低品位热能驱动的双效双重热化学吸附制冷实验及系统模拟研究

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固体吸附制冷技术是一种利用低品位热能为驱动力的节能环保型绿色制冷技术,近年来在低品位余热回收和可再生能源利用方面得到了国内外研究者的广泛关注,制冷效率较低是目前吸附制冷技术面临的亟待解决的瓶颈问题。本文以基于吸附-再吸附原理的双重热化学吸附制冷循环理论和基于内部回热技术的双效热化学吸附制冷循环理论为基础,建立了基于吸附-再吸附原理的内部回热型双效双重热化学吸附制冷热力循环实验系统。本文分别从双效双重吸附制冷循环的吸附工质对、热力学分析(包括火用分析和性能分析)等方面,对新型双效双重吸附式制冷循环实验的运行条件、实验过程及结果特点进行了深入的研究,并归纳出新型双效双重吸附式制冷循环的特点和关键环节。并介绍了双效双重吸附式制冷机研制过程中涉及的相关计算(包括总体计算、传热计算、流程阻力计算和应力校核计算),以及双重吸附式制冷装置和双效双重吸附式制冷装置的布局、组成及原理。膨胀石墨为基质的固化混合吸附剂应用于双重吸附式制冷系统和双效双重吸附式制冷系统来强化机组的传热能力。对于双重吸附式制冷循环利用一次热量输入,可获得吸附式制冷过程和再吸附式制冷过程两次冷量输出,实验证明这种制冷方式是有效的。对于双效双重吸附式制冷系统则是利用一次热量输入可获得两次吸附式制冷和两次再吸附式制冷输出,从而实现提高吸附制冷工作性能的目的。本文还就双效双重吸附式制冷循环的优化提出了三个方法:一是采用新型回热方式;二是采用复合吸附制冷过程代替通常的吸附制冷过程;三是实现高温盐床与中温盐床的回质过程。在热化学吸附反应动力学和再吸附反应动力学研究的基础上,本文对低品位热能驱动的双效双重热化学吸附制冷系统建立了数值仿真模型,并对采用翅片管结构的吸附床建立了动态模拟模型,深入分析了制冷系数COP与吸附床翅片管结构参数及反应盐物性参数等方面的关系。系统模拟研究表明:双效双重热化学吸附制冷理想COP可以高达2.0,在各类参数匹配良好的情况下,理论COP可以达到1.3~1.5;实验结果表明:在外界热源驱动温度为260oC、冷凝温度为30oC、蒸发温度为10~15oC的工况下,实验COP值可达到1.1~1.2,与模拟值相差在20%以内。通过分析比较模拟值和实验值,本文进一步提出了提高系统COP值的方法和方向。具体有以下结论:(1)双重吸附式制冷循环当采用氯化钡与氯化锰为吸附制冷工质对时,在热驱动温度为160oC,热沉温度为30oC,制冷温度为15oC的工况下,实现COP等于0.703,SCP为225W·kg-1。而且在设计上,对于双重吸附式制冷循环而言,低温盐与中温盐之间存在较好的匹配。在平均化学反应转化率达到最大时,COP也达到极值,同时,吸附制冷过程和再吸附制冷过程的摩尔数差值比例也小于5%,表明系统可以在指定工况下高效连续地运行。(2)双效双重热化学吸附式制冷循环的实验结果和模拟结果表明:在相同的加热解吸温度、热沉温度及其制冷温度下,仿真系统COP与实验系统COP的误差在20%以内;随着制冷温度的增加,无论是仿真COP曲线还是实验COP曲线,COP的增加幅度都增加;在同一加热解吸温度下,随着制冷温度的增加,仿真COP与实验COP的差值也随着增加。由于模拟过程的化学反应转化率大于实验过程的化学反应转化率,因此在制冷温度为10oC和15oC,仿真的吸附制冷过程和再吸附制冷过程的最佳循环时间大于对应的实验的吸附制冷过程和再吸附制冷过程的最佳循环时间;但在制冷温度为0oC和5oC时,由于反应床之间的压差相对较小,实验的反应时间比仿真的过程要长。实验和数值模拟结果都表明,中温盐和低温盐之间存在较好的匹配,其制冷能力基本已达极值。而高温盐与低温盐之间的匹配并不良好,仍存在较大的提升空间。实践表明,采用质量系数修正反应盐的设计质量是双效双重热化学吸附式制冷循环系统设计的方法之一。(3)在双效双重热化学吸附式制冷循环中,实施新型回热的优化方式可以利用较低压力下中温盐与低温盐反应的驱动温度较低从而加大高温盐与中温盐的回热温差,同时又充分利用低温盐第一次反应后的剩余有效空间以提高低温盐的化学转化率。实验表明:对于新型回热循环,低温盐的化学转化率可以达到0.8,相较于通常情况下一般过程的化学反应转化率(0.5左右),提高了将近60%。(4)在双效双重热化学吸附式制冷循环中,复合吸附制冷的优化方式可以提高COP最大可达5%,且制冷温度越高,COP提高幅度越大。复合吸附制冷过程真正的意义还在于保证了吸附制冷过程制冷量的正常输出,从而实现双效双重吸附制冷循环的高COP及连续运行。(5)在双效双重热化学吸附式制冷循环中,高温盐与中温盐之间的回质过程一方面使高温盐床死空间内的氨解吸到中温盐床,使低温盐与高温盐之间的制冷量增大,同时又增大中温盐的化学反应转化率,对于提高双效双重吸附式制冷循环的COP是都是有益的。理论和实验都表明,采用高温盐与中温盐的回质过程能提高系统COP10%左右。总之,本文在基于吸附-再吸附原理的双重热化学吸附式制冷循环和基于内部回热技术的双效热化学吸附式制冷循环基础上,对利用低品位能的高效双效双重吸附式制冷机在实验和系统模拟研究方面进行了深入的研究,获得了较好的阶段性研究成果,为高效吸附制冷技术的发展奠定了相关基础。
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