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低品位热源驱动的热化学再吸附制冷研究

作　者: 包华汕
导　师: 王如竹
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 热化学吸附再吸附混合吸附剂工质对挑选氯化锰氯化铵反应速率方程 COP SCP 匹配流动阻力影响
分类号: TB61
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

热化学吸附有一种优化循环称为再吸附制冷循环,其采用两个填充有不同吸附盐的吸附床。在相同的压力情况下,这两种吸附盐与反应气体有着不同的反应平衡温度,因此被分别称为高温盐和低温盐,系统利用低温盐与反应气体的反应解吸热来产生制冷效果。一般化学反应解吸热是氨相变热的2倍之多,所以理论上再吸附系统与传统吸附系统相比制冷量有所提高。除此之外,再吸附系统减少了由于传统吸附压力过高所带来的安全隐患;无液态制冷剂的存在使得系统抗振动颠簸能力增强,甚至可不受重力因素的影响,因此可在机动车、渔船甚至太空船等领域得到更广泛的应用。合理正确挑选吸附工质对是再吸附制冷循环系统实现低品位热源高效利用以及提高化学吸附制冷效率的关键问题之一,本课题首先对再吸附制冷吸附工质对的配位物特性、热平衡性质以及化学反应动力特性等进行研究分析,提出了针对不同的实际应用需求对再吸附工质对进行正确选择的参考依据。随后,结合以上吸附工质对挑选原则,为实现制冷温度达到0℃以及0℃以下的再吸附制冷循环系统构建,先对挑选出的三种低温盐氯化钡、溴化钠、氯化铵分别与高温盐氯化锰组合的再吸附原型小系统进行实验对比研究,并结合膨胀石墨为基质的混合固化吸附剂传热传质强化技术,通过对吸附盐-氨的吸附/解吸性能、热动力平衡性质的研究,结果表明工质对氯化铵-氨/氯化锰-氨的优越工作性能,其COP（制冷效率）与SCP（单位质量吸附剂的制冷功率）都胜出于其他所研究的组合,是0℃以及0℃以下再吸附制冷的最佳选择。由于氯化铵是新颖的再吸附反应盐,本课题还通过实验研究获取氯化铵混合吸附剂在基础物性以及氯化铵氨络合物的化学反应动力方面仍缺少的数据信息,在原有经典化学吸附动力模型基础上进行修正,分别建立氯化铵氨络合物合成和分解反应速率方程,将其表达成反应速率同时与热平衡压差和热平衡温差的函数关系式。于是,结合以上成果建立再吸附制冷循环系统的整体仿真模型,发现模拟结果在化学反应动力特性方面体现出了与实验数据极为吻合的变化趋势,由此证明了该反应速率方程的适用性。为了验证所选氯化铵作为再吸附低温盐的优越性能,将再吸附制冷循环应用于33 L的家用小型蓄冷冰箱中,通过实验测量在20 35℃室温下3小时内的制冰量,得到该装置单位质量氯化铵的总制冷量,约为475 kJ·kg^-1,并且同时实现-1 6℃冷藏和-16 -14.5℃冷冻的两个功能。小型冰箱的实验结果更加突显出几个优化目标的重要性:减小金属热容比例,加强系统的换热效率以及装置保温性能。根据尽量减少金属部件的质量比例以及提高系统换热效率的优化设计,应用氯化铵-氨/氯化锰-氨工质对的单级再吸附制冷实验系统装置在150℃的热源驱动和20℃的环境温度下,完成了-15 5℃的制冷性能测试。当反应气体流动阻力可忽略不计制冷温度为-15℃5℃时,系统COP和SCP分别为0.24 0.31和260 350 W·kg^-1。该再吸附制冷系统达到了目前国际研究成果所未有的制冷低温,且COP与目前最高水平相比提高了1.55倍。反应气体传输时的流动阻力使得系统能够在某一固定制冷功率值上较为平稳和持久地输出冷量,但由于流动压降的损失造成部分制冷量的损失。另外发现,再吸附工质对氯化铵-氨/氯化锰-氨在制冷温度为0℃工况下达到了最佳匹配状态,通过对工质对热化学反应动力特性的深入分析,并结合之前的系统模拟仿真计算,确定并验证了这对工质对的匹配原则数学关系式。此关系式不仅可以作为系统初步构建设计的参考工具,也是系统优化设计的预测依据。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-24
  1.1 课题的研究目的  11-13
    1.1.1 余热利用与节能  11-12
    1.1.2 再吸附与节能  12-13
  1.2 再吸附制冷技术的研究概况  13-21
    1.2.1 吸附工质对  13-16
    1.2.2 吸附床技术  16-17
    1.2.3 吸附制冷循环  17-20
    1.2.4 再吸附制冷技术的关键问题  20-21
  1.3 本文研究内容  21-24
    1.3.1 理论方面研究  21-23
    1.3.2 实验方面研究  23-24
第二章再吸附制冷循环吸附工质对研究  24-53
  2.1 再吸附制冷循环  24-28
    2.1.1 再吸附制冷循环原理  24-26
    2.1.2 再吸附制冷Clapeyron 循环图  26-28
  2.2 再吸附工质对的理论筛选原则  28-38
    2.2.1 依据Clapeyron 图的筛选  29-30
    2.2.2 相关配合物特性理论  30-33
    2.2.3 目前研究的再吸附制冷工质对  33-34
    2.2.4 其它可利用的再吸附工质对  34-38
  2.3 再吸附制冷工质对的选优实验  38-51
    2.3.1 对比实验装置建立  40
    2.3.2 对比实验步骤和工况  40-42
    2.3.3 对比实验结果  42-51
  2.4 本章小结  51-53
第三章固化吸附剂的反应动力模型及再吸附系统仿真  53-74
  3.1 固化吸附剂的导热系数和渗透率测试  53-59
    3.1.1 固化膨胀石墨/吸附盐混合吸附剂  53-55
    3.1.2 导热系数测试  55-57
    3.1.3 渗透率测试  57-59
  3.2 反应动力学模型拟合  59-65
    3.2.1 动力学模型测试装置建立及实验内容  59-61
    3.2.2 模型拟合  61-65
  3.3 再吸附制冷循环工作性能仿真  65-72
    3.3.1 物理模型的建立  66
    3.3.2 数学模型的建立和求解方式  66-69
    3.3.3 模拟结果  69-72
  3.4 本章小结  72-74
第四章再吸附制冷冰箱实验验证  74-84
  4.1 再吸附制冷冰箱设计和建立  74-77
  4.2 再吸附制冷冰箱工作性能测试  77-82
    4.2.1 实验分析方法  77-79
    4.2.2 实验结果和分析  79-82
  4.3 再吸附制冷冰箱优化策略  82-83
  4.4 本章小结  83-84
第五章再吸附热化学吸附制冷系统的实验研究  84-108
  5.1 实验系统装置设计  84-88
    5.1.1 系统设计  84-87
    5.1.2 吸附床设计  87-88
  5.2 实验流程和步骤设计  88-89
  5.3 实验数据计算方法  89-90
  5.4 实验结果分析  90-98
    5.4.1 高压阶段状态参数变化趋势  90-92
    5.4.2 高压阶段最优工况  92
    5.4.3 瞬时制冷功率  92-96
    5.4.4 工作性能随制冷温度的变化  96-97
    5.4.5 最佳循环时间  97-98
  5.5 再吸附工质对组合的匹配  98-105
    5.5.1 状态参数变化过程  98-101
    5.5.2 热力学平衡及动力学性质分析  101-103
    5.5.3 实验结果与模拟结果的对比  103
    5.5.4 再吸附工质对匹配关系式拟合  103-105
  5.6 气体流动阻力引起的压降损失与制冷效率  105-107
    5.6.1 气体流动阻力引起的压降损失  105-106
    5.6.2 添加泵功的制冷效率  106-107
  5.7 本章小结  107-108
第六章总结与展望  108-112
  6.1 研究内容总结  108-110
  6.2 创新性及典型研究成果  110-111
  6.3 课题展望  111-112
参考文献  112-121
附录一符号与标记  121-124
攻读博士学位期间发表论文、申请专利及所获奖励  124-126
致谢  126-130

低品位热源驱动的热化学再吸附制冷研究

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