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氯化钙/膨胀石墨混合吸附剂的吸附特性及其在双热管型吸附制冷系统中的应用

王凯  
【摘要】: 随着世界经济的发展以及能耗的增加,能源与环境问题目前已经成为全世界所共同关注的一个热点问题,固体吸附式制冷作为一种可有效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越来越多的关注。在吸附制冷应用方面,对于低于0℃制冷温度的主要以金属氯化物-氨为工质对的化学吸附式制冷。氯化钙-氨工质,相对于以水为制冷剂的物理吸附剂,优点为蒸发温度低,可以用于制冰,近年来氯化钙-氨化学吸附制冷机在渔船制冰方面也得到了应用。但金属氯化物-氨工质对在实际应用中存在着三个问题,一是金属氯化物导热系数较低(如氯化钙导热系数仅为0.1-0.3Wm~(-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严重的结块现象(agglomeration phenomenon),这大大降低了吸附剂的吸附能力;三是在金属氯化物-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。针对以上问题,本文研制了氯化钙/膨胀石墨混合吸附剂并应用在新型的双热管余热驱动吸附制冷系统中,本文的研究成果对吸附式制冷系统的实用化和商业化具有重要的意义。具体内容包括: 1.本文研制一种新型膨胀石墨-氯化钙混合吸附剂,通过将氯化钙与膨胀石墨相混合,利用膨胀石墨丰富的微孔来强化氯化钙的传质,可解决化学吸附剂长期使用中由于结块现象而导致的性能衰减现象。由于采用了固化加工方法,使得混合吸附剂的导热系数有了较大提高(颗粒状氯化钙导热系数为0.31 W·m~(-1)·K~(-1),添加20%膨胀石墨并固化后混合吸附剂的导热系数为7.2 W·m~(-1)·K~(-1),导热系数增加了23倍),为缩短吸附制冷循环时间,减小吸附床体积提供可能。 2.本文研制了一种应用于固体吸附制冷机组中,结构紧凑,传热能力较为优秀的双热管式吸附床。双热管式吸附床采用内嵌的加热热管和冷却热管来加热/冷却吸附床,加热热管属于分离式热管,冷却热管属于两相闭式热虹吸热管,通过两种热管的连续工作,对吸附床进行加热和冷却,而且可以实现高温烟气和冷却水不用切换,从而解决了低温腐蚀对吸附床的危害,同时由于热管采用相变换热,一般要比对流系统中以显热方式所传递的热量大几个数量级,换热效果将大大增强。 3.在氯化钙-膨胀石墨混合吸附剂和双热管式吸附床的基础上,研制了一台采用双床、双冷凝器和双蒸发器结构的新型尾气余热驱动化学吸附制冷机。整个制冷机由两部分组成:氨热压缩机和氨制冷机。氨热压缩机由水冷凝器(2个并联)、双吸附床和烟气-水蒸汽换热器组成。氨制冷机部分由氨冷凝器(2个并联)和氨满液式蒸发器组成。吸附床的加热和解吸工作过程的切换依靠吸附床内嵌的加热/冷却热管完成,只需要5个阀门即可以完成包括回质过程的切换,大大减少了阀门的个数,提高了系统的运行可靠性并降低了系统加工成本,而且机组按照设备样式设计,结构紧凑,满足实用化需要。 4.建立了系统动态运行过程的仿真模型,并进行了数值求解。通过实验,验证了系统仿真模型的正确性,证实该仿真模型能够较好地反映系统的动态运行特性,为研究新型双热管式化学吸附式制冷系统的性能变化规律及产品的系列化开发提供了一种较为可靠的方法。 5.搭建了测试制冷样机的实验台,实验数据表明双热管式吸附床可以很好强化吸附床内的传热过程,加快了吸附和解吸的速度,使得吸附床的吸附和解吸周期缩短(加热和冷却时间为12分钟,吸附床温度变化区间为35℃-120℃,与采用相同热管工质的复合交变热管式制冷机相比,可缩短循环时间一半以上),系统的平均制冷量2.64kW,SCP为200W/kg。证明双热管式吸附制冷机这种新型结构的有效性和可行性。


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