低温热源驱动的两级吸附式制冷循环研究

摘要

吸附式制冷作为一种可以利用低品位热能驱动的绿色制冷技术，在工业废热与太阳能利用上具有很大的发展空间。在低温热源驱动的冷冻应用工况，传统的单级化学吸附式循环存在对驱动热源温度与环境冷却温度要求较高的缺点，针对这一问题本文提出基于吸附制冷过程与再吸附过程的两级吸附式制冷循环，分别选取氯化钙与氯化钡为中温盐与低温盐，研究氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷循环的循环特性，并对该循环的制冷性能进行测试，得出如下主要结论：
　　（1）两级吸附式制冷循环由吸附制冷过程与再吸附过程组成，通过两级解吸过程完成中温盐与低温盐的再生，两级吸附式制冷循环可以降低对驱动热源与环境冷媒的温度要求。
　　（2）通过对吸附制冷循环的循环动力性能进行分析，分别选取氯化钙与氯化钡作为两级吸附制冷循环的中温盐与低温盐。在吸附基质的选择方面，对活性炭基质、石墨基质以及无基质条件下的氯化钙的腐蚀性能进行了实验研究与分析。结果表明，氯化钙/膨胀石墨混合吸附剂在有氧有水的条件下对不锈钢容器造成更加严重的腐蚀。但是，在无氧无水条件下，三种吸附剂均不会对不锈钢容器造成腐蚀。考虑到石墨基质的吸附剂具有较好的吸附性能以及吸附系统工作条件多为无氧无水的工况条件，采用石墨作为混合吸附剂的基质。
　　（3）对氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷循环的循环特性进行分析表明，冷却温度为30℃时，相对于氯化钙单级吸附式制冷循环，氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷循环的最大平衡解吸温度降低30％左右。在冷却温度为35℃的夏季工况，以氯化钙为中温盐吸附剂、氯化钡为低温吸附剂构建的两级吸附式制冷循环的最大平衡解吸温度为75℃，仍然可以实现80～100℃的低品位热能利用。
　　（4）对以氯化钙/氯化钡-氨为工质对的两级吸附式制冷循环的性能进行测试，得出当热源温度、冷却温度与蒸发温度分别为90℃、25℃与5℃时，氯化钙的循环吸附量最大，为0.870kg/kg，而当热源温度、冷却温度与蒸发温度分别为70℃、35℃与-25℃时，氯化钙的理论循环吸附量最小，为0.121kg/kg。对于低温冷冻工况，蒸发温度为-20℃，冷却温度为30℃，热源温度为70～90℃时，氯化钙的循环吸附量仍可达0.302～0.552kg/kg。
　　（5）对氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷循环COP与SCP进行预测，表明不考虑金属热容、吸附剂以及换热流体的显热影响，氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷循环COP约为0.23~0.26。以3kW两级吸附式制冷机为模型，当热源温度为85℃，冷却温度为25～35℃，蒸发温度为-25～5℃时，制冷机的单位质量吸附剂制冷功率约为139.5～184.6W/kg。

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符号说明

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要工作

第二章 基于吸附与再吸附的两级吸附式制冷循环

2.1 物理、化学吸附制冷循环以及再吸附制冷循环

2.2 两级吸附式制冷循环

2.3 本章小结

第三章 两级吸附式制冷循环吸附盐与吸附基质的优选

3.1 两级吸附式制冷循环吸附工质对

3.2 添加剂的选择

3.3 吸附剂腐蚀性能比较

3.4 本章小结

第四章 氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷循环热力学分析

4.1 低温冷冻工况单级吸附式制冷循环热力学分析

4.2 低温冷冻工况两级吸附式制冷循环热力学分析

4.3 两级吸附式制冷循环性能的理论研究

4.4 本章小结

第五章 两级吸附式制冷系统的建立与实验过程

5.1 吸附性能测试装置

5.2 吸附剂的制备

5.3 实验测试过程

第六章 实验测试结果与分析

6.1 中温盐氯化钙的循环吸附量测试

6.2 低温盐氯化钡的循环解吸量测试

6.3 氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷循环评价

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

附录

致谢

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