吸收式循环构型及含咪唑类离子液体工质对的研究

论文摘要

吸收式循环系统由于可利用低品位热驱动,且使用天然物质作为循环工质,在提高一次能源利用率、减少环境污染、减少臭氧层破坏物质和温室气体排放、降低电网峰值压力,以及太阳能等可再生能源的利用等方面,都具有重要的现实意义。本文依托国家自然科学基金（No.50890184）和国家基础研究计划（No.2010CB227304）,着眼于低品位热在吸收式制冷中的有效利用,以及新型吸收式替代工质对的开发,旨在基于循环的构型分析,试图找到吸收式循环构建的一般规律,提出适宜有效利用低品位热的吸收式循环构型,并同时开拓若干种适用于吸收式循环的新型替代工质对。本文的主要研究内容如下：首先,基于热转换系统构型的研究,抓住热转换性能改善和升温能力增强这两个关键问题,提出了吸收式循环构型改进的两条启示性准则,包括：1)改进性能系数的启示性准则；2)提高温升幅度的启示性准则。针对吸收／压缩式制冷循环多种能量输入,而造成的评价标准不够明确的问题,本文提出以热驱动性能系数和热驱动制冷率两个指标,来对吸收／压缩制冷循环进行评价。其次,基于上述两个准则,分别提出两个适宜于低品位热有效利用的吸收式制冷循环构型。基于改进性能系数的启示性准则,提出单效循环构型和半效循环构型叠加,形成的1.5效H2O/LiBr吸收式制冷循环构型,可以填补单效吸收式制冷循环和双效吸收式制冷循环之间的驱动温度空白区。对1.5效循环的研究做了归纳与分析,并提出了两种新的1.5效循环。建立了1.5效H2O/LiBr吸收式制冷循环模拟系统。在上述驱动温度空白区,相对于单效循环和双效循环,1.5效H2O/LiBr吸收式制冷循环具有最优的性能系数。在tE=5℃,tC=42℃,tA=37℃的条件下,1.5效循环的最佳发生温度tG的范围为110℃到140℃,性能系数在1.0左右,比同等条件下的单效循环性能系数提高30%以上。考察分析了溶液热交换器效率、发生温度、吸收温度以及蒸发温度的变化,对1.5效H2O/LiBr吸收式制冷循环系统性能的影响。结果显示,由一个高温的单效子循环和一个低温的半效子循环叠加而成的构型,具有更高的性能系数和更好的操作弹性。在四个考察参数中,吸收温度变化对系统性能影响最为显著,发生温度影响次之。着眼于低温太阳能在制冷领域的应用,低温太阳能集热效率高,但温度偏低,难制取0℃以下的冷量。基于提高温升幅度的启示性准则,提出采用太阳能／动力复合驱动吸收式循环构型,可以较好实现利用低温太阳能来进行冷冻操作,并可以有效应对太阳能不稳定的缺点。本文以Aspen Plus模拟软件为手段,考察了压缩机出口压力的变化,对热驱动性能系数ω和热驱动制冷率α的影响。研究发现,在一定的发生温度和冷凝温度条件下,存在一最佳压缩机出口压力。而蒸发温度的变化对压缩机最佳出口压力影响较小。当蒸发温度为-15℃,冷却温度为40℃,发生温度为85℃时,压缩机最佳出口压力为600 kPa,ω为0.307,α为0.443。在一定范围内,通过调节压缩机出口压力,可以应对太阳能集热器负荷的变化,实现循环的稳定供冷。再次,针对离子液体这种新兴的绿色溶剂作为吸收剂,开拓吸收式循环替代工质对。采用气液相反应法合成了离子液体[DMIm]Cl,采用核磁共振氢谱对其结构进行了表征,采用差示扫描量热法测定其纯度。自行搭建了“沸点法”蒸气压测定装置,测定了H2O/[DMIm]Cl和TFE/[EMIm]BF4体系的蒸气压。对于H2O/[DMIm]Cl体系,测定的[DMIm]Cl质量分数从0.4到0.85,蒸气压测定范围从1 kPa到100 kPa。对于TFE/[EMIm]BF4体系,测定的[EMIm]BF4质量分数从0.35到0.9,蒸气压的测定范围从3 kPa到100 kPa。采用Antoine形式的方程,对实验结果进行了回归和关联。这两个体系相对于Raoult定律都表现出了较强负偏差,显示出作为吸收式循环工质对的潜力。最后,对H2O/[DMIm]Cl、TFE/[EMIm]BF4、TFE/[BMIm]BF4以及TFE/[BMIm]Br四种含离子液体工质对的单效吸收式制冷循环进行了模拟分析。H2O/[DMIm]Cl工质对表现出了最高的循环性能系数,但其操作范围则相对较窄,不利于变工况操作；以TFE为制冷剂的三个工质对也表现出了较好的循环性能,它们的循环性能系数高于NH3/H2O工质对,并且具有宽广的操作范围。其中又以TFE/[BMIm]Br工质对的循环性能系数最高。因此,本文着重就TFE/[BMIm]Br工质对的双效吸收式制冷循环进行了模拟分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 热转换系统的热力学原理
• 1.3 当前吸收式制冷的国际国内研究现状
• 1.3.1 吸收式循环构型的研究
• 1.3.2 吸收式循环新型工质对的开发
• 1.3.3 吸收式制冷循环中传热传质强化的研究
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 吸收式循环构型的理论研究
• 2.1 热转换系统构型的简化表示
• 2.2 性能改进准则与循环构建
• 2.2.1 改进性能系数的启示性准则与循环构建
• 2.2.2 提高温升幅度的启示性准则与循环构建
• 2.3 循环构型与热转换性能评价
• 2.3.1 热驱动循环构型对性能系数的影响
• 2.3.2 热/功复合驱动循环的评价指标
• 2.4 本章小结
• 第三章 热驱动吸收式循环构型研究:1.5效水/溴化锂吸收式制冷循环
• 3.1.引言
• 3.2 1.5 效吸收式制冷循环
• 2O/LiBr吸收式制冷循环的模拟方法'>3.3 1.5 效H₂O/LiBr吸收式制冷循环的模拟方法
• 3.3.1 模拟中用到的假设
• 3.3.2 物性数据的选择与计算模型
• 3.3.3 模型准确性的验证
• 2O/LiBr吸收式制冷循环的模拟结果及讨论'>3.4 1.5效H₂O/LiBr吸收式制冷循环的模拟结果及讨论
• 2O/LiBr吸收式制冷循环基本工况的模拟结果'>3.4.1 1.5效H₂O/LiBr吸收式制冷循环基本工况的模拟结果
• 2O/LiBr吸收式制冷循环的性能比较'>3.4.2 几种H₂O/LiBr吸收式制冷循环的性能比较
• 2O/LiBr吸收式制冷循环的影响'>3.4.3 各参数对1.5效H₂O/LiBr吸收式制冷循环的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 热/功复合驱动吸收式循环构型研究:太阳能/动力复合驱动氨/水制冷循环
• 4.1 引言
• 4.2 太阳能/动力复合驱动氨/水制冷循环
• 4.3 太阳能/动力复合驱动氨/水制冷循环模拟
• 4.3.1 模型及假设
• 4.3.2 可靠性验证
• 4.4 模拟结果与分析
• 4.4.1 参考循环的模拟结果与分析
• 4.4.2 太阳能/动力复合驱动氨/水制冷循环模拟结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 含咪唑类离子液体工质对的基础研究
• 5.1 引言
• 5.2 药品及离子液体的合成
• 5.2.1 药品
• 5.2.2 氯化1,3-二甲基咪唑的合成与表征
• 5.3 饱和蒸气压的测定实验
• 5.3.1 装置及方法
• 5.3.2 装置可靠性验证
• 5.4 饱和蒸气压测定结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 含咪唑类离子液体工质对的吸收式制冷循环分析
• 6.1 前言
• 6.2 工质体系的热力学性质
• 6.2.1 工质体系的蒸气压
• 6.2.2 工质的比焓
• 6.3 含离子液体工质对的单效吸收式制冷循环模拟
• 6.3.1 流程描述
• 6.3.2 计算假设及模拟方法
• 6.3.3 模拟结果与讨论
• 6.4 TFE/[BMIm]Br工质对的双效吸收式制冷循环模拟
• 6.4.1 循环的流程及其描述
• 6.4.2 模拟分析的假设以及计算方法
• 6.4.3 模拟结果与讨论
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要研究成果
• 7.2 主要创新点
• 7.3 未来研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 北京化工大学 博士研究生学位论文答辩委员会决议书