新型混合吸附剂的吸附特性及其在低压蒸汽驱动的吸附式冷冻机组中的应用

摘要

固体吸附式制冷作为一种可以有效地利用低品位热能，且没有环境破坏性的制冷技术，受到了国内外学者越来越多的关注。吸附式制冷技术发展到现在，对吸附工质对和吸附制冷系统的研究已经非常的成熟，目前，0℃以下的制冷系统主要使用的是氯化钙/膨胀石墨混合吸附剂—氨为工质对。但是氯化钙/膨胀石墨混合吸附剂—氨工质对的研究，在实际应用中存在五个方面的问题，一是氯化钙/膨胀石墨混合吸附剂的导热系数较低(导热系数仅为0.1-0.2W.m-1·K-1)，无法快速的将吸附/解吸热传递出去，导致循环周期延长，降低了吸附制冷系统的制冷功率；二是吸附剂在多次的吸附和解吸后会出现性能衰减现象，这大大降低了吸附剂的吸附能力；三是在氯化钙/膨胀石墨混合吸附剂一氨吸附系统的设计方面，传统的通过四通阀切换烟气和冷水进入传热管道的系统，虽然有结构简单的优点，但是却无法克服传热管道在冷、热交变工况下的烟气腐蚀问题；四是热管加热和冷却系统虽然可以克服传热管道的腐蚀问题，但是由于热管介质的工作压力在加热和冷却过程中出现正负压交替现象，导致吸附床的加热和冷却切换阀门随着吸附床的加热和冷却过程的切换，而处在正负压频繁交替的工作状态，这将使吸附床加热/冷却切换阀门的使用寿命大大缩短；五是，吸附制冷系统目前的应用领域比较狭小，对于石油行业，化工厂和电厂即有大量低压蒸汽余热，又有低温冷冻需求的领域，几乎还没有吸附式制冷系统的应用。本文研制了新型的氯化钙/膨胀石墨混合吸附剂，并应用在低压蒸汽驱动的吸附冷冻机组中。主要研究内容及成果如下： ⑴采用溶液处理法研制了一种新型混合吸附剂，并进行压块处理。测试了混合吸附剂的传热和传质特性，分析了膨胀石墨增强氯化钙导热系数的原因。新型混合吸附剂的混合均匀性显著提高，从而使混合吸附剂的导热系数显著提高。混合吸附剂的密度不同，其导热系数也不相同，其值在0.22～4.0 W·m-1·K-1之间，比粉末状吸附剂的导热系数0.1～0.2 W·m-1·K-1增加了2～10倍。块状混合吸附剂的孔隙率得到了明显的提高，其值为0.36～0.82，比纯氯化钙的孔隙率0.352提高了1～2.5倍。从而使吸附剂的传质性能得到显著提高。 ⑵建立了混合吸附剂定容物性测试实验台，对混合吸附剂的不同吸附温度、不同解吸温度下的吸附性能进行测试。测试结果显示，混合吸附剂的混合均匀性会影响吸附剂的传质过程，混合吸附剂的均匀性越好，吸附剂的传质性能也就越好。本文研制的混合吸附剂比文献中的混合吸附剂的均匀性好，因而具有较好的传质性能。同时通过对CaCl2·8NFt3<=>CaCl2·4NH3， CaCl2·4NH3<=>CaCl2·2NH3以及两者同时解吸时解吸速度的实验研究和数值预测发现，在相同解吸温度下，CaCl2·SNH3<=>CaCl2·4NH3的平均解吸速度是CaCl2·4NH3<=>CaCl2·2NH3的解吸速度的2.0～3.7倍，两者同时解吸时的解吸速度小于两者单独解吸时的解吸速度之和。并通过实验数据的分析，建立了混合吸附剂吸附动力学模型。 ⑶研制了一台新型的低压蒸汽驱动的吸附式冷冻样机。该样机采用新型混合吸附剂—氨为吸附工质对，利用热管系统加热吸附床，闭式单相流体冷却吸附床。该样机的循环方式为基础循环和回质循环结合。回质管打破了传统的安装在两个吸附床之间循环方式，采用了安装在两个蒸发器之间的循环方式，从而保护蒸发器中的冷量，实现吸附式制冷系统的连续制冷。 ⑷建立了低压蒸汽驱动的吸附式冷冻机组性能测试实验台，获得所研制的冷冻机组的整机性能参数和部件性能参数。研究了不同热源温度，冷冻液温度，冷却水温度和蒸发温度条件下，机组的运行特性。在蒸发温度为-17℃，冷却水温度为25℃，最高热源温度为140.3℃。吸附式冷冻机组在加热/冷却时间25min的平均制冷量为11.4 kW，平均吸附速度为3.5×104kg.kg-1.s-1。比文献中提到的相同工作工况下，平均吸附速度2.7×10-4 kg.kg-1.s-1，提高了30％。吸附床在加热过程中的平均换热系数为745.4 W.m-2.℃-1，冷却过程中的平均换热系数为832.6 W.m-2.℃-1。比文献中吸附床在加热过程和冷却过程中的传热系数分别提高了265％和300％。在加热过程中，吸附剂的导热系数为0.72 W.m-1.℃-1。在冷却过程中，吸附剂的导热系数为0.56 W.m-1.℃-1，与理论计算结果相差不大。 ⑸研究了回质阀安装位置的改变对冷冻机组制冷性能的改善，研究结果表明，这种回质阀的安装方式，有效的保护了蒸发器中的冷量，实现了吸附式冷冻机组的连续制冷性能。为吸附式制冷系统的后续改进工作和理论分析提供必要的数据。综合理论分析和实验研究的结果，对所研制的化学吸附冷冻机组的经济性、可靠性和实用性进行总结，并指出该吸附冷冻机组研制工作中存在的问题和改进措施，为后续的改进工作提供指导。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1课题的背景和意义

1.2混合吸附工质对的研究

1.3低压蒸汽驱动的吸附式冷冻机组的应用研究

1.4目前研究中主要存在的不足

1.5本文的主要工作

第二章新型混合吸附剂的研制及其吸附特性研究

2.1混合吸附剂(氯化钙/膨胀石墨)的研制

2.1.1膨胀石墨在混合吸附剂中适用性分析

2.1.2混合吸附剂研制

2.2混合吸附剂的传热特性研究

2.2.1混合吸附剂的传热性能测试系统

2.2.2混合吸附剂传热性能实验结果与分析

2.3混合吸附剂的吸附特性研究

2.3.1混合吸附剂吸附性能测试装置和方法

2.3.2吸附量和解吸量计算方程

2.3.3混合吸附剂吸附特性测试结果和分析

2.4本章小结

第三章 混合吸附剂的传质特性与吸附动力学

3.1混合吸附剂的传质特性实验系统

3.2混合吸附剂-氨吸附工质对的吸附机理分析

3.3混合吸附剂传质特性实验结果与分析

3.4混合吸附剂的吸附速率方程

3.4.1混合吸附剂-氨吸附工质对的吸附动力学模型的建立

3.4.2吸附速率方程的动力学参数估计

3.5本章小结

第四章低压蒸汽驱动的吸附式冷冻机组的研制

4.1低压蒸汽驱动的吸附式冷冻机组研制目标

4.2低压蒸汽驱动的吸附式冷冻机组的研制理论基础

4.3低压蒸汽驱动的吸附式冷冻机组的循环原理与循环方式

4.4系统部件设计

4.4.1吸附床和吸附单元管

4.4.2管壳式冷却器，蒸汽发生器，冷凝器和蒸发器

4.5系统的可靠性设计

4.6机组的控制流程设计

4.7实验样机的建立

4.8本章小结

第五章低压蒸汽驱动的吸附式冷冻机组的基本特性实验研究

5.1机组测试系统

5.1.1机组实验系统的建立

5.1.2机组测试性能计算

5.2低压蒸汽驱动的吸附式冷冻机组实验结果及分析

5.2.1吸附床的传热性能分析

5.2.2吸附床的传质性能分析

5.2.3机组各部件的性能分析

5.2.4设计工况下机组性能

5.3运行参数对机组性能的影响

5.3.1加热/冷却时间的影响

5.3.2回质时间的影响

5.3.3冷却水温度的影响

5.3.4蒸发温度的影响

5.4实验误差分析

5.5本章小结

第六章低压蒸汽驱动的吸附式冷冻机组的连续制冷循环特性分析和运行优化

6.1连续制冷的循环特性分析

6.1.1混合吸附剂—氨吸附制冷基本循环特性

6.1.2混合吸附剂—氨的连续制冷循环特性分析

6.2机组连续制冷性能的实现

6.2.1有无回质过程对机组连续制冷性能的影响

6.2.2机组的连续制冷性能与文献中机组的制冷性能比较

6.3吸附式冷冻机组的连续制冷性能

6.3.1连续制冷条件下的制冷量，COP变化特性

6.3.2冷冻机组热力循环特性分析

6.4吸附式冷冻机组运行优化

6.5本章小结

第七章总结与展望

7.1本文的主要工作

7.2本文的创新点

7.3本文工作中的不足和今后的工作

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果