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新型多效双重热化学吸附制冷循环研究

作　者: 李廷贤
导　师: 王如竹
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 热化学吸附吸附制冷再吸附制冷低品位热能热力循环内部回热
分类号: TB66
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

吸附式制冷是一种节能环保型绿色制冷技术,在低品位热能回收利用和太阳能等新能源开发方面具有广阔的应用前景。然而,工作性能较低一直是吸附式制冷在实用化研究中所面临的核心问题,传统吸附制冷技术因受循环方式的限制其制冷效率较低,无法与蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷相竞争,从而极大地限制了吸附制冷技术在高效制冷场合的广泛应用。针对传统吸附制冷循环制冷效率较低的问题,本课题以实现低品位热能利用的高效制冷为目标,构建了基于吸附-再吸附技术的新型双重热化学吸附制冷热力循环。结合膨胀石墨为基质的固化复合吸附剂传热传质强化技术,通过对金属氯化物-氨吸附制冷工质对吸附/解吸特性、热化学反应动力学、以及双重吸附制冷循环特性的研究,确立了基于再热技术和基于新型变压解吸技术的热力循环优化策略。在此基础上,为了实现不同品位热能、不同制冷工况下性能系数COP大于1的高效吸附制冷,采用双重吸附制冷理论和基于多盐温度及热量梯级匹配的先进回热技术,对低品位热能高效利用为目标的新型多效双重热化学吸附制冷循环技术进行了研究,主要得到以下结论:(1)采用吸附制冷、再吸附制冷、金属氯化物络合理论,构建了基于吸附-再吸附技术的新型双重热化学吸附制冷热力循环。实验研究表明该新型循环技术用于制冷空调领域是完全可行的,其产生的制冷量由吸附制冷阶段的制冷剂蒸发相变潜热制冷和再吸附制冷阶段的低温盐解吸热制冷两部分组成,在每次循环过程中通过外界低品位热源输入一次高温解吸热,双重吸附制冷循环技术就可以实现吸附制冷和再吸附制冷两次冷量输出,与传统热化学吸附制冷循环和再吸附制冷循环相比,该新型循环技术可将制冷系数COP分别提高168 %和59 %。(2)优化研究表明:再热技术的实施可有效提高双重热化学吸附制冷热力循环在再吸附制冷阶段的化学反应转化系数,增大系统的制冷剂循环量,基于再热技术的双重热化学吸附制冷热力循环可将工作性能系数COP提高12 % ~ 48 %,且外界冷却水温度越高、吸附制冷温度及再吸附制冷温度越低,再热过程对系统工作性能的提高效果越显著;基于不同吸附剂的新型变压解吸技术可有效降低双重热化学吸附制冷热力循环的外界驱动热源温度,且降温幅度可通过选用不同热力学平衡特性的辅助吸附剂进行调节,从而可拓展双重吸附制冷循环技术的应用场合。(3)提出了基于两次内部回热过程的新型多效热化学吸附制冷热力循环,在不同反应温区的吸附剂之间实施多效回热技术,该循环技术在单次循环过程中可实现三次制冷过程,相对传统双效吸附制冷循环和单效吸附制冷循环,新型多效热化学吸附制冷循环技术可将COP分别提高23 % ~ 50 %和146 % ~200 %;多效回热中热管型回热技术具有显著意义:采用热管技术对吸附床进行无外加驱动力的热管型加热解吸、热管型冷却吸附及热管型回热过程,不仅可提高机组的可靠性,还可避免高温余热/尾气及冷却介质(如海水)与吸附床直接接触而产生的结垢和腐蚀等问题,相对传统循环,采用热管型回热循环技术可有效降低外界热源的耗热量,单位质量吸附剂制冷功率SCP及制冷系数COP分别提高46.7 %和28.4 %。(4)采用双重吸附制冷理论和基于多盐温度及热量梯级匹配的高效热量回收技术,构建了基于吸附-再吸附技术的内部回热型双效双重热化学吸附制冷热力循环,在每次循环过程中由外界低品位热源输入一次高温解吸热,该新型循环可以实现四次制冷过程,其中两次为吸附制冷过程(制冷剂相变潜热制冷),两次为再吸附制冷过程(低温盐解吸热制冷);当采用FeCl2为高温盐吸附剂时,双效双重热化学吸附制冷热力循环的理想COPi高达2.29,在冷凝温度为30°C、蒸发制冷温度为0°C、再吸附制冷温度为5°C、吸附床金属热容比R为5~10时,双效双重热化学吸附制冷热力循环的COP为1.50~1.26。相对传统吸附制冷循环,本研究构建的新型双效双重热化学吸附制冷热力循环可显著提高吸附制冷系统的工作性能,实现了吸附制冷性能系数COP大于1的突破,为吸附式制冷技术在高效制冷场合获得广泛应用奠定了理论基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-14
符号说明  14-18
第一章绪论  18-30
  1.1 课题的背景及意义  18-19
  1.2 吸附式制冷技术的理论研究  19-24
    1.2.1 吸附式制冷工质对  19-21
    1.2.2 吸附床传热传质研究  21-22
    1.2.3 吸附式制冷循环理论  22-24
  1.3 再吸附制冷技术的研究现状  24-25
  1.4 吸附式制冷技术的应用研究  25-27
    1.4.1 吸附式低温冷冻及制冰  25-26
    1.4.2 吸附式空调及热泵  26-27
  1.5 吸附制冷技术应用研究的关键问题  27-28
  1.6 本文研究内容  28-30
    1.6.1 理论研究  28-29
    1.6.2 实验研究  29-30
第二章基于吸附-再吸附技术的新型双重热化学吸附制冷热力循环理论  30-46
  2.1 热化学吸附制冷与物理吸附制冷的循环特性分析  31-35
    2.1.1 物理吸附制冷循环  32-33
    2.1.2 热化学吸附制冷循环  33-35
  2.2 双重热化学吸附制冷循环的构建及制冷工质对选择  35-40
    2.2.1 双重热化学吸附制冷循环工作原理  35-37
    2.2.2 热化学吸附制冷工质对反应平衡线  37-39
    2.2.3 吸附制冷工质对  39
    2.2.4 再吸附制冷工质对  39-40
  2.3 双重热化学吸附制冷循环热力学分析  40-43
    2.3.1 吸附制冷循环Clapeyron 图  40-41
    2.3.2 再吸附制冷循环Clapeyron 图  41-42
    2.3.3 双重热化学吸附制冷循环Clapeyron 图  42-43
  2.4 双重热化学吸附制冷循环的理论性能研究  43-45
    2.4.1 传统吸附制冷及再吸附制冷循环性能  43-44
    2.4.2 双重热化学吸附制冷循环理论性能  44-45
  2.5 本章小结  45-46
第三章双重热化学吸附制冷工质对的吸附  46-66
  3.1 膨胀石墨为基质的固化复合吸附剂  46-48
    3.1.1 膨胀石墨基质  46
    3.1.2 固化复合吸附剂  46-48
  3.2 双重热化学吸附制冷工质对性能测试装置  48-49
  3.3 低温盐复合吸附剂吸附特性及反应动力学研究  49-57
    3.3.1 低温盐复合吸附剂吸附/解吸特性  49-52
    3.3.2 低温盐复合吸附剂传热传质性能研究  52-55
    3.3.3 低温盐复合吸附剂反应动力学研究  55-56
    3.3.4 低温盐复合吸附剂等压动态吸附特性  56-57
    3.3.5 低温盐复合吸附剂强化传热研究  57
  3.4 高温盐复合吸附剂吸附特性及反应动力学研究  57-64
    3.4.1 高温盐复合吸附剂传热性能及吸附/解吸特性  57-59
    3.4.2 高温盐复合吸附剂热化学反应平台研究  59-60
    3.4.3 高温盐复合吸附剂反应动力学研究  60-61
    3.4.4 高温盐复合吸附剂等压动态吸附特性  61-62
    3.4.5 高温盐复合吸附剂单位质量制冷功率SCP  62-64
  3.5 实验误差分析  64
  3.6 本章小结  64-66
第四章双重热化学吸附制冷热力循环的实验研究  66-92
  4.1 双重热化学吸附制冷实验测试系统  66-69
    4.1.1 系统构建  66-67
    4.1.2 工作原理  67-69
  4.2 吸附制冷阶段循环特性研究  69-72
    4.2.1 低温盐复合吸附剂温度变化  69-71
    4.2.2 高温盐复合吸附剂温度变化  71-72
    4.2.3 吸附床压力变化  72
  4.3 再吸附制冷阶段循环特性研究  72-76
    4.3.1 低温盐复合吸附剂温度变化  73-74
    4.3.2 高温盐复合吸附剂温度变化  74-75
    4.3.3 吸附床压力变化  75-76
  4.4 双重热化学吸附制冷循环与传统吸附/再吸附制冷循环的比较研究  76-85
    4.4.1 低温床吸附剂温度变化特性  76-78
    4.4.2 高温床吸附剂温度变化特性  78-81
    4.4.3 吸附床压力变化特性  81-84
    4.4.4 制冷理论循环Clapeyron 图  84-85
  4.5 双重热化学吸附制冷循环的性能研究  85-90
    4.5.1 双重吸附制冷性能  85-89
    4.5.2 双重吸附制冷循环的优化策略  89-90
  4.6 实验误差分析  90
  4.7 本章小结  90-92
第五章双重热化学吸附制冷热力循环的优化及其循环特性  92-107
  5.1 基于再热技术的双重热化学吸附制冷循环的优化研究  92-98
    5.1.1 再热技术  92
    5.1.2 基于再热技术的双重吸附制冷循环的热力学分析  92-93
    5.1.3 低温盐复合吸附剂温度变化  93-94
    5.1.4 高温盐复合吸附剂温度变化  94-96
    5.1.5 再吸附制冷阶段吸附床压力变化  96-97
    5.1.6 基于再热技术的双重吸附制冷循环的性能研究  97-98
  5.2 基于新型变压解吸技术的二级双重热化学吸附制冷循环的优化研究  98-105
    5.2.1 变压解吸技术  98
    5.2.2 变压解吸技术在热化学吸附制冷中的可行性研究  98-101
    5.2.3 基于新型变压解吸技术的二级双重吸附制冷循环的热力学分析  101-102
    5.2.4 二级双重吸附制冷循环的吸附床温度变化特性  102-103
    5.2.5 二级双重吸附制冷循环的吸附床压力变化特性  103-105
  5.3 实验误差分析  105
  5.4 本章小结  105-107
第六章基于吸附-再吸附技术的内部回热型多效双重热化学吸附制冷循环研究  107-137
  6.1 热管回热技术在热化学吸附制冷中的应用研究  107-113
    6.1.1 热管回热型热化学吸附制冷系统的工作原理  107-109
    6.1.2 热管回热技术的工作特性  109-113
  6.2 内部回热型双效热化学吸附/再吸附制冷循环系统  113-117
    6.2.1 双效热化学吸附制冷循环系统  113-114
    6.2.2 双效热化学再吸附制冷循环系统  114-115
    6.2.3 双效热化学吸附制冷循环的热力学分析  115-117
  6.3 基于两次内部回热技术的新型多效热化学吸附制冷研究  117-123
    6.3.1 多效热化学吸附制冷热力循环的构建  117-118
    6.3.2 多效热化学吸附制冷循环的热力学分析  118-120
    6.3.3 多效热化学吸附制冷循环系统的性能研究  120-123
  6.4 基于吸附-再吸附技术的内部回热型双效双重热化学吸附制冷研究  123-131
    6.4.1 双效双重热化学吸附制冷热力循环的构建  123-125
    6.4.2 双效双重热化学吸附制冷工质对  125-126
    6.4.3 双效双重热化学吸附制冷循环的热力学分析  126-127
    6.4.4 双效双重热化学吸附制冷循环系统的性能研究  127-131
  6.5 双效双重热化学吸附制冷热力循环优化策略  131-136
    6.5.1 基于变压解吸技术的双效双重热化学吸附制冷循环优化  131-132
    6.5.2 基于再热技术和回冷技术的双效双重热化学吸附制冷循环优化  132-133
    6.5.3 双效双重热化学吸附制冷热力循环的制冷过程优化  133-136
  6.6 本章小结  136-137
第七章总结与展望  137-143
  7.1 研究内容总结  137-139
  7.2 创新性及典型研究成果  139-141
  7.3 课题展望  141-143
参考文献  143-150
致谢  150-151
攻读学位期间发表论文、申请专利及所获奖励  151-154

新型多效双重热化学吸附制冷循环研究

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