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新型硅胶—水吸附式制冷机系统设计与性能模拟

胡金强  
【摘要】: 硅胶-水吸附式制冷机以其对环境友好,节能以及优异的低温驱动性能,因而在余热、废热及太阳能利用方面有着巨大的发展空间,是85℃以下低品位热源利用中最具有竞争力的制冷方式。本文针对目前开发的硅胶-水吸附制冷机中存在诸如真空阀门多、运行可靠性差、金属热容大、传热传质性能较差、运行效率低及系统结构复杂等缺点,设计了一种新型、高效、可靠、运行费用低的硅胶-水双床连续吸附式制冷机,并对该制冷机进行了系统理论分析和性能模拟。结果表明该制冷机具有结构新颖、循环效率高、电力COP高、能够有效利用60~85℃范围内低温热源的特点,能大大满足设计要求。 对颗粒直径为0.5-1.5mm的硅胶进行了电子显微镜扫描,其微观结构对于研究吸附床的传热传质尤其重要。搭建了硅胶-水吸附性能实验台,采用称重法研究了硅胶及其混合吸附剂-水的吸附性能,解决了真空下吸附量测不准的难题,较为精确地测量了硅胶及其混合吸附剂-水的吸附量,拟合出适用于国产硅胶的新吸附性能方程,该方程比Freundlich方程和D-A方程更精确,与实验数据偏差更小。同时,研究了混有硅胶的混合吸附剂-水的吸附性能,结果表明利用混合吸附剂有助于缩短系统的循环周期和提高系统的SCP(Specific Cooling Power)。 以前人研制的硅胶-水吸附制冷机为基础,以解决金属热容大、吸附床传热传质性能差、运行可靠性差等问题为目的,以理论分析为依据,设计了型号为10kW的新型硅胶-水吸附式制冷机,提出了系统设计步骤,求出了几个系统关键参数,解决了循环周期中因回热回质、阀门切换时间的存在系统不制冷的问题。 对翅片管式吸附床进行了传热分析与计算,运用非稳态导热理论对吸附床金属与吸附剂颗粒的传热性能进行数值分析,获得吸附床金属与硅胶颗粒的接触热阻,求出了吸附剂侧换热热阻,通过翅片强化吸附剂侧的换热热阻,获得吸附床总传热系数。设计了盘管式冷凝器和升膜蒸发器,分别获得了各自的换热温差、总换热系数、传热面积与压降。从新型硅胶-水吸附制冷机用闭式冷却塔的特殊性出发,设计管式间接蒸发冷却器,该闭式塔冷却效率高、结构紧凑,既节约了铜材和成本,减少了机组的重量,又满足机组冷却的需要。 根据所设计制冷机的结构特点和热力循环方式,建立了新型硅胶-水吸附式制冷机系统动态仿真模型,通过对模型的求解和对系统的动态仿真,获得系统的运行性能及各因素对系统性能的影响,验证了新型硅胶-水吸附式制冷机设计的合理性、有效性。


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