低品位熱能驅動的雙效雙重熱化學吸附制冷實驗及系統(tǒng)模擬研究.pdf

1、固體吸附制冷技術是一種利用低品位熱能為驅動力的節(jié)能環(huán)保型綠色制冷技術，近年來在低品位余熱回收和可再生能源利用方面得到了國內外研究者的廣泛關注，制冷效率較低是目前吸附制冷技術面臨的亟待解決的瓶頸問題。本文以基于吸附-再吸附原理的雙重熱化學吸附制冷循環(huán)理論和基于內部回熱技術的雙效熱化學吸附制冷循環(huán)理論為基礎，建立了基于吸附-再吸附原理的內部回熱型雙效雙重熱化學吸附制冷熱力循環(huán)實驗系統(tǒng)。本文分別從雙效雙重吸附制冷循環(huán)的吸附工質對、熱力學分析（

2、包括火用分析和性能分析）等方面，對新型雙效雙重吸附式制冷循環(huán)實驗的運行條件、實驗過程及結果特點進行了深入的研究，并歸納出新型雙效雙重吸附式制冷循環(huán)的特點和關鍵環(huán)節(jié)。并介紹了雙效雙重吸附式制冷機研制過程中涉及的相關計算（包括總體計算、傳熱計算、流程阻力計算和應力校核計算），以及雙重吸附式制冷裝置和雙效雙重吸附式制冷裝置的布局、組成及原理。膨脹石墨為基質的固化混合吸附劑應用于雙重吸附式制冷系統(tǒng)和雙效雙重吸附式制冷系統(tǒng)來強化機組的傳熱能力。對

3、于雙重吸附式制冷循環(huán)利用一次熱量輸入，可獲得吸附式制冷過程和再吸附式制冷過程兩次冷量輸出，實驗證明這種制冷方式是有效的。對于雙效雙重吸附式制冷系統(tǒng)則是利用一次熱量輸入可獲得兩次吸附式制冷和兩次再吸附式制冷輸出，從而實現(xiàn)提高吸附制冷工作性能的目的。本文還就雙效雙重吸附式制冷循環(huán)的優(yōu)化提出了三個方法:一是采用新型回熱方式;二是采用復合吸附制冷過程代替通常的吸附制冷過程;三是實現(xiàn)高溫鹽床與中溫鹽床的回質過程。
　　 在熱化學吸附反應動

4、力學和再吸附反應動力學研究的基礎上，本文對低品位熱能驅動的雙效雙重熱化學吸附制冷系統(tǒng)建立了數(shù)值仿真模型，并對采用翅片管結構的吸附床建立了動態(tài)模擬模型，深入分析了制冷系數(shù)COP與吸附床翅片管結構參數(shù)及反應鹽物性參數(shù)等方面的關系。系統(tǒng)模擬研究表明:雙效雙重熱化學吸附制冷理想COP可以高達2.0，在各類參數(shù)匹配良好的情況下，理論COP可以達到1.3～1.5;實驗結果表明:在外界熱源驅動溫度為260℃、冷凝溫度為30℃、蒸發(fā)溫度為10～15℃的

5、工況下，實驗COP值可達到1.1～1.2，與模擬值相差在20％以內。通過分析比較模擬值和實驗值，本文進一步提出了提高系統(tǒng)COP值的方法和方向。具體有以下結論:
　　 (1)雙重吸附式制冷循環(huán)當采用氯化鋇與氯化錳為吸附制冷工質對時，在熱驅動溫度為160℃，熱沉溫度為30℃，制冷溫度為15℃的工況下，實現(xiàn)COP等于0.703，SCP為225 W·kg-1。而且在設計上，對于雙重吸附式制冷循環(huán)而言，低溫鹽與中溫鹽之間存在較好的匹配。在

6、平均化學反應轉化率達到最大時，COP也達到極值，同時，吸附制冷過程和再吸附制冷過程的摩爾數(shù)差值比例也小于5％，表明系統(tǒng)可以在指定工況下高效連續(xù)地運行。
　　 (2)雙效雙重熱化學吸附式制冷循環(huán)的實驗結果和模擬結果表明:在相同的加熱解吸溫度、熱沉溫度及其制冷溫度下，仿真系統(tǒng)COP與實驗系統(tǒng)COP的誤差在20％以內;隨著制冷溫度的增加，無論是仿真COP曲線還是實驗COP曲線，COP的增加幅度都增加;在同一加熱解吸溫度下，隨著制冷溫度

7、的增加，仿真COP與實驗COP的差值也隨著增加。由于模擬過程的化學反應轉化率大于實驗過程的化學反應轉化率，因此在制冷溫度為10℃和15℃，仿真的吸附制冷過程和再吸附制冷過程的最佳循環(huán)時間大于對應的實驗的吸附制冷過程和再吸附制冷過程的最佳循環(huán)時間;但在制冷溫度為0℃和5℃時，由于反應床之間的壓差相對較小，實驗的反應時間比仿真的過程要長。實驗和數(shù)值模擬結果都表明，中溫鹽和低溫鹽之間存在較好的匹配，其制冷能力基本已達極值。而高溫鹽與低溫鹽之間

8、的匹配并不良好，仍存在較大的提升空間。實踐表明，采用質量系數(shù)修正反應鹽的設計質量是雙效雙重熱化學吸附式制冷循環(huán)系統(tǒng)設計的方法之一。
　　 (3)在雙效雙重熱化學吸附式制冷循環(huán)中，實施新型回熱的優(yōu)化方式可以利用較低壓力下中溫鹽與低溫鹽反應的驅動溫度較低從而加大高溫鹽與中溫鹽的回熱溫差，同時又充分利用低溫鹽第一次反應后的剩余有效空間以提高低溫鹽的化學轉化率。實驗表明:對于新型回熱循環(huán)，低溫鹽的化學轉化率可以達到0.8，相較于通常情況

9、下一般過程的化學反應轉化率（0.5左右），提高了將近60％。
　　 (4)在雙效雙重熱化學吸附式制冷循環(huán)中，復合吸附制冷的優(yōu)化方式可以提高COP最大可達5％，且制冷溫度越高，COP提高幅度越大。復合吸附制冷過程真正的意義還在于保證了吸附制冷過程制冷量的正常輸出，從而實現(xiàn)雙效雙重吸附制冷循環(huán)的高COP及連續(xù)運行。
　　 (5)在雙效雙重熱化學吸附式制冷循環(huán)中，高溫鹽與中溫鹽之間的回質過程一方面使高溫鹽床死空間內的氨解吸到中

10、溫鹽床，使低溫鹽與高溫鹽之間的制冷量增大，同時又增大中溫鹽的化學反應轉化率，對于提高雙效雙重吸附式制冷循環(huán)的COP是都是有益的。理論和實驗都表明，采用高溫鹽與中溫鹽的回質過程能提高系統(tǒng)COP10％左右。
　　 總之，本文在基于吸附-再吸附原理的雙重熱化學吸附式制冷循環(huán)和基于內部回熱技術的雙效熱化學吸附式制冷循環(huán)基礎上，對利用低品位能的高效雙效雙重吸附式制冷機在實驗和系統(tǒng)模擬研究方面進行了深入的研究，獲得了較好的階段性研究成果，為