纳米氨水吸收式制冷系统性能及其溶液循环稳定性研究

Based on previous research of a successfully accomplished NSFC project and another NSFC project ongoing about nano-fluid ammonia absorption refrigeration system, theoretical and experimental study will be carried out in this project to explore the performance characteristics and stability of ammonia-water solution with nano-particles used in an actual ammonia-water absorption refrigeration system. Heat and Mass transfer model among the gas-liquid-solid admixture during several alternatively alternating processes, including pressurization-temperature rising-stripping-generating-temperature drop-depressurization-absorption will be established, based on which the modeling and simulation will be conducted by micro-level molecular simulation combined with macro-level computational fluid dynamics method, consequently the impacts of pressure and temperature on the heat and mass transfer in ammonia water solution with nano-particles will be obtained. Experiments of ammonia-water absorption with nano-particles under variable working conditions will be carried out to figure out enhancement in processes of absorption, heat exchanging, heat and mass transfer during stripping and generation, moreover, the contribution of nano-fluids on the COP of the system will be analyzed quantitatively in the experiments. The dispersivity of the nano-fluid after during alternating processes will be tested by using spectrophotometric measuring method, and the rules of stability variation in nano-fluid will be obtained by quantitative analysis on the measuring results. The findings in this study will provide theoretical foundation for the miniaturization of the equipment in the solution cycle and the development of novel ammonia-water absorption refrigeration equipment with high efficiency.

在已完成和在研的两个国家自然科学基金课题研究基础上，对纳米溶液应用于实际氨水吸收式制冷循环将面临的系统性能变化及纳米溶液循环稳定性等相关问题进行理论与实验研究，采用分子模拟计算与流动热质传递宏观数值模拟相结合的方法，建立纳米氨水吸收式制冷系统内"升压-升温-提馏-发生-降温-减压-吸收"交变过程中汽-液-固组分间热质传递模型，获得温度、压力等参数对热质传递的影响规律；通过纳米氨水溶液吸收式制冷系统变工况实验，探索在该制冷系统溶液循环中添加纳米颗粒使吸收过程、溶液换热过程、提馏热质交换过程和发生过程得以强化所发挥的作用和添加纳米颗粒对氨水吸收式制冷系统性能影响的定量关系；采用比吸光度测试法，对交变过程中纳米溶液进行取样测量，定量分析纳米颗粒在溶液循环中的分散性，获取其稳定性变化规律。为促使氨水吸收式制冷系统溶液循环回路中设备小型化以及开发新型高效氨水吸收式制冷技术提供理论依据。

在一次能源储备量有限而全球能耗日益增长的形势下，不仅要通过开发新的清洁能源来缓解能源危机，更要提高现有一次能源的利用率。因此，氨水吸收式制冷机凭借循环工质的环保性以及对低品位废弃余热回收利用的优势，在制冷领域占有一席之位。然而氨水吸收式制冷机存在着综合性能较低和系统设备庞大等劣势，为解决以上问题，本项目组拟通过提升基液的物理性质来强化传热传质的过程，从而使系统性能有所提高。在已完成的两个国家自然科学基金课题研究的基础上，本项目组对纳米溶液应用于实际氨水吸收式制冷循环将面临的系统性能变化及纳米溶液循环稳定性等相关问题进行理论与实验研究。通过搭建小型纳米氨水吸收式制冷试验台并对其进行不同蒸发温度，发生温度以及冷却水进水温度下纳米颗粒对系统性能影响等试验，从而探索纳米颗粒在氨水吸收式制冷系统中对吸收过程、溶液换热过程、提馏热质交换过程和发生过程的影响和纳米颗粒添加量与氨水吸收式制冷系统性能提升量之间的定量关系。同时，采用比吸光度测试法，对交变过程中纳米溶液进行取样测量，定量分析纳米颗粒在溶液循环中的分散性，获取其稳定性变化规律。实验结果表明，纳米流体的加入对系统性能的提升很大，尤其是当系统运行条件越差时，提升效果越明显，其中TiO2（0.5 wt%）和SDBS（0.02 wt%）的混合物在一定的工况下能使系统性能系数（COP）提升20%左右。实验结果还表明纳米流体的加入能有效的促进提馏热质交换过程、发生过程、吸收过程以及溶液热交换过程的进行。同时，相比于静态下的氨水纳米流体，在经历了溶液循环后其分散稳定性虽然也随着循环时间的增加而缓慢衰减，但是衰减速率更慢，且最终的分散稳定性明显高于静态流体。以上研究内容和研究结果将有利于探索纳米溶液在氨水吸收式制冷系统中的应用的可行性，从而促使氨水吸收式制冷系统溶液循环回路中设备小型化以及为开发新型高效氨水吸收式制冷技术提供理论依据。.吸收式制冷；氨水；纳米流体；传热传质；性能系数