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吸附制冷工质对及其制冷过程研究

崔群  
【摘要】: 吸附制冷可分为吸附式制冷和吸附除湿制冷两大类。吸附式制冷是利用固体吸附剂对吸附质(制冷剂)的吸附过程而获得冷量的。吸附除湿制冷是用固体吸附剂将空气中的水蒸汽部分除去,并与蒸发冷却等技术结合,达到制冷效果的制冷方法。吸附制冷因可充分利用低品位工业余热以及太阳能作为驱动热源,没有CFC类物质对环境的污染问题,具有环保和节能两大优势,已成为国内外竞相开发的热点。在欧美和日本等国均将吸附制冷技术的应用列为重点研究课题,特别是将其用于新型空调系统和太阳能应用产品的开发研究,倍受关注。然而,从吸附制冷实用化研究成果来看,固体吸附制冷技术还不够成熟,存在着单位吸附剂的制冷功率低,系统造价高,热利用率低等问题,尚未达到工业化水平。 为此,本文选择目前在吸附制冷技术应用开发中亟待进一步解决的关键技术—“开发性能优良的吸附制冷工质对”作为研究目标。以对人体无伤害、对环境无污染的水和乙醇作为吸附制冷工质,研制出适合于吸附制冷特点的性能优良的一系列复合吸附剂;对水或乙醇与自制复合吸附剂组成的制冷工质对的吸附式制冷和吸附除湿制冷的性能进行了深入的实验研究;用有效能分析方法讨论了吸附制冷循环的制冷效率和能量的利用率;对吸附式空调的经济性进行了分析。为吸附制冷的开发应用提供了较为详细的具有使用价值的基础研究。 1.首次将碱土金属化合物及其盐类与传统吸附材料13x分子筛、硅胶和活性氧化铝等复合,制取具有较高吸附量和较低再生温度的适合于以低温热能驱动的吸附制冷过程的一系列优良复合吸附剂。分别在自制的吸附制冷、除湿制冷模拟实验装置上,测得该系列复合吸附剂与水和乙醇组成的吸附制冷工质对的吸附制冷性能以及除湿制冷性能均优于传统吸附剂(13x,硅胶和活性炭)。其中,M1-9906—水工质对的吸附制冷量是13X水的2.0~2.5倍;M4-0132—水工质对的吸附制冷量为441kJ/kg~924kJ/kg;M1-0001—乙醇工质对的吸附制冷量和制冷功率分别为:315kJ/kg~909kJ/kg和79kJ/(kg·h)~227kJ/(kg·h),是活性炭—乙醇的2.2~5.9倍;M4-0132的除湿制冷功率是硅胶1.9倍,是13X的2.2倍。M4-0132—水和M1-0001—乙醇是用于以太阳能和低温热能驱动的吸附制冷过程的良好吸附工质对。 2.将催化剂的有关机理分析方法用于复合吸附剂的机理研究。提出以吡啶为探 摘要 针分子,用TG一DTA一DTG分析法,研究复合吸附剂的复合现象和复合机 理的新思路。对自制复合吸附剂的复合和吸附机理研究认为:以碱土金属盐 类作为复合吸附剂的主要原料制取的复合吸附剂,在较低再生温度下,是以 物理吸附为主。首次提出增加吸附剂的弱吸附中心数,可使制取的复合吸附 剂具有较低解吸温度和较大吸附量。该项研究为吸附制冷用吸附剂的研制提 供了设计活性组成的依据。 .采用混合法制备复合吸附剂。根据对主要吸附材料的TG一DTA一DTG分析, 确定焙烧条件;根据孔结构测定结果,优选了扩孔剂;以平衡吸附量和DTA 分析的脱水或乙醇峰的峰端温度为考核指标,用正交试验优化了复合吸附剂 的原料配比。研究结果表明:采用分段焙烧和加入扩孔剂E2有利于提高复 合吸附剂的吸附性能;M4一0132吸附剂最适宜的原料配比为:MIO一40%, M3一20%,M4一20%,其它一20%,扩孔剂为 EZ。 根据吸附势理论、微孔填充吸附理论和对复合吸附剂的机理研究结果,推导 出自制复合吸附剂的吸附平衡方程和吸附热的简化计算模型。该方程能很好 地拟合水和乙醇在自制复合吸附剂上的吸附等温线。用此模型对水和乙醇在 自制复合吸附剂、13x分子筛和活性炭上的吸附热进行计算,结果表明:自 制复合吸附剂对水和乙醇的吸附热明显低于13x一水和活性炭一乙醇。该类 研究为吸附制冷系统结构设计提供了吸附平衡方程和计算吸附热的简便方 法。 .提出用吸附制冷工质对的特征吸附功分析吸附制冷循环对热量的需求量。推 导出吸附制冷过程的稳态平衡方程。首次提出根据此稳态平衡方程评判吸附 工质对适宜的制冷场合。对本文研究的制冷工质对的制冷工况分析结果表 明:自制复合吸附剂M4一01犯一水和Ml一0001一乙醇适用于空调等大循环量 的制冷系统,Ml一9906一乙醇和MZ一0003一乙醇可用于制冰和冷冻等需要低 温的制冷场所。 .推导出基本吸附制冷循环各过程的能量及其有效能的计算模型,并用此模型 对水和乙醇在自制复合吸附剂上的吸附制冷性能参数进行了计算,结果表 明,水和乙醇与自制复合吸附剂组成的工质对的制冷循环有着比硅胶一水、 活性炭一乙醇更大的制冷效率和圳效率。吸附制冷过程的特征温度对制冷效 率和佣效率影响较大,提高蒸发温度,降低冷凝温度,使再生温度处于最适 宜状态,可获得较大的吸附制冷效率和能量利用率。吸附床冷却过程的拥损 失占总溯损失的60%以上,吸附床的传热温差造成一定的佣损失;回收或利 南京工业大学博士学位论文 用吸附制冷过程中的吸附热以及强化吸附床的传热是吸附制冷循环提高圳 效率的有效途径。 7.首次提出用当量制冷系数评价吸附制冷过程的制冷效率。分析了吸附制冷过


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