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流态化吸附制冷技术的理论及实验研究

徐敬玉  
【摘要】: 20世纪90年代以后,随着全球保护环境的呼声越来越高,世界各国都在寻找替代CFCs的制冷剂并积极研究其他非压缩制冷方式,固体吸附制冷作为一种可有效利用低品位能源,且没有环境破坏性的制冷技术,受到了国内外学者的广泛关注。 目前,传统固体吸附制冷系统仍然存在着诸多缺点。从传热、传质的角度分析,固定床吸附器内传热、传质速率低已经严重影响了系统的循环效率和设备的利用效率;从吸附工质对的角度分析,也存在吸附量较小、制冷量小以及吸附剂容易粉碎或失效等。所有这些使得吸附制冷系统不能充分发挥自己的优势,限制了吸附制冷系统的实际应用。 针对固定床吸附制冷技术的缺点,本文提出了一种新型吸附制冷系统,即:流态化吸附制冷系统。在本系统内采用流化床代替固定床作为吸附器。在吸附过程中,利用制冷剂气体吹动吸附剂颗粒在吸附器内作湍流运动,吸附剂颗粒在运动的过程中完成与制冷剂之间的传质过程以及吸附剂和换热表面间的传热过程。在解吸过程中,通过吸附剂颗粒在换热面周围的流动快速完成自身的升温过程以及制冷剂解吸过程。 为了选择适合流态化吸附制冷系统的制冷工质对,本文首先利用理论分析的方法对HFC工质和自然工质进行比较和分析,确定了六种HFC工质和两种自然工质作为候选工质;然后,将候选工质与活性炭组成制冷工质对进行吸附试验,最终确定R134a-活性炭作为流态化吸附制冷系统的工质对。 利用加压热天平对R134a-活性炭工质对的吸附制冷特性进行实验研究。然后对该工质对的吸附和解吸实验数据进行理论分析,其中包括:利用吸附实验数据拟合得到该工质对的D-A方程;以开尔文方程为基础分析外部参数对工质对吸附特性的影响;利用实验数据分析运行参数对吸附制冷系统的制冷量及COP的影响。 建立流化床吸附器的传热模型,并引入概率论的方法分析流化床内颗粒在换热管周围的流动状态,确定颗粒在换热管面上冲刷的概率呈gamma分布。然后,通过分析数学模型中各参数对传热系数的影响,得到简化后的换热系数方程。 设计并搭建流化床吸附制冷系统实验台,进行非流态化吸附和解吸实验及流态化吸附和解吸实验,比较不同吸附剂充注量对系统特性的影响。对非流态化床和流化床吸附器在吸附和解吸过程中的传热和传质进行计算和分析,发现流化床吸附器在传热、传质、反应时间和一个循环内单位质量吸附剂所产生的平均制冷量(SCP)等方面大大优于非流态化吸附器,这为吸附制冷系统能够在实际中得到广泛的应用提供了新的思路。最后,分析了流态化吸附制冷技术在工业应用中的适应范围,认为流态化吸附技术更适合应用于大型制冷系统,如:大型中央空调等方面。


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