气体机排气驱动复合吸收式制冷循环设计及优化研究

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在全球能源短缺、温室效应加剧的大背景下,以气体机为原动机的冷热电联产系统由于实现了能量的梯级利用,一次能源利用率大幅提升,得到了迅速发展。其中,由气体机排气驱动的吸收式制冷机的性能对整个联产系统的效率具有重要影响,而当前在联产系统当中广泛采用的吸收式制冷机无法对气体机排气进行高效利用,因此设计与气体机排气特性相适应的高效吸收式制冷循环具有重要意义。  高效吸收式制冷循环的构建关键在于实现高温位热的高效转化与低温位热的梯级转化。在高温位热的转化上,本文提出了“热量-压-冷量”和“热量-功-冷量”两条转化路径,并分别构建了相应的复合吸收式制冷循环,通过对循环性能的对比分析,确定“热量-功-冷量”转化路径的优势。在低温位热的梯级转化上,通过排气温度梯度特性与底循环内部发生过程的温度梯度特性的匹配,实现了排气低温热量的高效、深度利用。通过高、低温位热转化路径的有机统一,最终设计完成了“基于正逆循环功热耦合的增压三效复合制冷循环”。  采用热力学分析方法,对复合循环特性进行了详细而充分的考察。理论计算表明,相比传统的三效循环,复合循环在压缩比为2.2,朗肯循环蒸发压力为6.3Mpa的工况下实现了最高发生温度降低50℃以上、COP提升10%以上的有益效果。同时还发现,正逆循环之间的功热耦合虽然使复合循环获得了优异的热力学性能,但也间接导致在每个固定的放气范围下复合循环存在极限压缩比,即只有当放气范围不是很大时(小于0.015),复合循环最高发生温度才可以通过增压被控制在165℃以下,从而可以避免严重的高温腐蚀发生。而与压缩功额外供给的增压循环、多级做功循环的对比分析也充分证明了复合循环热力性能的优异,并深刻揭示了复合循环的节能机理。  研究了气体机不同负荷对复合循环特性的影响,发现在发动机低负荷时(300kW)由于排气温度的降低,对复合循环的驱动能力减弱,使得复合循环COP大幅下降,最高发生温度无法控制在165℃以下,有产生高温腐蚀的潜在风险。  对复合循环的底循环进行了结构上的改进。将底循环串联流程为逆串联流程之后,发现由于复合循环特有的热源低温部分梯级驱动结构的存在使得改进后的系统最高发生温度降低不大,但改进后的复合循环COP和制冷量均有明显提升,提高了复合循环对气体机低负荷时的适应性。
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