基于双工质对的低位太阳能驱动吸收式制冷循环研究

LiBr absorption refrigeration technology has promising advantage in the utilization of low grade heat, such as solar energy, however the operation efficiency is low and the work time is short. To increase the available temperature difference of solar energy and the operation period, this project proposed a solar driven absorption refrigeration cycle using two working pairs, which used LiCl-H2O with high vapor pressure and low operation concentration in the high-pressure stage and LiBr-H2O in the low-pressure stage. This new system could be driven by lower heat source and extend the utilization temperature difference of solar energy. An internally-heated falling film solution regeneration model with co-current flow was put forward for the realization of more utilization temperature difference and high coefficient performance of the system. The study would disclose the thermal dynamic characteristic of the refrigeration cycle and develop the coupled mathematics of absorption and regeneration between high-pressure and low-pressure stages. The study will provide the theoretical support for the operating parameters optimization and thermal performance lift of the new absorption refrigeration cycle.

溴化锂吸收式制冷在利用太阳能等低品位热能上具有独特的优势，但存在太阳能利用率不高（利用温区通常局限在75～85℃）和白天驱动制冷时间短等问题。项目从增大太阳能利用温区、增加驱动制冷时间的角度，提出采用具有高蒸汽压、低运行浓度、大放气范围的LiCl水溶液作为高压级工质对，较低蒸汽压力的传统LiBr水溶液作为低压级工质对，探索基于双工质对的低位太阳能驱动吸收式制冷循环新模式，实现更低位热能驱动制冷，扩大驱动热源温区范围。采用逆流型内热源降膜发生模型，研究小传热温差与传质势差热质传递过程特性，实现驱动热能大温区利用，减小溶液循环倍率，提升该热力循环综合热力性能和制冷能力。探寻该循环热力特性、关键热力参数间的耦合关系及对制冷循环热力性能、低位热能利用能力的影响规律，建立基于双工质对的高、低压级耦合吸收-发生动态模型，为双工质对吸收式制冷循环参数优化及系统能效提升提供理论支撑。

溴化锂吸收式制冷在利用太阳能等低品位热能上具有优势，但存在太阳能利用率不高和白天驱动制冷时间短等问题，本项目提出了双工质对吸收式制冷循环以提升循环效率和降低驱动热源温度。项目揭示了该热力循环中高低压工质对运行浓度、热源温度、中间压力等关键参数对系统热力性能的影响，获得了中间压力对双工质对吸收式制冷循环热力学性能的影响机制与确定方法，定量分析并验证了双工质对吸收式制冷循环的提升作用，为LiCl溶液应用于吸收式制冷领域提供理论指导。建立了内热（冷）源逆流降膜式发生（吸收）实验测试平台，对影响溶液降膜发生（吸收）过程关键参数：溶液流量、溶液浓度、压力进行了实验研究，揭示了内热源降膜LiBr溶液发生传热传质性能的强化机制。实验研究了溶液降膜发生（吸收）过程的耦合传热传质特性，获得了高压级LiCl溶液降膜发生和吸收传热传质性能经验关联式。在相同传质势差的进口条件下，在降膜吸收的对比实验研究中发现LiCl溶液热质传递性能强于LiBr溶液。以南京地区过渡季为例，对太阳能驱动双工质对吸收式制冷系统进行动态模拟，分析了低品位太阳能驱动匹配特性及热力性能提升与优化方法。重要结论如下：中间压力对于双工质对吸收式制冷循环的热力性能具有显著影响，对于不同的工况，存在不同最佳中间压力使循环的热力系数最大。热力分析表明，在相同工况条件下，双工质对（LiCl+LiBr）吸收式制冷循环的热力系数高于双级LiBr吸收式制冷循环。内热源溶液降膜发生实验结果表明溶液流量对降膜溶液传热传质系数的影响最大，但当溶液流量继续增大，液膜厚度的增加成为阻碍传热传质系数继续增加的主要因素。在降膜吸收对比实验研究，LiCl溶液的传质系数较LiBr溶液平均提高56%，LiCl溶液吸收能力明显强于LiBr溶液。因此在相同的制冷需求下，使用LiCl溶液作为循环工质可以大大缩小吸收器的体积。在相同的集热面积和系统配置下，双工质对吸收式制冷系统的制冷量较双级LiBr吸收式制冷系统平均提高21%，双工质对吸收式制冷系统在制冷量上优势明显。