太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)活性炭-甲醇吸附式制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究.pdf

1、能源是當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源需求的持續(xù)增長，化石能源供應(yīng)緊張和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，可替代化石燃料的太陽能與生物質(zhì)能等可再生能源的開發(fā)利用被提到了更高的戰(zhàn)略地位，對(duì)于改善城郊果蔬種植園區(qū)及缺電邊遠(yuǎn)山區(qū)等區(qū)域的人居環(huán)境生態(tài)問題和能源資源利用具有重要意義。由于氯氟烴類制冷劑CFC、HCFC逐漸被停用，吸附式制冷作為一種可以有效利用低品位能源的環(huán)境友好型制冷方式，符合當(dāng)前能源資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的

2、趨勢，已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱門課題。
　　本研究針對(duì)目前我國農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)戶產(chǎn)業(yè)模式的發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)理論分析和試驗(yàn)研究，提出了一種作為油麥菜等果蔬的真空預(yù)冷+貯藏冷庫的冷源，適合于太陽能、生物質(zhì)能等低品位能源驅(qū)動(dòng)吸附式制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。研究利用太陽能和生物質(zhì)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)、以玉米秸稈為原料經(jīng)磷酸化處理進(jìn)行粒狀活性炭制備、用于活性炭—甲醇工質(zhì)對(duì)的吸附式制冷系統(tǒng)，可為果蔬等農(nóng)產(chǎn)品種植園區(qū)實(shí)現(xiàn)農(nóng)戶自建小型保鮮貯藏冷庫提供有效的技術(shù)支持

3、，以期緩解當(dāng)?shù)毓叩绒r(nóng)產(chǎn)品集中上市的銷售壓力，解決當(dāng)?shù)匾蜾N售不暢、物流滯后等問題。
　　本文對(duì)太陽能與生物質(zhì)能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)活性炭—甲醇間歇吸附式制冷系統(tǒng)作了細(xì)致的試驗(yàn)與理論研究工作，主要包括以下內(nèi)容:
　　1.根據(jù)系統(tǒng)供冷能力與冷藏?zé)嶝?fù)荷需求同向變化的特點(diǎn)，分析基于熱源變化特性及其對(duì)吸附機(jī)組性能的影響，提出聯(lián)合制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案;結(jié)合當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)能資源情況和氣候條件的不同，提出適宜于聯(lián)合制冷系統(tǒng)運(yùn)行的三種控制模式。
　　2.

4、基于強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)的機(jī)理分析，設(shè)計(jì)了一種用于實(shí)驗(yàn)室小試、帶有分散到吸附劑中的矩形支管的圓形刺孔膜片式吸附質(zhì)管的殼管式吸附床。
　　(1)針對(duì)改善吸附床的傳熱和利于床層傳質(zhì)擴(kuò)散性能等方面討論了膜片在吸附質(zhì)流動(dòng)擠壓彎曲變形時(shí)正應(yīng)力與切應(yīng)力、擴(kuò)散通量與擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)之間的變化關(guān)系，可為刺孔膜片式管的傳質(zhì)機(jī)理及特性進(jìn)一步的深入研究提供了理論依據(jù)及一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。
　　(2)為了深入研究太陽能、生物質(zhì)能綜合利用效率，分析吸附床的熱傳導(dǎo)

5、性能，進(jìn)行了吸附床殼體制作材料的導(dǎo)熱性能測定試驗(yàn)，從而為吸附床的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。
　　3.對(duì)生物質(zhì)鍋爐與太陽能聯(lián)合匹配驅(qū)動(dòng)吸附制冷系統(tǒng)實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行了分析。通過系統(tǒng)仿真和試驗(yàn)測試，研究生物質(zhì)能與太陽能的適配性（耦合過程）問題。研究結(jié)果表明，生物質(zhì)能與太陽能匹配與否對(duì)系統(tǒng)的制冷量有較大的影響，反映了系統(tǒng)供冷能力與末端熱負(fù)荷具有同向變化的特性。生物質(zhì)鍋爐與太陽能集熱器并聯(lián)工況下，蓄熱水箱出口（制冷機(jī)組進(jìn)口）水溫變化取決于β的

6、取值:回水流量分配比例β的取值范圍為0.5～0.6（采用單一的太陽能熱水運(yùn)行模式、β取值0.5，采用雙熱源聯(lián)合驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式，β取值0.55，采用單一的生物質(zhì)熱水鍋爐熱水運(yùn)行模式，β取值0.6。）。
　　4.用磷酸法制備粒狀玉米秸稈活性炭的試驗(yàn)。利用玉米秸稈為原料、采用磷酸法制備吸附式制冷系統(tǒng)用活性炭，從理論和試驗(yàn)層面上分析了炭料的活化機(jī)理、產(chǎn)率及其吸附性能，并用正交試驗(yàn)法對(duì)活性炭性能影響的因素進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，活化溫度、活化

7、時(shí)間對(duì)炭產(chǎn)率及吸附量的影響較大。提出了制備粒狀玉米秸稈活性炭的最佳工藝條件:試驗(yàn)用磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)55％、固液比1∶3、活化溫度450℃，活化時(shí)長為3h。
　　5.搭建了吸附性能模擬試驗(yàn)臺(tái)，采用重量法測試制備的粒狀活性炭對(duì)甲醇的吸附、解吸能力，著重研究了活性炭—甲醇工質(zhì)對(duì)的性能參數(shù)及吸附制冷循環(huán)中的吸附量、吸附率等對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)制冷性能的影響。
　　(1)床內(nèi)盛裝同種試樣炭料試驗(yàn):同一吸附溫度下，新型吸附床C（內(nèi)置膜片式刺孔吸附質(zhì)管

8、）的吸附性能明顯優(yōu)于未進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)的吸附床D，且達(dá)到相同吸附量0.203 g/g時(shí)，C床提前了4分鐘;床內(nèi)盛裝不同粒徑與同一粒徑活性炭的對(duì)比試驗(yàn):同一吸附溫度下，其吸附性能明顯優(yōu)于盛裝同一粒徑的，且達(dá)到同一吸附量0.201 g/g時(shí)，吸附提前了15分鐘。
　　(2)在制冷循環(huán)時(shí)間內(nèi)，不同油浴控溫下吸附床內(nèi)的溫度和壓力均隨著加熱時(shí)間的增加逐漸升高。油浴控溫設(shè)置溫度越高、吸附床內(nèi)溫度變化越明顯，加熱初始階段升溫速率較慢、中期急劇上升、

9、后期逐漸減慢。不同油浴控溫下吸附床內(nèi)的壓力，隨著系統(tǒng)內(nèi)解吸量的增加而持續(xù)升高，并逐漸趨于平緩。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)循環(huán)COP、制冷量隨著解吸溫度升高均有所增加，且解吸溫度存在一個(gè)較高峰值為341.15K。經(jīng)測試、計(jì)算:循環(huán)吸附量為0.248kg/kg時(shí)， COP為0.086，等量吸附熱平均值為1867.23 kJ/kg。
　　6.為了驗(yàn)證課題設(shè)計(jì)方案在真空預(yù)冷中應(yīng)用的可行性，以平頂山市南郊蔬菜種植園區(qū)種植的油麥菜為研究對(duì)象，利用MA

10、TLAB軟件，對(duì)油麥菜真空貯藏過程的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行建模分析，提出真空預(yù)冷過程中，表面噴水量和預(yù)冷壓力等對(duì)其預(yù)冷過程中的失重有較大的影響，并用試驗(yàn)方法對(duì)模型加以驗(yàn)證。針對(duì)油麥菜的物性和真空預(yù)冷過程中的熱質(zhì)傳遞機(jī)理，分析了捕水器在真空預(yù)冷過程中的換熱特性，并從理論上計(jì)算了捕捉真空室內(nèi)油麥菜預(yù)冷過程蒸發(fā)出來的水蒸氣量。
　　模擬結(jié)果表明，預(yù)冷過程真空室內(nèi)壓力、干空氣壓力和濕空氣密度均呈減小趨勢，且真空壓力越低，油麥菜的降溫速率和失水率越大