基于碱金属卤化物固化混合吸附剂的再吸附制冷与热功转换循环研究

摘要

本文在强化了碱金属卤化物吸附剂的传热传质的基础上，构建了再吸附制冷与热功转换循环，并且进行了系统模拟设计以及实验研究。系统利用低品位热源来驱动高温盐进行解吸，通过膨胀机实现对外做功，利用低温盐和反应气体的解吸热来产生制冷效果。由于化学反应的解吸热是氨汽化潜热的2倍之多，所以相比传统的吸附式制冷效率有所提高。同时由于系统中只存在极少量的液氨，工作压力低于普通的吸附制冷循环，所以具有系统承压小，抗颠簸能力强等优点。再吸附制冷与热功转换系统主要针对的对象是地热以及太阳能这样的中低温热源的利用，能够有效的提高热源的利用效率。
　　首先对不同散装碱金属卤化物以及碱金属卤化物/膨胀石墨固化混合吸附剂的静态传热传质性能进行研究。结果表明散装碱金属卤化物的导热系数都非常低，介于0.24-0.31 W/(mK)。NH4Cl、CaCl2和MnCl2在高温盐、中温盐、低温盐混合吸附剂中呈现出最好的性能。而不同碱金属卤化物/膨胀石墨固化吸附剂的导热系数随着吸附剂密度的减少以及盐质量比例的增加而减小。对于不同的碱金属卤化物吸附剂，当吸附剂密度为450kg/m3和550 kg/m3时，其导热系数分别介于0.61-1.87 W/(m·K)和0.84-2.13 W/(m·K)。考虑到不同碱金属卤化物所应用的温区，NH4Cl和FeCl3在低温盐和高温盐中导热性能更好，而CaCl2和SrCl2/膨胀石墨混合吸附剂的导热系数比较接近。不同碱金属卤化物/膨胀石墨混合吸附剂的渗透率介于10-10-10-13m2。NaBr、CaCl2和MnCl2为混合吸附剂具有更高的渗透率。在研究了吸附剂静态传热传质性能之后，对不同碱金属卤化物/膨胀石墨吸附剂的动态传热传质性能进行研究。随着吸附量的增加，导热系数发生了明显的变化，然而这种变化不仅仅是简单的线性增加。对于不同的碱金属卤化物固化吸附剂，在密度为450 kg/m3和550 kg/m3时，其在不同吸附量条件下的导热系数分别在0.62-2.4 W/(m·K)和0.89-2.98 W/(m·K)。对于不同的碱金属卤化物/膨胀石墨混合吸附剂，在不同吸附量条件下渗透率介于10-14-10-10 m2。对比不同混合吸附剂在反应平衡条件下的扩散和汇聚模式的渗透率可以发现，渗透率随着吸附量的增加而减小。利用静态导热系数和渗透率进行仿真，结果表明制冷量和单位质量吸附剂的制冷量（SCP）开始增加得非常快，之后逐渐地衰减。将不同参数条件下的仿真数据和实验数据相比较可以发现，利用动态的导热系数和渗透率仿真结果相比于实验数据，SCP、制冷量、COP误差分别为9.1％、8.3%、12%。而利用静态导热系数的结果SCP、制冷量、COP误差分别为42.8%、41.4%、36%。利用静态导热系数和渗透率进行仿真的结果会使得制冷性能参数的偏差较大，而利用动态导热系数和渗透率则可以比较准确的描述制冷性能参数。在保持渗透率不下降的基础上，为了寻求更高导热系数的吸附剂，对 CaCl2/膨胀硫化石墨、MnCl2/膨胀硫化石墨混合吸附剂热质传递以及CaCl2/膨胀硫化石墨吸附/解吸反应动力学特性研究。以膨胀硫化石墨为基质的混合吸附剂的导热系数和渗透率随含盐质量比例和密度的变化和以膨胀石墨为基质的混合吸附剂类似。在CaCl2密度为300 kg/m3以及盐质量比例为50%时，CaCl2混合吸附剂的导热系数最高可以达到88.1 W/(m·K)，对于不同条件下 CaCl2/膨胀硫化石墨混合吸附剂，导热系数介于23.5到88.1 W/(m·K)，其渗透率介于9.31×10-10到3.05×10-14 m2，对不同MnCl2质量比例的混合吸附剂，导热系数为20.3-80.6 W/(m.K)，渗透率在8.02×10-11-1.01×10-14 m2。对于CaCl2比例为80%的混合吸附剂，在蒸发温度为15℃以及冷凝温度为25℃时，其最大的循环吸附量可以达到0.4455g/g。CaCl2/膨胀硫化石墨混合吸附剂的量不会随着密度和盐质量比例的变化有太多的变化。相比于CaCl2/膨胀石墨混合吸附剂，CaCl2/膨胀硫化石墨混合吸附剂的循环吸附量要略高一些，同时循环时间大幅缩短。
　　在对吸附剂传热传质进行了强化以后，构建再吸附制冷与热功转换循环，对再吸附制冷与热功转换循环进行了热力学分析，验证了再吸附制冷与热功转换系统具有优良的工作性能，其最高的发电和制冷火用效率为0.69和0.29，最高的制冷性能系数（COP）为0.77。最优工况即在150℃过热温度条件下，BaCl2-SrCl2-NH3工质对总体火用效率高达0.9。相比于Goswami循环，总体发电制冷的火用效率提高了近40%-60%。
　　由于所采用的涡旋式膨胀机使采用空调涡旋式压缩机改制的，为了研究该涡旋式膨胀机的性能，搭建了压缩空气涡旋式膨胀机测试装置，通过膨胀机进出口温度和压力对涡旋式膨胀机的性能进行研究和结果分析，当涡旋式膨胀机进口压力从0.6增加到1 MPa时，其等熵效率和功电转换效率维持在60%和80%。当进口压力达到1 MPa时，涡旋式膨胀机整体内效率为53%。采用传热传质强化以后的混合吸附剂，对 MnCl2-CaCl2-NH3工质对在不同热源温度，冷凝温度和制冷温度条件下的循环吸附量进行了测试，利用所测试循环吸附量的结果以及混合吸附剂热质传递特性，对再吸附制冷与热功转换系统进行了模拟仿真与设计，模拟结果表明当热源温度为150℃，蒸发温度为-10℃变化到20℃，系统总能量效率从0.116增加到0.376，而总体火用效率从0.402变化到0.391。随后搭建了再吸附制冷与热功转换系统，并且对该实验系统性能进行了研究，结果表明160℃热源温度为制冷COP的拐点温度，当热源温度高于160℃时，系统的显热负荷增大，继续加热高温床并不能使系统性能继续提高，反而降低制冷功率。当制冷温度为15℃时，系统COP为0.284-0.396；当制冷温度10℃，COP为0.277-0.368。而当制冷温度为15℃时，系统SCP为98.6-340 W/kg。而当制冷温度为15℃时，系统SCP为91.9-321 W/kg。SCP随着热源温度的升高而逐渐升高。在25℃冷却温度、10℃制冷温度条件下，热源温度不同时，再吸附制冷与热功转换系统的能量效率从0.293增加到0.417，然后下降到0.407，而系统火用效率从0.12增加到0.16。对整个系统而言在160℃热源温度条件下，输出功最高为253 W，制冷量最高为2.98 kW。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究目的

1.2 再吸附制冷研究概况

1.3热功转换系统概况

1.4制冷与热功转换系统性能研究概况

1.5再吸附制冷与热功转换技术的关键问题

1.6本文研究内容

第二章 碱金属卤化物/膨胀石墨固化混合吸附剂性能研究

2.1 不同固化混合吸附剂静态传热传质性能研究

2.2 不同固化混合吸附剂动态传热传质性能研究

2.3 不同传热传质参数系统仿真性能对比

2.4 本章小结

第三章 碱金属卤化物/膨胀硫化石墨固化混合吸附剂性能分析

3.1化学混合吸附剂制备

3.2 碱金属卤化物/膨胀硫化石墨固化混合吸附剂传热传质性能测试

3.3碱金属卤化物/膨胀硫化石墨固化混合吸附剂吸附性能测试

3.4 本章小结

第四章 再吸附制冷与热功转换循环热力分析

4.1 再吸附制冷与热功转换循环

4.2 再吸附制冷与热功转换循环热力学分析

4.3 再吸附制冷与热功转换循环分析结果

4.4 与Goswami循环对比

4.5 本章小结

第五章 再吸附制冷与热功转换系统仿真

5.1 再吸附制冷与热功转换循环设计

5.2 涡旋式膨胀机性能研究

5.3 MnCl2/CaCl2/NH3再吸附工质对性能测试

5.4 再吸附制冷与热功转换系统仿真设计

5.5 再吸附制冷与热功转换系统模拟结果分析

5.6 本章小结

第六章 再吸附制冷与热功转换系统实验研究

6.1 再吸附制冷与热功转换系统建立

6.2实验流程和步骤设计

6.3实验数据计算

6.4实验结果分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究内容总结

7.2 创新内容总结

7.3课题展望

参考文献

致谢

攻读博士期间已撰写的论文、申请专利及所获奖励