气中释放,不仅浪费资源,而且对环境造成了恶劣的影响。其次，船上大量设备有丰富的余热，其利用的方法和途径很多，主要为辅锅炉的余热利用、柴油机排气或内循环水余热利用。柴油机的排气属于中温余热。常见的大功率柴油机排气温度可达到300～450℃，冷却水温度可达70～95℃;低速柴油机排气温度相比大功率柴油机要低，一般可达到300～400℃，冷却水温度可达65～80℃^【7】，日本神户商船大学和大阪大学工学院分别对65000t散货船、35000t集装箱船两艘所使用的大功率柴油机进行了热平衡分析，其结果见表1^[8]。根据分析结果我们可以得到，船舶柴油机的排气余热量是可观的，其热量主要被排气和冷却水损失，而这些被损失掉的热量用来驱动吸收式制冷设备是足够的，是可以实现的。并且LiBr-H₂O和LiCl-H₂O吸收式制冷系统，溴化锂和氯化锂吸收式制冷有以下主要特点：（1）安全可靠，因为这两种工质是在真空环境下工作的，不会产生爆炸等危险。（2）环保无污染，温度适应范围广，因为LiBr和LiCl沸点都比水高1000℃以上，发生器工作稳定。（3）性能稳定，极易溶于水，不易挥发变质，符合绿色发展理念和节能环保等相关要求。对吸收式制冷系统进行不同工质在不同工况下的性能分析，找到最佳运行状态可以达到充分利用能源，保护环境，增加经济效益的目的。

表1.船舶热平衡分析（单位%）

1.3国内外现状：

1.3.1吸收式制冷现阶段热门问题：

吸收式制冷作为一项成熟的制冷技术，诞生至今也有100多年的历史了。随着时代的发展，吸收式制冷已经成为制冷行业重要的发展方向之一。众多学者对吸收式制冷相关课题研究很感兴趣，也有很多论文发表出来。大连海事大学相关学者一直分析研究将吸收式制冷陆地技术成果船用化,利用丰富的船舶余热(柴油机冷却水、柴油机排气)资源作为驱动热源，并且进行了技术性和经济性分析；^[9-10]上海交通大学陈金锋致力于研究解决太阳能空调系统长时间运行的连续性和稳定性问题，基于收式与蒸汽压缩式系统冷量与热量的同步耦合方式，提出了蒸汽压缩式热泵驱动溴化锂浓度差蓄冷的新循环；^[11]石化行业产生的大量余热同样可以用来驱动吸收式制冷，对此提出石化企业低温热能综合利用的策略^[12]；华北电力大学研究了频率为28kHz超声波在溴化锂溶液两种不同液位高度下对机组性能的影响，并得出施加超声波作用可以强化溴化锂吸收式制冷机性能，且强化效果与溶液液位有关；^[13]西安交通大学对烯烃类制冷剂R1234ze (E)与离子液体组成的工质对在单效吸收式制冷循环中的热力学性能和制冷循环性能展开了研究；^[14-15]关于利用太阳能辐射能量驱动吸收式制冷研究也很多，而且为了弥补太阳能由季节天气因素带来的缺陷，同样有学者研究如何在太阳能充足的时候把多余的能量存储起来，以便在太阳能不足的时候释放出来。

1.3.2吸收式制冷工质对的研究现状和发展趋势：

吸收式制冷工质对是吸收式制冷技术的核心组成部分，工质对的选择以及性能改善优化都关系着整个吸收式制冷行业的发展方向，工质对研究的每次突破也极大地推动吸收式制冷行业的发展。目前，吸收式制冷工质对根据实际要求：（1）制冷剂具有较高的蒸发潜热以及合适的工作压力范围;（2）吸收剂的粘度、比热较小，吸收制冷剂的能力很强,在相同的压力下，制冷剂的沸点温度远远低于吸收剂的沸点温度;（3）制冷剂和吸收剂都有很高的化学稳定性，无燃烧、爆炸危险,对人体和环境友好，且价格便宜、易获得；(4)制冷剂在吸收剂中具有较高的溶解度、较低的混合热和比热容。根据这些要求，将吸收式制冷工质按照制冷剂进行分类，主要分为五类：氨系、水系、醇系、氟系以及其它类工质对^[16]。我们这里主要对水系制冷剂进行分析。

1.3.3水系制冷工质对的研究进展

水系的制冷工质是目前热门研究课题之一。与NH₃作为制冷剂相比，采用LiBr-H₂O或LiCl-H₂O有较低的工作压力，溴化锂吸收式制冷机具有安全可靠、性能稳定、冷量调节范围宽、热效率高、能耗低、机组运行安静、无污染和利用低品位能源的优点^[7,17]。缺点是溴化锂溶液对金属的腐蚀性很强，不仅影响机组的寿命，而且腐蚀产生的H₂属于机组的不凝性气体,严重影响到机组的性能，溴化锂溶液对金属的腐蚀速度随着溶液浓度和温度的增加而增大^[18]；不能制取0℃以下的温度；溴化锂工质还受到溶解度和结晶线的限制,难以实现空冷；溴化锂溶液的传热传质系数小，所需的换热面积比较大，目前学者对水系制冷工质的研究主要是：尝试改善已经实用化LiBr-H₂O吸收式制冷机系统的缺陷，另外是多组分多元化系统的研究。^[16]

1.3.4吸收式制冷机工作过程及工质介绍：

吸收式制冷机的工作过程是，工质在发生器中被加热，分离出冷凝蒸气，在冷凝器中凝结成液体，经节流后进入蒸发器吸热蒸发并进行制冷。在吸收器中，冷凝蒸气被来自发生器的另一部分工质（吸收剂）所吸收，然后由溶液泵输送，重新进入发生器。吸收式制冷机中，能量的补偿部分可称为“热化学”压缩，因为它的制冷工质是利用溶液的热力性能来实现“化学”压缩的。吸收式制冷机的工质除了制冷剂外，还需要有吸收剂。制冷剂用来产生冷效应，吸收剂用来吸收产生冷效应后的冷剂蒸汽，以实现对制冷剂的“热化学”压缩过程。制冷剂与吸收剂组成工质对。吸收式制冷机的工质通常是一种二元溶液，它是由沸点不同的两种物质所组成的。其中，低沸点的组分用做制冷剂，高沸点的组分用做吸收剂。吸收式制冷机对制冷剂的要求和压缩式制冷机基本相同，例如蒸发潜热大、工作压力适中、成本低、毒性小、不爆炸及不腐蚀等。对吸收剂则要求具有如下的一些特性：(1)在压力相同的条件下，它的沸点比制冷剂高，而且相差越大越好。这样，在发生器中蒸发出来的制冷剂纯度就高，有利于提高制冷机的热力系数;(2)具有强烈地吸收制冷剂的能力，具有吸收比它温度低的冷剂蒸气的能力; (3)无臭、无毒、不爆炸、不燃烧、安全可靠; (4)价格低廉，容易获得; (6)对普通金属材料的腐蚀性小。溶液中两种组分沸点相差大则是很必要的，不然就不可能用做吸收式制冷机的工质。二元溶液根据两个组分沸点相差的程度，可分成如下三类：(1)两个组分沸点相差很大，溶质可看做是不挥发的。在溶液沸腾时，它的气相只是低沸点组分，例如溴化锂水溶液。(2)两个组分的沸点相差不大。当溶液沸腾时，它的气相中除了沸点较低的组分外，还包含有沸点较高的组分，例如氨水溶液。(3)共沸溶液。在吸收式制冷机中产生冷效应的是制冷剂，如果制冷剂的成分不纯(含有吸收剂的成分)就会影响制冷效果。因此，采用第一类溶液作为工质效果最佳。采用第二类溶液作为工质时，则必须通过蒸馏的方法来获得纯的制冷剂成分。第三类溶液，其气一液两相的成分相同，不能采用蒸馏的方法获得纯组分，因此这类溶液不能用做吸收式制冷机的工质。吸收制冷必须包括发生、冷凝、蒸发和吸收这样四个过程，系统中设有四个主要设备：发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器。溴化吸收式制冷机的工作过程包括两个部分:一部分是发生器中产生的冷剂蒸气在冷凝器中凝结成冷剂水，经节流后进入蒸发器，在低压下吸热蒸发，产生冷效应;另一部分是从发生器出来的浓度较高的溴化溶液，经节流和冷却，在吸收器中吸收产生冷效应后的冷剂蒸气，使制冷过程不断进行。溴化锂溶液吸收冷剂蒸气后，浓度降低，由溶液泵输送，重新进入发生器。

1.3.5吸收式制冷系统的国内研究现状：

大连海事大学相关学者一直分析研究将吸收式制冷陆地技术成果船用化，利用丰富的船舶余热(柴油机冷却水、柴油机排气)资源作为驱动热源，并且进行了技术性和经济性分析^[9-10]；上海交通大学相关学者一直致力于研究解决太阳能空调系统长时间运行的连续性和稳定性问题，陈金锋基于吸收式与蒸汽压缩式系统冷量与热量的同步耦合方式，提出了蒸汽压缩式热泵驱动溴化锂浓度差蓄冷的新循环，新循环在蓄冷过程中除热泵系统外无需其他形式的能量输入,蓄冷过程不受环境条件影响和制约，蓄冷能量密度大且热损小。通过该循环可以实现削峰填谷，保证太阳能空调系统长周期运行的连续性和经济性，新循环在蓄冷过程中除热泵系统外无需其他形式的能量输入，蓄冷过程不受环境条件影响和制约,蓄冷能量密度大且热损小，通过该循环可以实现削峰填谷，保证太阳能空调系统长周期运行的连续性和经济性^[11]；徐震原针对化石燃料燃烧所得能量品位高，采用单效溴化锂-水吸收式制冷机为冷量输出单元的系统在使用额外热源时，存在很大的能源品位浪费问题，提出这种品位浪费可以通过采用单/双效吸收式制冷机来解决，即系统在太阳能驱动下以单效吸收式制冷模式运行，在燃气驱动下以双效吸收式制冷模式运行，并对一个太阳能/燃气驱动单/双效吸收式供能系统进行了实地运行分析，得到了系统一整年的运行情况。系统的两种模式均可以稳定运行，太阳能驱动模式可以达到0.62的COP，相比纯燃气驱动系统整年燃气消耗量减少50.3%。^[23]石化行业产生的大量余热同样可以用来驱动吸收式制冷,对此提出石化企业低温热能综合利用的策略^[12]；华北电力大学研究了频率为28kHz超声波在溴化锂溶液两种不同液位高度下对机组性能的影响，并得出施加超声波作用可以强化溴化锂吸收式制冷机性能，且强化效果与溶液液位有关；^[13]西安交通大学对烯烃类制冷剂R1234ze(E)与离子液体组成的工质对在单效吸收式制冷循环中的热力学性能和制冷循环性能展开了研究；^[14-15]关于利用太阳能辐射能量驱动吸收式制冷研究也很多，而且为了弥补太阳能由季节天气因素带来的缺陷，同样有学者研究如何在太阳能充足的时候把多余的能量存储起来，以便在太阳能不足的时候释放出来。

1.3.6国外发展现状：

José C. Martínez, P^[20]等人基于热能驱动循环的空调系统的循环利用可再生能源或工业过程中产生的余热的问题，在尺寸和性能方面对这些系统进行了模拟，针对17.6 kW Yazaki WFC-SC5单效LiBr–H₂O吸收式制冷机在EES环境下开发了一个仿真模型，在研究中，考虑了每个热交换器的传热面积和系数，循环溶液的流量以及LiBr–H₂O溶液的性质，创建模型后，将使用真实数据来验证获得的结果，将会提供真实数据和模拟数据之间的高度相关性。

A.A.V. Ochoa^[24]等人在2016年对单效LiBr-H₂O吸收式制冷机进行动态分析，在Matlab平台上建立了基于质量守恒，能量守恒和物质守恒的数学模型，该模型考虑了吸收式制冷过程的对流系数的相关性，从而确定了冷水机热交换器的整体传热系数，并通过使用有限差分法解决了非线性方程组，该模型具有模拟和预测内部和外部参数（例如温度，浓度和压力）在电源和热负载中断时的行为的能力，通过水回路中的实验数值验证模型时发现的最大绝对差分别为热水，冷水和冷水分别约为1.0°C，0.7°C和0.2°C。就相对误差而言，这些差异表示最大为5％，最小为0.3％。该模型再现了温度参数和性能系数（COP）的变化，并与制造商提供的COP数据进行了比较，在负载和电源受到干扰时显示出良好的结果，在工作条件下约为0.7。

A.A.V. Ochoa^[25]等人在2017年提出：吸收系统为制冷空调领域的机械压缩系统提供了一种经济替代能源的替代方法。他们通过对LiBr-H₂O单效吸收式制冷机热物性和对流系数的修正，研究了当总传热系数随时间变化时，单效吸收式制冷机的瞬态性能,为了确定制冷机换热器的总传热系数和制冷过程（解吸、吸收、冷凝、蒸发）的对流系数之间的关系，建立了基于质量守恒和能量守恒的热力模型。该模型在实际运行条件下进行了试验，考虑到整个过程的总传热系数是恒定的，结果表明，冷水回路的相对误差小于15%，冷水回路的相对误差小于2%。当在整个过程中考虑可变总系数时，这种差异显著下降，这些误差约为5%和0.3%，所有水回路中都有百分比下降。

Jatin Patel^[26]等人根据第一定律和第二定律，对单效LiCl-H₂O蒸汽吸收冷却系统进行了热力学分析。从热力学理论导出的数学模型，应用于工程方程求解器进行计算。结果表明，吸收塔和发电机的系统（）破坏最大，泵和膨胀阀的系统（）破坏最小。在相同的操作条件下，对LiCl-H₂O和LiBr-H₂O吸收系统的性能进行了比较。结果表明，在蒸汽吸收冷却系统中，LiCl-H₂O工质对的热力学性能优于LiBr-H₂O工质对。

D. Konwar^[27]等人对双效LiBr-H₂O蒸气吸收式制冷系统的串并联和逆并联结构进行了热力学建模，比较了三种系统在相同工况下的性能。通过参数分析，研究了组件温度和分布比对双效变容管结构性能系数（COP）的影响。结果表明，在水-氯化锂溶液中，最大溶液浓度控制在0.5以内，主要受系统工作温度的控制。对于平行和反向平行体系，最大溶液浓度也取决于分配比。研究发现，在特定双效LiCl-H₂O系统的COP最大时，存在一个HPG与低压发生器（LPG）温度的最优组合。然而，这种最佳组合随其他部件（吸收器、冷凝器和蒸发器）的温度而变化。在相同条件下，双效LiCl-H₂O和LiBr-H₂O系统的性能比较表明，双效H₂O-LiCl变容管结构的性能更好。由于其较低的最大浓度限值（0.5比0.65的LiBr-H₂O VARS），双效LiCl-H₂O VARS配置比LiBr-H₂O系统更为合适和高效，尤其是在液化石油气和高性能燃气温度应用中。

Dheerendra Vikram Sing^[28]等人采用人工神经网络(ANN)对LiBr-H₂O单级吸收式制冷循环进行能量分析。用人工神经网络模型导出的方程组代替了复杂的微分方程和有限的实验数据，得到了更快、更简单的解。从所得结果来看，计算的热力学性质在可接受的范围内。利用相关的状态方程计算循环中各点的热力学性质，通过第一定律分析，计算了循环中各部件的热流量和一些性能参数，结果表明，在较高的发电机和蒸发器温度下，以及在较低的冷凝器和吸收器温度下，可以获得较高的性能值系数。

2. 研究的基本内容与方案

2.研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1主要内容：

在设计使用libr-h₂o和licl-h₂o的单效吸收式制冷机时，吸收式冷却器的主要组件（发电机，吸收器，冷凝器，蒸发器和溶液热交换器）实际上是五个热交换器。设计的目的是在两个制冷机的制冷量和设计参数相同的情况下，确定每个组件的传热特性和每个状态点的质量流量。在这项研究中，吸收式制冷机的额定冷却负荷为50kw。热交换器的效率设定为0.7。为了进行吸收式制冷机的设计，应首先确定运行条件下每个状态点的温度。吸收式制冷机包含三个外部回路流：热水，冷却水和制冷机水。这些流体的状态与实际环境尤其是入口温度密切相关。一旦选择了外部流体的入口温度，其他点的温度通常可以通过一些增量或减量来确定。设置好温度后，可以根据公式确定每个点的质量流量以及每个组件的传热特性和热负荷。

3. 研究计划与安排

3．进度安排

3.1准备阶段：

1.2019年12月25日至2020年2月13日，查阅收集文献资料，确定论题，准备开题报告。

4. 参考文献（12篇以上）

4.参考文献

[1]杨磊,李华山,陆振能,陈高凯,雷炯,马伟斌,龚宇烈.溴化锂吸收式制冷技术研究进展[j].新能源进展,2019,7(06):532-541.

[2]谷禹庆,陶海臣,黄明硕,张超杰.溴化锂吸收式机组在余热回收领域的应用与发展[j].机电信息,2018(28):72-76.