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CaCl₂/BaCl₂-NH₃两级吸附式制冷循环实验研究

作　者: 王健
导　师: 王丽伟
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 吸附式制冷两级循环低温热源冷冻
分类号: TB66
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

吸附式制冷作为一种环境友好的制冷技术,可以利用低品位热能,在工业废热与太阳能利用上具有很大的发展空间。在低温热源驱动的冷冻应用工况,由于驱动热源温度与环境冷却温度的限制,传统的单级化学吸附式循环很难实现。针对这一问题,本文采用两级化学吸附式制冷循环,分别选取氯化钙与氯化钡为中温盐与低温盐,对两级吸附系统进行模拟仿真,进而设计了氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷实验系统,并对系统的制冷性能进行测试。两级吸附式制冷循环是以基本吸附式制冷和再吸附过程为基础的循环方式,结合了单级吸附式制冷与再吸附过程的优势。通过工作在两种不同温区的吸附盐的搭配与两级解吸过程,实现中温盐与低温盐的再生,从而有效降低了循环对驱动热源与冷却温度要求。分别选取氯化钙与氯化钡作为两级吸附制冷循环的中温盐与低温盐,对氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷循环进行热力分析,结果表明:为获得-20℃制冷温度,当冷却温度为30℃时,相对于氯化钙-氨单级吸附式制冷循环,氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷循环的最大平衡解吸温度由98℃降至69℃,降低幅度接近30%,而相对于氯化钡-氨单级吸附式制冷循环,最低平衡吸附温度由16℃升至43℃,升幅为269%,而且此时最小驱动温差为13℃。因此,两级吸附式制冷完全可以实现80～100℃的低品位热能驱动下-20～-15℃深度冷冻工况的应用。采用实验拟合的吸附解吸方程与传热方程相耦合的形式建立模型方程,对氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷系统系统进行模拟仿真,结果表明,两级吸附式制冷系统可以利用85℃低温热源,在30℃冷凝温度下,获得-15℃的制冷温度,同时达到2.6kW制冷量,SCP和COP分别为115W/kg和0.238。在模拟仿真的基础上,设计并建立氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷实验系统。对实验系统的制冷性能进行测试,结果表明:氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统的制冷性能与循环时间密切相关,随着循环时间的增加,系统SCP与COP先增加后减小,存在最优循环时间区间。在最佳循环时间,即25～40分钟时,系统SCP和COP分别稳定在100W/kg和0.127左右。为了获得较好的制冷性能,要求氯化钙解吸时间比吸附时间略长;随着热源温度与制冷温度的增高,系统的制冷性能提高,当热源温度85℃时,冷却温度为25℃,制冷温度-15℃～-5℃时,制冷功率为1.12～1.49kW;实验过程中,不凝性气体可能通过多种途径进入系统,不凝性气体进入的显著标志是解吸压力的提高。不凝性气体会导致系统制冷性能降低,当最高解吸压力升高140kPa时,制冷功率降低10%左右。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-16
第1章绪论  16-26
  1.1 课题背景及意义  16-17
  1.2 国内外研究现状  17-23
    1.2.1 吸附工质对  17-20
    1.2.2 吸附床传热强化技术  20-21
    1.2.3 高效吸附式制冷循环  21-22
    1.2.4 低温热源驱动的吸附式冷冻工况研究现状  22-23
  1.3 本文主要工作  23-26
第2章两级吸附式制冷循环  26-40
  2.1 两级吸附式制冷循环原理  26-31
    2.1.1 基本循环  26-27
    2.1.2 再吸附循环  27
    2.1.3 两级循环  27-28
    2.1.4 两级循环Clapeyron 图  28-31
  2.2 吸附工质对选择  31-33
    2.2.1 吸附剂  31-32
    2.2.2 添加剂  32-33
  2.3 氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷循环热力分析  33-37
    2.3.1 单级循环  33-34
    2.3.2 两级循环  34-36
    2.3.3 性能预测  36-37
  2.4 氯化钙与氯化钡吸附量测试  37-39
    2.4.1 测试装置  37
    2.4.2 测试过程  37-38
    2.4.3 测试结果  38-39
  2.5 本章小结  39-40
第3章两级吸附式制冷系统仿真  40-46
  3.1 系统简介  40-41
  3.2 数学模型  41-43
    3.2.1 模型假设  41-42
    3.2.2 模型方程  42-43
  3.3 结果与讨论  43-45
  3.4 本章小结  45-46
第4章两级吸附式制冷系统设计与测试  46-53
  4.1 系统设计  46-50
    4.1.1 吸附床  46-47
    4.1.2 吸附剂的制备  47-48
    4.1.3 蒸发器与冷凝器  48-49
    4.1.4 实验台建立  49-50
  4.2 实验过程  50-52
    4.2.1 仪表与控制  50
    4.2.2 实验步骤  50-52
  4.3 本章小结  52-53
第5章实验结果与分析  53-66
  5.1 性能参数  53-54
  5.2 测量参数  54-57
    5.2.1 温度  54-56
    5.2.2 压力  56-57
    5.2.3 流量  57
  5.3 系统性能  57-63
    5.3.1 循环时间对制冷性能的影响  57-61
    5.3.2 不同工况下制冷性能  61-62
    5.3.3 不凝性气体对系统性能影响  62-63
  5.4 本章小结  63-66
第6章总结与展望  66-69
  6.1 主要结论  66-67
  6.2 研究展望  67-69
参考文献  69-75
附录氨饱和液和饱和蒸气的热力性质  75-76
致谢  76-77
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  77

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