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建筑科学与工程
双效吸收式喷射型热泵系统建模及其传热传质特性研究
单效和双效的吸收式热泵系统对热源温度的要求不同,同一温度的热源可能对于双效系统过低,而对于单效系统又显得过高,增加了结晶的危险。为了提高吸收式热泵机组的工作性能,必须研究适用范围更为广泛的热泵系统。在探索新型的循环流程的过程中,某些循环显著地改变了循环热效率,例如在循环中加入一个热驱动的喷射器可以将系统的性能提升5%。在热泵系统中加入除湿设备可以较好的控制温度与湿度,热泵的性能系数可高达6。对于新型系统也有部分理论和实验上的研究,但是系统结构复杂多样化,系统的性能都处于实验阶段,系统的优化设计,关键部位的传热传质分析的研究还很不完善,也缺乏相应的规范,很大程度上限制了这类热泵的应用。针对传统溴化锂吸收式热泵循环的不足,本文结合了喷射器和双效吸收式热泵的优势,提出一种新型的喷射型热泵系统,在此基础上的主要研究工作包括以下三个方面:第一:通过分析整体复合系统的工作流程,分别建立系统各部件的数学模型以及整体的数学模型,首次分析了系统各个部件间的热质耦合关系,建立了系统各个部件的数学模型,给出了控制微分方程的详细求解方法,在上述基础上得到系统整体的动态特性模型,将某些部件的稳态输出作为关联部件的控制方程的边界条件,并进行了数值求解,得到系统启动过程(初值问题)中各部件进出口参数的变化规律,将计算结果与实验数据比较,分析实验和模型解的误差来源。以气动函数法为基础建立了蒸汽喷射器的热力学模型,通过优化设计参数,使喷射器在最优引射比下工作。在低温发生器和冷凝器之间设置喷射器,使系统在四个不同的压力下工作。高温发生器在最高压力下工作,冷凝器在中压下工作,而吸收器和蒸发器都在低压力级工作,与传统的双效吸收式循环不同的是现有循环的低压发生器压力与冷凝器的压力不同。本文从热力学第一和第二原理角度比较了新型循环和传统单效、双效循环的性能差异。与双效吸收式热泵的?效率对比发现,本文提出的喷射型热泵系统在同样设计参数时?效率变化平缓,没有较大的波动,具有更加稳定的工作性能。研究还表明,若喷射器工作在低压发生器了冷凝器之间,并且在设计工作条件下新型喷射循环的性能系数最高可达到1.78。新型系统性能系数随着浓溶液浓度的变化可达最大值,而稀溶液的浓度对COP的影响较小,稀溶液浓度大于0.6时COP不随稀溶液浓度的变化而变化。冷却水出口温度增大COP迅速上升,随着高温溶液热交换器温差的增大COP表现出减小的趋势,然而COP随着低温溶液热交换器温差的增大先上升,当温差超过8~?C时急剧降低。第二:针对系统不同的传热传质形式建立了系统各部件的热质耦合关系。建立了蒸发器水平和竖直圆管外池沸腾换热的发生器模型,其中竖直管外的降膜蒸发过程能精确的模拟蒸发器的传热传质性能,引入半解析形式的NILT方法,分析了圆管外蒸汽边界层,液相边界层的热质耦合关系,提出了求解相变移动边界问题的伪坐标变换法,理论求解了局部传热Nusselt数和传质Sherwood数,这种半解析形式的传热传质系数可以直接应用到机组部件的动态数学模型中。分析了传热传质的影响参数,即工作蒸汽的温度、初始溴化锂溶液的浓度等对传热传质的影响。分析了移动汽相边界层的厚度对传热传质的影响。研究表明在较大的沸腾曲面曲率的影响下,传热传质系数表现出明显的差异,而边界层的厚度无明显的变化;建立吸收器在不完全润湿条件下的吸收传热传质模型,分析无量纲温度场与浓度场随系统参数的变化关系,导出解析形式的传热传质系数表达式。引入润湿因子的概念,研究表明,在考虑不完全润湿的条件下润湿因子增大传热传质系数增大,当溶液的流速降低时,在润湿因子等于1(完全润湿)时传热系数无条件减小,但在不完全润湿条件下的传热传质系数有可能增大。传热系数随着换热壁面温度的变化出现不稳定趋势,而传质系数在设定工况确定时可达到一个确定的最大值。对于高压发生器,管外溶液剧烈沸腾,蒸汽相和溶液相的参数变化剧烈,这时需要同时分析液相和气相的参数变化特性,第四章第四节从边界层理论出发,建立了精确地管外发生传热传质模型,利用伪相似变换的方法寻求两相边界层中的速度特性和传热特性,模型还能分析两相边界面处蒸汽边界层的厚度。本节的分析还考虑了实际的液膜流动过程,也考虑了蒸发面的端部沸腾效应,从而更加逼近实际情况。第三:在设计参数条件已知时通过建立决策变量的等式约束和不等式约束,以系统性能系数为目标函数建立了新型热泵系统的优化模型。采用罚函数方法同时处理两种约束条件,对系统的循环参数进行热力学优化,得出在设计参数条件下的最佳性能参数,从而指导设备的选择和为各设备的结构设计提供理论基础。优化计算表明,在与前文启动设定参数一致时,循环的最优的热力系数可达1.887,根据最优化的性能系数分别计算系统的各状态点的热力参数,优化计算的结果与工程中常见的参数范围一致,从而验证了优化方法的可行性。此外本文还分析了变工况对新型系统的影响,分析比较了在相同设计参数下新型系统的传统的单双效系统的?经济性能,分析了各种参数对系统总投资的影响,研究表明在一定的热源温度范围内,新型系统的的运行结果更可靠,经济性能更好。
博士论文
《东南大学》 2019年博士论文
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