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(zhuǎn)換循環(huán)研究.pdf

1、本文在強(qiáng)化了堿金屬鹵化物吸附劑的傳熱傳質(zhì)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了再吸附制冷與熱功轉(zhuǎn)換循環(huán)，并且進(jìn)行了系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)研究。系統(tǒng)利用低品位熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)高溫鹽進(jìn)行解吸，通過(guò)膨脹機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)外做功，利用低溫鹽和反應(yīng)氣體的解吸熱來(lái)產(chǎn)生制冷效果。由于化學(xué)反應(yīng)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(shí)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。再吸附制冷與熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主

2、要針對(duì)的對(duì)象是地?zé)嵋约疤?yáng)能這樣的中低溫?zé)嵩吹睦?，能夠有效的提高熱源的利用效率?br>　　首先對(duì)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(zhì)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明散裝堿金屬鹵化物的導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)隨著吸附劑密度的減少以及鹽質(zhì)量比例

3、的增加而減小。對(duì)于不同的堿金屬鹵化物吸附劑，當(dāng)吸附劑密度為450kg/m3和550 kg/m3時(shí)，其導(dǎo)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(yīng)用的溫區(qū)，NH4Cl和FeCl3在低溫鹽和高溫鹽中導(dǎo)熱性能更好，而CaCl2和SrCl2/膨脹石墨混合吸附劑的導(dǎo)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(zhì)性能之后，對(duì)不同堿金屬鹵化物/膨脹石墨吸附劑的動(dòng)態(tài)傳熱傳質(zhì)性能進(jìn)行研究。隨著吸附量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生了明顯的變化，然而這種變化不僅僅是簡(jiǎn)單的線性增加。對(duì)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(shí)，其在不同吸附量條件下的導(dǎo)熱系數(shù)分別在0.62-2.4 W/(m·K)和0.89-2.98 W/(m·K)。對(duì)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(duì)比不同混合吸附劑在反應(yīng)平衡條件下的擴(kuò)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(dǎo)熱系數(shù)和滲透率進(jìn)行仿真，結(jié)果表明制冷量和單位質(zhì)量吸附劑的制冷量（SCP）開(kāi)始增加得非常快，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較可以發(fā)現(xiàn)，利用動(dòng)態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)和滲透率仿真結(jié)果相比于實(shí)驗(yàn)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(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)果SCP、制冷量、COP誤差分別為42.8%、41.4%、36%。利用靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)和滲透率進(jìn)行仿真的結(jié)果會(huì)使得制冷性能參數(shù)的偏差較大，而利用動(dòng)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)和滲透率則可以比較準(zhǔn)確的描述制冷性能參數(shù)。在保持滲透率不下降的基礎(chǔ)上，為了尋求更高導(dǎo)熱系數(shù)的吸附劑，對(duì) CaCl2/膨脹硫化石墨、MnCl2/膨脹硫化石墨混合吸附劑熱質(zhì)傳遞以及CaCl2/膨脹硫化石墨吸附/解吸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性研究。以膨脹硫化石墨為基質(zhì)的混合吸附

7、劑的導(dǎo)熱系數(shù)和滲透率隨含鹽質(zhì)量比例和密度的變化和以膨脹石墨為基質(zhì)的混合吸附劑類似。在CaCl2密度為300 kg/m3以及鹽質(zhì)量比例為50%時(shí)，CaCl2混合吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)最高可以達(dá)到88.1 W/(m·K)，對(duì)于不同條件下 CaCl2/膨脹硫化石墨混合吸附劑，導(dǎo)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(duì)不同MnCl2質(zhì)量比例的混合吸附劑，導(dǎo)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(duì)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(shí)，其最大的循環(huán)吸附量可以達(dá)到0.4455g/g。CaCl2/膨脹硫化石墨混合吸附劑的量不會(huì)隨著密度和鹽質(zhì)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(shí)循環(huán)時(shí)間大幅縮短。
　　在對(duì)吸附劑傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了

9、強(qiáng)化以后，構(gòu)建再吸附制冷與熱功轉(zhuǎn)換循環(huán)，對(duì)再吸附制冷與熱功轉(zhuǎn)換循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，驗(yàn)證了再吸附制冷與熱功轉(zhuǎn)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(guò)熱溫度條件下，BaCl2-SrCl2-NH3工質(zhì)對(duì)總體火用效率高達(dá)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(jī)使采用空調(diào)渦旋

10、式壓縮機(jī)改制的，為了研究該渦旋式膨脹機(jī)的性能，搭建了壓縮空氣渦旋式膨脹機(jī)測(cè)試裝置，通過(guò)膨脹機(jī)進(jìn)出口溫度和壓力對(duì)渦旋式膨脹機(jī)的性能進(jìn)行研究和結(jié)果分析，當(dāng)渦旋式膨脹機(jī)進(jìn)口壓力從0.6增加到1 MPa時(shí)，其等熵效率和功電轉(zhuǎn)換效率維持在60%和80%。當(dāng)進(jìn)口壓力達(dá)到1 MPa時(shí)，渦旋式膨脹機(jī)整體內(nèi)效率為53%。采用傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化以后的混合吸附劑，對(duì) MnCl2-CaCl2-NH3工質(zhì)對(duì)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(jìn)行了測(cè)試

11、，利用所測(cè)試循環(huán)吸附量的結(jié)果以及混合吸附劑熱質(zhì)傳遞特性，對(duì)再吸附制冷與熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真與設(shè)計(jì)，模擬結(jié)果表明當(dāng)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(zhuǎn)換系統(tǒng)，并且對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明160℃熱源溫度為制冷COP的拐點(diǎn)溫度，當(dāng)熱源溫度高于160℃時(shí)，系統(tǒng)的顯熱負(fù)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(dāng)制冷溫度為15℃時(shí)，系統(tǒng)COP為0.284-0.396；當(dāng)制冷溫度10℃，COP為0.277-0.368。而當(dāng)制冷溫度為15℃時(shí)，系統(tǒng)SCP為98.6-340 W/kg。而當(dāng)制冷溫度為15℃時(shí)，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(shí)，再吸附制冷與熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量效率從0.293增加到0.417，然后下降到