新型混合吸附劑的吸附特性及其在低壓蒸汽驅(qū)動的吸附式冷凍機組中的應(yīng)用.pdf

1、固體吸附式制冷作為一種可以有效地利用低品位熱能，且沒有環(huán)境破壞性的制冷技術(shù)，受到了國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注。吸附式制冷技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，對吸附工質(zhì)對和吸附制冷系統(tǒng)的研究已經(jīng)非常的成熟，目前，0℃以下的制冷系統(tǒng)主要使用的是氯化鈣/膨脹石墨混合吸附劑—氨為工質(zhì)對。但是氯化鈣/膨脹石墨混合吸附劑—氨工質(zhì)對的研究，在實際應(yīng)用中存在五個方面的問題，一是氯化鈣/膨脹石墨混合吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)較低(導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.1-0.2W.m-1·K-1)，無法快速

2、的將吸附/解吸熱傳遞出去，導(dǎo)致循環(huán)周期延長，降低了吸附制冷系統(tǒng)的制冷功率；二是吸附劑在多次的吸附和解吸后會出現(xiàn)性能衰減現(xiàn)象，這大大降低了吸附劑的吸附能力；三是在氯化鈣/膨脹石墨混合吸附劑一氨吸附系統(tǒng)的設(shè)計方面，傳統(tǒng)的通過四通閥切換煙氣和冷水進(jìn)入傳熱管道的系統(tǒng)，雖然有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，但是卻無法克服傳熱管道在冷、熱交變工況下的煙氣腐蝕問題；四是熱管加熱和冷卻系統(tǒng)雖然可以克服傳熱管道的腐蝕問題，但是由于熱管介質(zhì)的工作壓力在加熱和冷卻過程中出現(xiàn)

3、正負(fù)壓交替現(xiàn)象，導(dǎo)致吸附床的加熱和冷卻切換閥門隨著吸附床的加熱和冷卻過程的切換，而處在正負(fù)壓頻繁交替的工作狀態(tài)，這將使吸附床加熱/冷卻切換閥門的使用壽命大大縮短；五是，吸附制冷系統(tǒng)目前的應(yīng)用領(lǐng)域比較狹小，對于石油行業(yè)，化工廠和電廠即有大量低壓蒸汽余熱，又有低溫冷凍需求的領(lǐng)域，幾乎還沒有吸附式制冷系統(tǒng)的應(yīng)用。本文研制了新型的氯化鈣/膨脹石墨混合吸附劑，并應(yīng)用在低壓蒸汽驅(qū)動的吸附冷凍機組中。主要研究內(nèi)容及成果如下： ⑴采用溶液處理法

4、研制了一種新型混合吸附劑，并進(jìn)行壓塊處理。測試了混合吸附劑的傳熱和傳質(zhì)特性，分析了膨脹石墨增強氯化鈣導(dǎo)熱系數(shù)的原因。新型混合吸附劑的混合均勻性顯著提高，從而使混合吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高。混合吸附劑的密度不同，其導(dǎo)熱系數(shù)也不相同，其值在0.22～4.0 W·m-1·K-1之間，比粉末狀吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)0.1～0.2 W·m-1·K-1增加了2～10倍。塊狀混合吸附劑的孔隙率得到了明顯的提高，其值為0.36～0.82，比純氯化鈣的孔隙率0

5、.352提高了1～2.5倍。從而使吸附劑的傳質(zhì)性能得到顯著提高。 ⑵建立了混合吸附劑定容物性測試實驗臺，對混合吸附劑的不同吸附溫度、不同解吸溫度下的吸附性能進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示，混合吸附劑的混合均勻性會影響吸附劑的傳質(zhì)過程，混合吸附劑的均勻性越好，吸附劑的傳質(zhì)性能也就越好。本文研制的混合吸附劑比文獻(xiàn)中的混合吸附劑的均勻性好，因而具有較好的傳質(zhì)性能。同時通過對CaCl2·8NFt3<=>CaCl2·4NH3， CaCl2·4NH

6、3<=>CaCl2·2NH3以及兩者同時解吸時解吸速度的實驗研究和數(shù)值預(yù)測發(fā)現(xiàn)，在相同解吸溫度下，CaCl2·SNH3<=>CaCl2·4NH3的平均解吸速度是CaCl2·4NH3<=>CaCl2·2NH3的解吸速度的2.0～3.7倍，兩者同時解吸時的解吸速度小于兩者單獨解吸時的解吸速度之和。并通過實驗數(shù)據(jù)的分析，建立了混合吸附劑吸附動力學(xué)模型。 ⑶研制了一臺新型的低壓蒸汽驅(qū)動的吸附式冷凍樣機。該樣機采用新型混合吸附劑—氨為吸附

7、工質(zhì)對，利用熱管系統(tǒng)加熱吸附床，閉式單相流體冷卻吸附床。該樣機的循環(huán)方式為基礎(chǔ)循環(huán)和回質(zhì)循環(huán)結(jié)合。回質(zhì)管打破了傳統(tǒng)的安裝在兩個吸附床之間循環(huán)方式，采用了安裝在兩個蒸發(fā)器之間的循環(huán)方式，從而保護(hù)蒸發(fā)器中的冷量，實現(xiàn)吸附式制冷系統(tǒng)的連續(xù)制冷。 ⑷建立了低壓蒸汽驅(qū)動的吸附式冷凍機組性能測試實驗臺，獲得所研制的冷凍機組的整機性能參數(shù)和部件性能參數(shù)。研究了不同熱源溫度，冷凍液溫度，冷卻水溫度和蒸發(fā)溫度條件下，機組的運行特性。在蒸發(fā)溫度為-

8、17℃，冷卻水溫度為25℃，最高熱源溫度為140.3℃。吸附式冷凍機組在加熱/冷卻時間25min的平均制冷量為11.4 kW，平均吸附速度為3.5×104kg.kg-1.s-1。比文獻(xiàn)中提到的相同工作工況下，平均吸附速度2.7×10-4 kg.kg-1.s-1，提高了30％。吸附床在加熱過程中的平均換熱系數(shù)為745.4 W.m-2.℃-1，冷卻過程中的平均換熱系數(shù)為832.6 W.m-2.℃-1。比文獻(xiàn)中吸附床在加熱過程和冷卻過程中的傳

9、熱系數(shù)分別提高了265％和300％。在加熱過程中，吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)為0.72 W.m-1.℃-1。在冷卻過程中，吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)為0.56 W.m-1.℃-1，與理論計算結(jié)果相差不大。 ⑸研究了回質(zhì)閥安裝位置的改變對冷凍機組制冷性能的改善，研究結(jié)果表明，這種回質(zhì)閥的安裝方式，有效的保護(hù)了蒸發(fā)器中的冷量，實現(xiàn)了吸附式冷凍機組的連續(xù)制冷性能。為吸附式制冷系統(tǒng)的后續(xù)改進(jìn)工作和理論分析提供必要的數(shù)據(jù)。綜合理論分析和實驗研究的結(jié)果，對所研