硅胶-水吸附式制冷系统的热设计方法研究

摘要

硅胶-水吸附式制冷机是最有应用前景的吸附式制冷系统之一，对其吸附工质对、循环热力学、部件优化、系统仿真、变热源温度下的运行特性等都是目前研究的热点。
　　 然而，目前针对该吸附式制冷系统的研究主要存在以下四个方面的问题：
　　 1)吸附平衡方程形式较多且差别大，不利于对吸附工质对的基本吸附/解吸特性的分析研究以及制冷系统热力设计；
　　 2)对吸附制冷循环的热力学研究主要是对卡诺/逆卡诺循环的COP关系式的推导，缺少对吸附式制冷基本、回热回质/类回质循环的热力学特性研究；
　　 3)针对具体吸附式制冷系统的仿真优化研究较多，但是缺少对吸附式制冷系统热设计过程以及关键热动力学参数确定等方面的研究；
　　 4)针对吸附式制冷系统的辅助系统(供热回路、冷却回路和冷冻回路)的研究主要集中在对供热回路与吸附式制冷系统集成运行特性的研究，如变热源工况下的吸附式制冷系统的动态特性等。然而由于吸附式制冷系统的散热量是随循环时间变化的，因此冷却回路的动态运行特性也极大影响了系统性能。而文献缺少对冷却回路的动态传热传质特性的研究。
　　 本文着重于对硅胶一水吸附式制冷循环的热动力学特性分析以及系统的热设计方法的研究以推进吸附制冷系统设计的正规化与标准化，因此研究重点在于吸附制冷系统热力循环分析、热设计方法研究以及制冷系统整体结构优化三个方面。研究内容主要包括以下五个方面：
　　 1)从称重法结合等量吸附线测试方法出发解决硅胶-水平衡吸附性能测试过程中吸附量难以精确测量、传质困难以及制冷剂蒸汽在室温下易发生凝结等问题，获得平衡吸附性能数据，并通过最小二乘法拟合得到三个常用吸附平衡方程(Freundlich、D-A和改进Freundlich方程)。基于所得到的吸附平衡方程研究了基本循环、回热循环以及回质/类回质循环的热力学特性，确定了最低驱动热源温度、最佳驱动热源温度范围(70～85℃)、最佳循环周期范围(720～1800 s)、SCP等参数。
　　 2)针对吸附式制冷系统中吸附床换热器在循环过程中的平均换热温差难以确定的问题，从吸附式制冷系统换热器部件的能量守恒方程统一形式出发，并基于拉格朗日描述，构建了吸附床循环换热过程的虚拟换热器形式。利用ε-NTU法求解虚拟换热器的流体出口温度，并引入火积平均换热温差来描述吸附床在循环各个过程中的不可逆传热温差。基于虚拟换热器的火积平均换热温差分析法，得到吸附床在循环各个过程的换热温差，并确定循环中产生最大不可逆传热温差的过程，从而确定系统的吸附床的换热性能系数、循环周期、NTU、Rc等关键热力学参数。
　　 3)为了实现对系统换热器具体结构的设计以及动态换热特性的研究，提出了间壁式换热器通用的三层换热模型；基于模型的具体参数的确定过程以及制冷系统的循环工作原理，确定了吸附制冷系统换热器具体结构。通过仿真计算结果获得了各个换热器的动态运行特性曲线并预测了制冷系统的性能，验证了制冷系统换热器热设计的合理性。
　　 4)由于吸附式制冷系统的散热量是随循环时间变化的，因此研究了制冷系统冷却回路(冷却塔)的动态传热传质特性。基于所提出的密闭型湿式冷却塔空气-喷淋水传热传质过程分离研究方法并结合一维瞬态分布参数模型给定了密闭型湿式冷却塔的通用数学模型。此外，基于降膜理论、换热器换热系数经典实验关联式以及热质比拟给出了确定冷却塔换热流体的传热传质系数的通用方法。以所设计的密闭型湿式冷却塔为例，研究所提出的方法在其传热传质过程分析中的应用情况。为了优化换热过程，该冷却塔被分为传热传质单元以及传热单元，两个单元的动态传热传质分析过程中分别利用了空气-喷淋水传热传质过程分离方法和间壁式换热器的三层换热模型。
　　 5)基于所确定的热力设计参数，研制了一台硅胶-水吸附式冷水机组并建立了相应的实验测试系统。实验结果确定了冷水机组的最佳运行参数，并验证了三层换热模型以及虚拟换热器的火积平均换热温差分析法在硅胶-水吸附式制冷系统热设计应用中的可靠性和准确性。
　　 综上所述，通过对硅胶-水吸附式制冷系统循环特性的理论研究、数值仿真和实验验证，已经初步形成了硅胶-水吸附制冷系统的热设计方法，该方法可以为吸附制冷的后续研究和开发提供理论支持。