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低温位驱动的固—气热化学吸附制冷工质对及变压解吸特性研究

作　者: 陈恒
导　师: 吴静怡
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 吸附制冷二级解吸氯化锰低温余热
分类号: TB66
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近些年来,随着世界对环境问题以及能源问题的日趋重视,以及人们日益提高的对生活质量的要求,对制冷空调耗能巨大这一现状的认识,使得开发利用太阳能等新能源以及回收利用工业余热废热等低品位热源的节能型制冷技术成为制冷界关注的焦点。传统的吸附式制冷循环在低品位热源方面（如太阳能、工业余热等）所采用的吸附剂由于受解吸循环方式的限制,一般为氯化锶或氯化钡,而其他高解吸温度的金属氯化物吸附剂基本无法应用于这些场合,这极大的限制了低品位热源的应用范围。针对上述问题,本课题以实现降低高解吸温度金属氯化物吸附剂的解吸热源温度为目标,构建了基于变压解吸技术的新型二级热化学吸附制冷循环,并结合膨胀石墨作基质的固化复合吸附剂传热传质强化技术,配置了氯化锰—膨胀石墨复合吸附剂、氯化钡—膨胀石墨复合吸附剂以及氯化锶—膨胀石墨复合吸附剂。由于传统的两种低温盐吸附剂——氯化钡和氯化锶在以前的研究报道中鲜有膨胀石墨做基质的研究分析,因此本文首先对这两种固化复合吸附剂进行了实验研究。随后,在三种复合吸附剂中,首先确立了采用氯化锰—膨胀石墨复合吸附剂作为高温盐吸附剂,而剩下的两种则通过之前的实验研究,并结合理论分析进行优化匹配,最终确立采用氯化锶—膨胀石墨复合吸附剂作为低温盐吸附剂。在此基础上,本课题后续实验研究了基于变压解吸技术的二级热化学吸附制冷循环,验证了变压解吸技术的可行性、所能实现的高温盐解吸热源温降幅度以及相关的影响因素,课题得出的主要结论如下:（1）以膨胀石墨为基质并采用加压处理后的固化复合吸附剂有利于改善吸附剂的传热传质性能,并有效克服了金属盐吸附剂反应过程中极易出现的膨胀、结块和裂解等问题。配制过程中实践表明,制取膨胀石墨时,采用700℃左右的高温烘烤5-10分钟是比较合适的,此时石墨体积的膨胀基本达到最大,同时燃烧质量损失也最小;加压固化处理时要注意使吸附剂沿圆周方向受力均匀,尽量减小操作误差,保证实验结果的准确性;除此之外,由于吸附剂含大量的金属盐成分,与水分接触极容易发生电解反应从而对不锈钢材质的反应器及管路产生强烈腐蚀,因此实验系统必须要加热排水分、抽真空,并且保证系统具有良好的气密性。（2）两种常规低温盐吸附剂的物性实验表明: SrCl₂复合吸附剂能够达到的蒸发温度为-20℃,甚至更低,适用于低温冷冻的场合;而BaCl₂能够达到的最低温度5℃左右,适用于空调场合。因此SrCl₂所能应用的温度范围更宽,可应用场合更多;同时在冷却水温度30℃条件下,SrCl₂在-5℃时可以吸附氨的最大值为0.7kg/kg,循环半周期为60min时SCP达220W/kg,远大于BaCl₂的相关数值。这就意味着同样的制冷要求条件下,相同的循环时间,采用SrCl₂复合吸附剂需要的量更少,非常有利于减少系统设备的体积;针对变压解吸,结合Claperon反应曲线图从理论上分析可知,氯化锰—膨胀石墨做高温盐吸附剂与氯化锶—膨胀石墨作低温盐吸附剂相匹配,所能达到的解吸热源温降幅度更大,理论分析该吸附工质对的基于变压解吸的二级热化学解吸过程,与传统的高温盐吸附剂解吸过程相比,所需的解吸热源温度可以低至76℃,若考虑解吸驱动温差的话,实际实验中所需的解吸热源温度可降至100℃左右。（3）二级热化学吸附制冷循环变压解吸过程研究中,实验采用氯化锰—膨胀石墨为高温盐吸附剂,氯化锶—膨胀石墨为低温盐吸附剂,对其变压解吸过程进行了实验研究。实验证明,变压解吸技术可以降低解吸热源温度,同时解吸过程中也受到多种因素影响。解吸温度越高,变压解吸反应速率越快,反应时间越短,当解吸温度为140℃时整个变压解吸过程耗时不到50min;同时,变压解吸过程中高温盐端的解吸温度对系统的压力影响很大,并能影响到低温盐吸附过程的温度变化情况;除此之外,在相同的蒸发温度下,解吸温度越高,变压解吸率越高,有利于保证系统连续运行时的吸附性能;而在吸附剂吸附饱和的情况下,相同的解吸温度,蒸发温度越高,变压解吸率越低。因此应用中应综合考虑,选择合适的蒸发温度和解吸温度。本实验中,当蒸发温度为-30℃,解吸温度为120℃时,系统变压解吸率可达100%,同时相对于传统的解吸过程,采用变压解吸其温降幅度可达60℃,这对于扩大余热、太阳能等低品位热源的应用范围都具有重要的意义。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-13
符号说明  13-16
第一章课题背景及意义  16-24
  1.1 课题研究背景  16-17
  1.2 吸附制冷国内外研究现状  17-22
    1.2.1 物理吸附工质对  17-19
    1.2.2 化学吸附工质对  19-20
    1.2.3 低温位驱动的吸附制冷吸附剂  20-21
    1.2.4 关于变压解吸介绍  21-22
  1.3 本文研究内容  22-24
第二章固化复合吸附剂的制作  24-32
  2.1 复合吸附剂的配置  24-27
  2.2 复合吸附剂的固化  27-28
  2.3 复合吸附剂的安装  28-29
  2.4 实验准备工作  29-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章氯化钡和氯化锶复合吸附剂吸附性能研究  32-54
  3.1 实验概述  32-34
  3.2 氯化钡吸附性能研究  34-43
    3.2.1 吸附床升/降温过程分析  35-37
    3.2.2 反应过程吸附床温度变化情况  37-38
    3.2.3 吸附床吸附量  38-40
    3.2.4 压力对复合吸附剂吸附性能的影响  40-42
    3.2.5 氯化钡吸附制冷系统性能估算  42-43
  3.3 氯化锶吸附性能研究  43-49
    3.3.1 蒸发温度对吸附反应过程的影响  44-45
    3.3.2 蒸发温度对吸附反应转化率的影响  45-46
    3.3.3 系统的SCP 和COP  46-49
  3.4 氯化钡和氯化锶复合吸附剂比较  49-52
  3.5 本章小结  52-54
第四章二级热化学吸附制冷循环变压解吸过程实验研究  54-68
  4.1 二级热化学吸附制冷循环变压解吸理论  54-57
  4.2 实验测试系统  57-61
    4.2.1 系统装置  57-59
    4.2.2 工作原理  59-61
  4.3 变压解吸影响因素分析  61-66
    4.3.1 吸附床温度变化  61-63
    4.3.2 变压解吸阶段热源温度对反应的影响  63-65
    4.3.3 蒸发温度对变压解吸过程解吸率的影响  65-66
  4.4 本章小结  66-68
第五章研究总结与展望  68-74
  5.1 研究内容总结  68-71
  5.2 课题展望  71-74
参考文献  74-80
致谢  80-82
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及专利成果  82

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