溴化锂吸收式制冷技术的发展

溴化锂吸收式制冷技术的发展

采用溴化铝吸收式冷却机，利用低等级能量，如沉积热、废水、废水和太阳能，最大限度地利用能源，并利用水作为地被污染的环境和大气。由于环保性能突出,吸收式制冷已经得到广泛的重视和发展。但溴化锂吸收式制冷技术亦有潜在的缺点,与蒸汽压缩式制冷相比,吸收式制冷的能源利用效率低,且机组寿命短,真空度要求高。此外,溴化锂还存在高温下易结晶等缺陷。因此,改进机组性能以及改良溴化锂溶液的热物理特性,是改善溴化锂吸收式制冷机组效率、提高工业余热利用率的有效途径。本文将重点介绍相关研究人员对溴化锂吸收式制冷的两方面研究,包括溴化锂吸收式制冷的增压提效亚稳平衡以及添加剂对溴化锂溶液表面张力与传递性能的符合效应及耦合激励的研究,并对研究成果进行描述,希望能够引起行业内外关注,为提高能源综合利用效率做出贡献。1亚稳平衡溴化钾吸收液装置湿热1.1多设备优化试验结果图3(1)增压型溴化锂吸收式制冷试验机组的结构本研究应用的是双效溴化锂吸收式制冷机组(图1)。机组主要由蒸发器筒体、吸收器筒体、冷凝器筒体、高压发生器筒体、低压发生器筒体等5个筒体组成,高、低温溶液热交换器分别连接高、低压发生器和吸收器,机组的溶液循环由溶液泵提供驱动力,吸收器内稀溶液由溶液泵抽出后,通过并联的方式将稀溶液分别送至高、低压发生器内。(2)增压型溴化锂吸收式机组制冷循环原理图2为本文研究用增压型溴化锂吸收式制冷实验机组循环原理图。吸收器内混合溶液和蒸发器内冷剂水均采用自喷淋的方式,其驱动力分别由溶液喷淋泵和冷剂喷淋泵来承担。本实验机组的驱动热源由自主设计的导热油提供,导热油存储在油浴内,通过可以控制的电加热棒加热,将导热油加热到设定温度。出机组的高温冷却水由水泵抽到室外的冷却塔,经冷却塔降温回流到室内的机组。冷却水以并联的方式进入机组的吸收器和冷凝器。为了控制冷冻水的进口温度,本试验台设置了冷却水、冷冻水混合水箱来消耗冷量,储存冷冻水。同时,为了保证机组能在较低的环境温度下运行,使机组避免结晶的风险,本试验台在室内设置一个开式水罐。水罐水位一般高于室外冷却塔水位高度。另外,此机组在设计时,在蒸发器与吸收器之间加设了增压器,以完成增压非平衡状态的吸收式制冷性能的研究。(3)增压提效亚稳平衡型溴化锂吸收式制冷(热泵)机组改进特点为提高机组的效率,国内外相关研究人员对溴化锂吸收式制冷机组的改进已做过很多努力,但目前的溴化锂机组仍存在各种问题,如:在有空气的情况下,溴化锂溶液对普通碳钢具有较强的腐蚀性,影响机组的寿命;制冷机真空度要求较高,给机组的制造和使用增添了困难;由于直接利用热能,吸收式制冷的能源利用进行效率低等。故本文作者在机组设计时,加设了增压器,以完成吸收式制冷性能的研究,其特点如下:a.吸收器内压力升高,吸收效果提高,制冷量增大,提高整机的制冷效率;b.吸收器内压力升高,若机组总制冷量不变,可以减少吸收器的吸收面积,节约铜材;c.吸收器内压力升高,强化了亚稳态状态下的吸收效果,使吸收器出口浓度降低,同时降低了发生器的发生温度,有利于降低加热热源(低品位热源)的温度;d.吸收式制冷水蒸发时比容大,增压器体积大,不利于大型溴化锂制冷机的制造,但对小型机组,利用其效率高、制冷量大、增压器体积不大、性能调节灵活的特点,是有利的;e.利用增压原理,可提高那些不用水作为制冷剂(例:溴化锂吸收式制冷循环)的吸收循环(因为其他制冷剂在蒸发温度下,比容较小)的吸收式循环的效率;f.增压型吸收式制冷机技术可以推广为中型产品设计和试制。该技术不但提高了原机组的能效比,而且采用增压技术,可以降低发生温度,有利于提高低品位能源的利用率;g.利用亚稳平衡增压吸收式热泵原理,可提高吸收式热泵的供热量和供热温度,对我国北方地区冬季热电能源综合利用,能量梯级利用具有较高的效益;h.在冷热电三联供的分布能源系统中,增压型吸收式制冷机组更能够有效和快速地调节热、冷源的负荷比例,以满足用户需求,最大化地优化供电量、冷热量的匹配。1.2增压型溴化锂吸收式机组(1)学术成果该成果基于亚稳平衡理论,研究了溴化锂与水的二元溶液饱和蒸汽间压力差对溶液吸收浓度的影响及其关系,对吸收式制冷循环提出亚稳平衡过压吸收的新观点,为实际关键部件的改进与设计奠定理论基础;在国内、外首次在吸收式制冷机组上设计了增压装置,强化吸收效果,使整个吸收式制冷机组的热力循环特性得到良好改善,提高了吸收式制冷机组特性;在世界范围内首次研制出增压型溴化锂吸收式制冷机组。(2)总体成果该项目由北京市教育委员会科技计划、北京市自然科学基金和北京建筑工程学院科技计划等基金资助,完成了应用于空调领域的空调制冷设备研发,解决了关键节能问题。制冷机组的能效系数COP值增加30%~50%;利用变频增压技术,整机制冷量增加50%~70%;相同制冷量时,吸收器节约铜材30%,降低了制造成本;机组发生温度降低5~7℃,有利于废热、余热的利用;蒸发温度调节为5~11℃,扩大了机组的使用范围;使用纳米溴化锂溶液的吸收式热泵机组供热量增加58.43%,低温热源吸收热量增加134.55%;使用添加表面活性剂的纳米溴化锂溶液的吸收式热泵机组供热量增加41.47%,低温热源吸热量增加111.02%。从以上数据可以看出,此项目达到了提高机组制冷量,改进能效比COP值,减小换热器体积,降低制造成本之目的,节能效果显著。2多相添加剂对溴化锂溶液特性的复合效应的观点总结前人利用添加剂来改善溴化锂溶液特性的大量文献报到,可以看到,采用单一添加剂已经成为制约溴化锂溶液综合性能进一步提高的重要因素。本项目首次提出多相添加剂对溴化锂溶液特性产生复合效应的观点。经过研究得出多项结论,为进一步研究多相添加剂对无机溶液特性产生正效应和负效应奠定了微观理论基础。2.1固相纳米粒子对纳米溴化锂溶液本构特性的影响(1)寻求纳米溴化锂溶液的耐高温、稳定性好的纳米微粒材料及其分散剂。选择以前学者探讨过的氧化物纳米微粒、纳米α-A1203及其分散剂,在严格的制备流程下,获得工作温度范围大约在30℃~170℃内的纳米材料和分散剂,并且利用复配原理得到分散剂B、F和B+Fde复配分散剂(由于申报专利原因,在此用符号代替),其相变温度高达280℃,取得一定的试验结果。为纳米溴化锂溶液的高温特性研究奠定了基础。(2)探索和规范化具有较高稳定特性的纳米溴化锂溶液的制备工艺。在研究纳米溴化锂溶液的表面张力和沸腾温度关系时,稳定性好、耐高温的特性固然重要,但是要获得如此效果必须规范化严格的制备工艺。基于传统的“两步法”制备纳米粉体基础之上,探索“化学湿化法,使制备出来的纳米流体避免了微粒干燥、储存、运输等引起的团聚问题。用试验证明了化学湿化法制备出的纳米流体比“两步法”制备出的纳米流体有更好的稳定性。(3)提高了纳米溴化锂溶液的稳定特性。利用物理分散和化学分散相结合的方法,优化选择分散剂的溶解性、溶液振荡时间和水浴温度三个关键参数,对制备纳米溶液的振荡时间、纳米微粒添加组份、分散剂种类及其添加量对纳米流体稳定性的影响均得到有效的结论。发现使用复配分散剂(多种分散剂综合耦合)时,纳米流体更能保持较好的稳定性。(4)首次探索纳米溴化锂溶液的烧结特性。分析了分散剂组分浓度和温度对于溶液中纳米微粒烧结规律并进行了机理解释。纳米微粒在纳米溴化锂溶液中的烧结程度,在分散剂浓度不改变,改变烧结温度,或者加热温度不改变而变化分散剂浓度状况下,在12至24小时内,烧结速率和烧结体粒径增大率较大,48小时后烧结现象趋于平稳。分散剂组分浓度对于纳米微粒的烧结密度有较大影响,分散剂组份越浓,烧结微粒径越小,烧结层越密实。(5)纳米微粒及其分散剂对纳米溴化锂溶液表面张力影响研究。研究过程中用接触角表面张力仪测试了配置好的LiBr纳米流体的表面张力,通过试验可知:分散剂和纳米微粒对溴化锂溶液的表面张力均有一定影响,而且这种影响作用是随着质量分数的不同而变化的,分散剂和纳米微粒的添加浓度最佳值在0.1%~1.5%之间。(6)纳米微粒及其分散剂对纳米溴化锂溶液发生温度影响研究。研究结果表明,在溴化锂溶液中添加纳米微粒和分散剂能够降低其发生温度,并且纳米微粒和分散剂对吸收式机组的发生温度均有影响。发生温度随分散剂和纳米微粒浓度的变化,溴化锂溶液的发生温度变化范围在7℃~20℃。(7)理论分析添加固相纳米微粒对纳米溴化锂溶液表面张力和沸腾温度影响的机理。研究结果说明,不同种类固体添加剂会因其自身性质对溴化锂溶液的表面张力和沸腾温度产生不同影响。在溴化锂溶液中加入小分子结构分散剂,通过在水中电离并通过静电稳定作用实现对纳米微粒的分散稳定,但该类分散剂对溴化锂溶液的表面张力和沸腾温度基本无影响。(8)固相纳米微粒对纳米溴化锂溶液沸腾温度的耦合作用机理。研究数据表明,溶液分子结构中含有两亲基团和长碳链的高分子类分散剂,通过空间位阻稳定机理实现对纳米微粒的分散稳定,可使溴化锂溶液的表面张力和沸腾温度都降低。外部轮廓为球形的纳米微粒对溴化锂溶液表面张力影响较小,但是在加热表面的凹坑发生沉积使沸腾温度有所升高。与纳米微粒相适应的分散剂,可以使纳米微粒破坏溶液界面饱和吸附层而影响溶液表面张力和发生温度。综合而言,添加纳米微粒的溴化锂溶液沸腾温度的升高或降低取决于表面张力衰减的正效应因素和纳米微粒填充凹坑的负效应因素的耦合影响。(9)气相添加剂对溴化锂溶液热物理特性的影响。依据气液相平衡理论,采用EOS方程加活度系数法相结合的方式,并结合试验数据,对添加氨的溴化锂溶液气液相平衡压力及气相比容进行了研究,结果证明:加入氨后对溴化锂溶液相平衡压力及比容会有很大程度的改变,压力显著提高,气相比容降幅较大,气相混合物组成比例也会随着氨加入量及温度的不同有不同的变化。压力约有2~5倍的增幅,相应的气相比容也约有20%~50%左右的降幅。(10)固相纳米微粒对溴化锂溶液传质特性的影响机理。将纳米流体的扩散系数分解为静态扩散系数和动态扩散系数。在对静态扩散系数进行分析时,定义了纳米粒子静态影响系数,认为纳米粒子添加量越大,系数的值越小,当纳米粒子添加量很小时,纳米粒子对溶液静态扩散系数的影响可以忽略;从纳米粒子的布朗运动出发,建立了纳米粒子与基液之间质量传递过程的集总参数方程,并求解出纳米粒子的动态扩散系数表达式。(11)试验研究了纳米溴化锂溶液的降膜传质特性。结果表明,在溴化锂溶液中加入纳米粒子后,可以显著提高吸收器对水蒸气的吸收性能。在相同流量下,水蒸气吸收速率随纳米粒子添加量的增大而增大。当流量为1.2L/min时,纯溴化锂溶液的水蒸气吸收速率为0.21g/s;添加0.05%纳米粒子的溴化锂溶液水蒸气吸收速率为0.28g/s;添加0.1%纳米粒子的溴化锂溶液水蒸气吸收速率为0.30g/s;在流量为0.2L/min时,添加0.05%纳米粒子的溴化锂溶液传质强化比为2.01,添加0.1%纳米粒子的溴化锂溶液传质强化比为2.35。(12)建立“多功能制冷工质传热传质性能检测与试验装置”。可以进行传热多功能试验、传质多功能试验以及溴化锂溶液工程热物理特性研究实验;能够提供高度稳定的温度和压力环境,可以对溴化锂溶液的热物理性质进行精确的测试研究;具有操作灵活、运行方便、功能多样化、热工参数自动数字监测和控制等特点,为开发改良型H2.2影响纳米溶液稳定性的因素(1)添加多相添加剂于既有溴化锂水溶液,并填充相应的分散剂进行纳米微粒表面修饰,可以改善溴化锂溶液的热物理特性(例如:表面张力和沸腾温度等);(2)在众多纳米微粒种类中选择适宜于添加的材料及其分散剂时,组分比例是影响纳米溶液稳定性能的关键因素;(3)添加纳米微粒的溴化锂溶液沸腾温度的升高或降低取决于表面张力衰减的正效应因素和纳米微粒填充凹坑的负效应因素的耦合影响利用机组吸收器的容积型增压器和变频原理相互耦合;