太阳能吸收式制冷循环新型工质对的热物性及其应用研究

来源 :北京科技大学 | 被引量 : 7次 | 上传用户:tianyi03
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太阳能制冷是夏季太阳能热利用的理想方式。目前,太阳能吸收式制冷通常采用LiBr/H20作为工质对,由于基于LiBr/H20的单级吸收式制冷循环所需的驱动热源温度、亦即太阳能集热温度高达88.0℃,导致被广泛使用的平板式集热器或全玻璃真空管集热器的集热温度难以满足要求。如今,解决以太阳能为驱动热源的LiBr吸收式制冷循环所需发生温度过高的问题主要有两个技术途径,一是采用中高温集热器以提高集热温度,二是采用两级吸收式制冷。由于热管式真空管和聚光型等中高温集热器价格昂贵,而两级吸收式制冷的系统复杂且制冷COP太低,因而基于普通平板式集热器或全玻璃真空管集热器的太阳能吸收式制冷技术迄今未能实现规模化的工程应用。另一方面,由于基于LiBr/H20的单级吸收式制冷循环所需的发生温度较高,使得一些低品位的工业余热废热无法作为吸收式制冷的驱动热源得到有效利用。作为一个典型的例子,钢铁行业中的高炉熔融炉渣的热量是由高炉冲渣水带走的,可是,由于高炉冲渣水的温度通常不及85.0℃而使得炉渣水难以用于吸收式制冷。而在另一方面,人们知道只要对高炉鼓风进行除湿,便可获得降低高炉焦比、减少鼓风机功耗以及提高高炉产量等诸多效益。也就是说,如果能够降低对驱动热源温度的要求,便可将炉渣余热有效地用于吸收式制冷,而通过将制冷与高炉鼓风除湿结合起来,便可实现节能增效的目标。围绕以LiBr/H20为工质对的单级太阳能吸收式制冷循环因对太阳能集热温度要求过高而难以实现规模化工程应用的问题,本文提出了一个创新性的技术途径。即,以改变工质对的吸收特性为切入点,探索具有优于LiBr/H20的制冷吸收特性的新工质对。良好的制冷吸收特性指的是在饱和蒸气压与吸收温度的关系曲线上,在相同的饱和蒸气压0.872 kPa 下(对应于常规吸收式制冷循环的蒸发器和吸收器压力),新工质对的吸收溶液具有与LiBr/H20吸收溶液相同或者更高的吸收温度(对应于常规吸收式制冷循环的吸收器温度),而在相同的饱和蒸气压6.290 kPa下(对应于常规吸收式制冷循环的冷凝器和发生器压力),新工质对的吸收溶液比LiBr/H20吸收溶液具有更低的吸收温度(对应于常规吸收式制冷循环的发生器温度)。本文通过实验研究发现,CaCl2/H2O吸收溶液具有良好的制冷吸收特性,并从利用CaCl2/H20的制冷吸收特性出发,筛选出了制冷吸收特性明显优于LiBr/H2O、以廉价CaCl2为主成分的两组多元新型工质对,即CaCl2-LiNO3-KNO3(15.5:5:1)/H2O和CaCl2-LiNO3-LiBr(8.72:1:1)/H20。系统地测定 了 CaCl2-LiNO3-KNO3(15.5:5:1)/H2O 和CaCl2-LiNO3-LiBr(8.72:1:l)/H20四元系吸收溶液的结晶温度、饱和蒸气压、密度、粘度、比热容和比焓,采用安托万方程和最小二乘法对热物性测定数据进行拟合,得出了诸热物性与溶液的吸收剂总质量分数和温度的关系式,并与LiBr/H20进行了比较。结果表明,在相同的制冷工况下,采用CaCl2-LiNO3-KNO3(15.5:5:1)/H2O 和 CaCl2-LiNO3-LiBr(8.72:1:1)/H2O 作为单级太阳能吸收式制冷的工质对,其发生温度即太阳能集热温度分别比采用LiBr/H20的情况低7.1℃和7.7℃,使得太阳能集热子系统采用廉价的平板式集热器或全玻璃真空管式集热器成为了可能,从而提高太阳能制冷系统的经济性。另外,为了研究新工质对对吸收式制冷系统的结构材料和换热材料的腐蚀性,采用浸泡失重法测定了作为结构材料的Q235碳钢和316L不锈钢,以及作为换热材料的T6紫铜在CaCl2-LiNO3-KNO3(15.5:5:l)/H2O和CaCl2-LiNO3-LiBr(8.72:1:1)/H20吸收溶液中的腐蚀速率,分析了溶液的温度、质量分数、pH值以及缓蚀剂对腐蚀速率的影响,并与LiBr/H20进行了比较。结果表明,在70.0~100.0℃的温度范围内,当pH值为9.7且无缓蚀剂添加时各金属材料的腐蚀速率最小。其中除了 Q235碳钢在CaCl2-LiNO3-LiBr(8.72:1:1)/H20吸收溶液中的腐蚀速率过大而无法使用外,各金属材料在新工质对吸收溶液中的腐蚀速率均能满足工程应用的实际要求。本文还对基于 CaCl2-LiNO3-KNO3(15.5:5:1)/H20 和CaCl2-LiNO3-LiBr(8.72:1:1)/H20的单级太阳能吸收式制冷循环进行了性能分析,并与LiBr/H20的情况进行了比较。结果表明,在相同的制冷工况下,基于 CaCl2-LiNO3-KNO3(15.5:5:1)/H20 和 CaCl2-LiNO3-LiBr(8.72:1:1)/H2O 的单级吸收式制冷循环的制冷COP均比基于LiBr/H20的制冷COP高出0.04以上,表明通过采用新工质对,不仅可降低吸收式制冷循环对发生温度的要求,还可有效提高其能量利用效率。
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