集成膜构架储能器的太阳能溴化锂吸收式制冷系统性能研究

In a solar driven lithium bromide-water absorption cooling system (SDLBACS), the storage capacity of the present concentration difference accumulator is very low, and the instability of the heat source will decrease the operation reliability of the whole system. In order to solve those problems, an idea of the coordinated and efficient operation of the SDLBACS with a novel energy accumulator framed by membrane (EAM) is proposed. The methods of theoretical analyses and experimental test are used to improve the diffusion model of water molecular in the solution and manufactured membrane. The accurate heat and mass transfer model of the EAM will be built. The heat and mass transfer performance of the EAM will be analyzed and enhanced. On this basis, the solar system, energy storage system, auxiliary energy system, and refrigeration system will be investigated as one whole. The thermodynamic interaction mechanism in the whole system will be studied. The design of experiment (DOE) is carried out by using the optimal Latin hypercube method, and an approximate model of the working process is established. Multi-objective and multi-discipline optimization model of the whole system is built to optimize the integration method of the SDLBACS. The operation-control strategy of the SDLBACS driven by the unstable heat source with variable cyclical pattern and parameters are investigated. Therefore, the theoretical foundation and instructor for the study of the solar powered absorption refrigeration technology will be provided.

为了解决太阳能驱动溴化锂制冷技术应用中浓度差储能器储能密度低和热源不稳定导致整个系统运行可靠性低的问题，提出了集成膜构架储能系统与整个太阳能溴化锂吸收式制冷系统协同高效运行的基本设想。采用理论分析和实验测试相结合的方法，通过对所制备的膜和溶液内水分子的扩散模型的改进，建立膜构架储能器（简称膜储能器）精确的传热传质数学模型，并对膜储能器的传热传质性能进行分析和强化。在此基础上，把太阳能集热系统、膜储能系统、辅助加热系统和溴化锂制冷系统作为一个整体，研究整个系统在热源变化条件下的热力学耦合关系，采用最优拉丁超立方法进行试验设计，建立系统工作过程的近似模型，进而形成整个系统的多目标多学科优化模型，优化整个系统的集成方法，获得制冷系统在不稳定热源驱动下变循环模式和参数的运行控制策略，从而为太阳能吸收式制冷技术的应用提供理论支持和技术保障。

针对溴化锂吸收式制冷技术在应用于太阳能驱动时存在能量供应的不稳定性和效率低下的问题，本项目以提高系统运行性能为目标，提出了膜储能器浓度差蓄能的单双效切换溴化锂吸收式制冷技术方案，对膜储能器和系统集成方案进行了研究。通过对膜储能器内放能过程中传热传质特性数值仿真和实验研究发现，膜内部的传质过程为更接近Knusden扩散的介于Knusden扩散和Poiseuille流动之间过渡类型。研究结果发现，膜储能器的传质能力不能满足系统动态放能的需要，因此，膜储能器只能在出现内部溶液结晶而无法流动的时候通过膜扩散放能，其他情况下与普通储液罐功能相似，以满足储能器的快速响应要求。太阳能单双效切换吸收式制冷系统的系统集成方法会对整个系统的运行经济性具有重要的影响。单双效内部切换系统、单效制冷机和双效制冷机外部切换系统、内部变效系统都相对于单效系统或双效系统都能够提高系统运行经济性。典型日的数据对比发现，单双效内部切换系统与单效系统相比，制冷量提高了20.35%，与双效系统相比，制冷时间增加5.34h，制冷量增加39.4kWh。单效制冷机和双效制冷机外部切换系统平均COP为0.95，换算为电压缩制冷性能系数为10.09。内部变效系统，平均性能系数最高可达1.18。另外，在一定的用户冷量需求下，热水箱的容积、集热器面积都存在一个性能最高、平准化成本最低的配置，可以通过多目标优化获得系统的最优配置。多目标优化后，有辅热单效制冷机和双效制冷机外部切换系统的单位集热器面积制冷量提高了19.05%，优化效果显著。同样，根据太阳能情况、热源变化情况通过NSGA-II优化算法对系统的热力参数进行优化，实时调整系统的运行参数和运行模式，可以获得最高的运行经济性。影响单双效切换运行的吸收式制冷系统运行性能最重要的两个热力参数是系统启动时的热源温度和单双效切换时的热源温度。根据研究结果，在保障单效制冷和双效制冷能够建立有效的运行浓度差的前提下，单效启动和单双效切换热源温度尽可能的低。本项目的研究成果，将为膜储能器的应用、太阳能溴化锂吸收式制冷系统的设计和运行提供理论支持和技术参考。