基于堿金屬鹵化物固化混合吸附劑的再吸附制冷與熱功轉換循環(huán)研究.pdf

1、本文在強化了堿金屬鹵化物吸附劑的傳熱傳質的基礎上，構建了再吸附制冷與熱功轉換循環(huán)，并且進行了系統(tǒng)模擬設計以及實驗研究。系統(tǒng)利用低品位熱源來驅動高溫鹽進行解吸，通過膨脹機實現(xiàn)對外做功，利用低溫鹽和反應氣體的解吸熱來產生制冷效果。由于化學反應的解吸熱是氨汽化潛熱的2倍之多，所以相比傳統(tǒng)的吸附式制冷效率有所提高。同時由于系統(tǒng)中只存在極少量的液氨，工作壓力低于普通的吸附制冷循環(huán)，所以具有系統(tǒng)承壓小，抗顛簸能力強等優(yōu)點。再吸附制冷與熱功轉換系統(tǒng)主

2、要針對的對象是地熱以及太陽能這樣的中低溫熱源的利用，能夠有效的提高熱源的利用效率。
　　首先對不同散裝堿金屬鹵化物以及堿金屬鹵化物/膨脹石墨固化混合吸附劑的靜態(tài)傳熱傳質性能進行研究。結果表明散裝堿金屬鹵化物的導熱系數(shù)都非常低，介于0.24-0.31 W/(mK)。NH4Cl、CaCl2和MnCl2在高溫鹽、中溫鹽、低溫鹽混合吸附劑中呈現(xiàn)出最好的性能。而不同堿金屬鹵化物/膨脹石墨固化吸附劑的導熱系數(shù)隨著吸附劑密度的減少以及鹽質量比例

3、的增加而減小。對于不同的堿金屬鹵化物吸附劑，當吸附劑密度為450kg/m3和550 kg/m3時，其導熱系數(shù)分別介于0.61-1.87 W/(m·K)和0.84-2.13 W/(m·K)?？紤]到不同堿金屬鹵化物所應用的溫區(qū)，NH4Cl和FeCl3在低溫鹽和高溫鹽中導熱性能更好，而CaCl2和SrCl2/膨脹石墨混合吸附劑的導熱系數(shù)比較接近。不同堿金屬鹵化物/膨脹石墨混合吸附劑的滲透率介于10-10-10-13m2。NaBr、CaCl2和

4、MnCl2為混合吸附劑具有更高的滲透率。在研究了吸附劑靜態(tài)傳熱傳質性能之后，對不同堿金屬鹵化物/膨脹石墨吸附劑的動態(tài)傳熱傳質性能進行研究。隨著吸附量的增加，導熱系數(shù)發(fā)生了明顯的變化，然而這種變化不僅僅是簡單的線性增加。對于不同的堿金屬鹵化物固化吸附劑，在密度為450 kg/m3和550 kg/m3時，其在不同吸附量條件下的導熱系數(shù)分別在0.62-2.4 W/(m·K)和0.89-2.98 W/(m·K)。對于不同的堿金屬鹵化物/膨脹石墨

5、混合吸附劑，在不同吸附量條件下滲透率介于10-14-10-10 m2。對比不同混合吸附劑在反應平衡條件下的擴散和匯聚模式的滲透率可以發(fā)現(xiàn)，滲透率隨著吸附量的增加而減小。利用靜態(tài)導熱系數(shù)和滲透率進行仿真，結果表明制冷量和單位質量吸附劑的制冷量（SCP）開始增加得非?？?，之后逐漸地衰減。將不同參數(shù)條件下的仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)相比較可以發(fā)現(xiàn)，利用動態(tài)的導熱系數(shù)和滲透率仿真結果相比于實驗數(shù)據(jù)，SCP、制冷量、COP誤差分別為9.1％、8.3%、1

6、2%。而利用靜態(tài)導熱系數(shù)的結果SCP、制冷量、COP誤差分別為42.8%、41.4%、36%。利用靜態(tài)導熱系數(shù)和滲透率進行仿真的結果會使得制冷性能參數(shù)的偏差較大，而利用動態(tài)導熱系數(shù)和滲透率則可以比較準確的描述制冷性能參數(shù)。在保持滲透率不下降的基礎上，為了尋求更高導熱系數(shù)的吸附劑，對 CaCl2/膨脹硫化石墨、MnCl2/膨脹硫化石墨混合吸附劑熱質傳遞以及CaCl2/膨脹硫化石墨吸附/解吸反應動力學特性研究。以膨脹硫化石墨為基質的混合吸附

7、劑的導熱系數(shù)和滲透率隨含鹽質量比例和密度的變化和以膨脹石墨為基質的混合吸附劑類似。在CaCl2密度為300 kg/m3以及鹽質量比例為50%時，CaCl2混合吸附劑的導熱系數(shù)最高可以達到88.1 W/(m·K)，對于不同條件下 CaCl2/膨脹硫化石墨混合吸附劑，導熱系數(shù)介于23.5到88.1 W/(m·K)，其滲透率介于9.31×10-10到3.05×10-14 m2，對不同MnCl2質量比例的混合吸附劑，導熱系數(shù)為20.3-80.6

8、 W/(m.K)，滲透率在8.02×10-11-1.01×10-14 m2。對于CaCl2比例為80%的混合吸附劑，在蒸發(fā)溫度為15℃以及冷凝溫度為25℃時，其最大的循環(huán)吸附量可以達到0.4455g/g。CaCl2/膨脹硫化石墨混合吸附劑的量不會隨著密度和鹽質量比例的變化有太多的變化。相比于CaCl2/膨脹石墨混合吸附劑，CaCl2/膨脹硫化石墨混合吸附劑的循環(huán)吸附量要略高一些，同時循環(huán)時間大幅縮短。
　　在對吸附劑傳熱傳質進行了

9、強化以后，構建再吸附制冷與熱功轉換循環(huán)，對再吸附制冷與熱功轉換循環(huán)進行了熱力學分析，驗證了再吸附制冷與熱功轉換系統(tǒng)具有優(yōu)良的工作性能，其最高的發(fā)電和制冷火用效率為0.69和0.29，最高的制冷性能系數(shù)（COP）為0.77。最優(yōu)工況即在150℃過熱溫度條件下，BaCl2-SrCl2-NH3工質對總體火用效率高達0.9。相比于Goswami循環(huán)，總體發(fā)電制冷的火用效率提高了近40%-60%。
　　由于所采用的渦旋式膨脹機使采用空調渦旋

10、式壓縮機改制的，為了研究該渦旋式膨脹機的性能，搭建了壓縮空氣渦旋式膨脹機測試裝置，通過膨脹機進出口溫度和壓力對渦旋式膨脹機的性能進行研究和結果分析，當渦旋式膨脹機進口壓力從0.6增加到1 MPa時，其等熵效率和功電轉換效率維持在60%和80%。當進口壓力達到1 MPa時，渦旋式膨脹機整體內效率為53%。采用傳熱傳質強化以后的混合吸附劑，對 MnCl2-CaCl2-NH3工質對在不同熱源溫度，冷凝溫度和制冷溫度條件下的循環(huán)吸附量進行了測試

11、，利用所測試循環(huán)吸附量的結果以及混合吸附劑熱質傳遞特性，對再吸附制冷與熱功轉換系統(tǒng)進行了模擬仿真與設計，模擬結果表明當熱源溫度為150℃，蒸發(fā)溫度為-10℃變化到20℃，系統(tǒng)總能量效率從0.116增加到0.376，而總體火用效率從0.402變化到0.391。隨后搭建了再吸附制冷與熱功轉換系統(tǒng)，并且對該實驗系統(tǒng)性能進行了研究，結果表明160℃熱源溫度為制冷COP的拐點溫度，當熱源溫度高于160℃時，系統(tǒng)的顯熱負荷增大，繼續(xù)加熱高溫床并不能

12、使系統(tǒng)性能繼續(xù)提高，反而降低制冷功率。當制冷溫度為15℃時，系統(tǒng)COP為0.284-0.396；當制冷溫度10℃，COP為0.277-0.368。而當制冷溫度為15℃時，系統(tǒng)SCP為98.6-340 W/kg。而當制冷溫度為15℃時，系統(tǒng)SCP為91.9-321 W/kg。SCP隨著熱源溫度的升高而逐漸升高。在25℃冷卻溫度、10℃制冷溫度條件下，熱源溫度不同時，再吸附制冷與熱功轉換系統(tǒng)的能量效率從0.293增加到0.417，然后下降到