新型硅胶—水吸附式制冷机系统设计与性能模拟

摘要

硅胶-水吸附式制冷机以其对环境友好,节能以及优异的低温驱动性能,因而在余热、废热及太阳能利用方面有着巨大的发展空间,是85℃以下低品位热源利用中最具有竞争力的制冷方式。本文针对目前开发的硅胶-水吸附制冷机中存在诸如真空阀门多、运行可靠性差、金属热容大、传热传质性能较差、运行效率低及系统结构复杂等缺点,设计了一种新型、高效、可靠、运行费用低的硅胶-水双床连续吸附式制冷机,并对该制冷机进行了系统理论分析和性能模拟。结果表明该制冷机具有结构新颖、循环效率高、电力COP高、能够有效利用60～85℃范围内低温热源的特点,能大大满足设计要求。对颗粒直径为0.5-1.5mm的硅胶进行了电子显微镜扫描,其微观结构对于研究吸附床的传热传质尤其重要。搭建了硅胶-水吸附性能实验台,采用称重法研究了硅胶及其混合吸附剂-水的吸附性能,解决了真空下吸附量测不准的难题,较为精确地测量了硅胶及其混合吸附剂-水的吸附量,拟合出适用于国产硅胶的新吸附性能方程,该方程比Freundlich方程和D-A方程更精确,与实验数据偏差更小。同时,研究了混有硅胶的混合吸附剂-水的吸附性能,结果表明利用混合吸附剂有助于缩短系统的循环周期和提高系统的SCP(SpecificCoolingPower)。以前人研制的硅胶-水吸附制冷机为基础,以解决金属热容大、吸附床传热传质性能差、运行可靠性差等问题为目的,以理论分析为依据,设计了型号为10kW的新型硅胶-水吸附式制冷机,提出了系统设计步骤,求出了几个系统关键参数,解决了循环周期中因回热回质、阀门切换时间的存在系统不制冷的问题。对翅片管式吸附床进行了传热分析与计算,运用非稳态导热理论对吸附床金属与吸附剂颗粒的传热性能进行数值分析,获得吸附床金属与硅胶颗粒的接触热阻,求出了吸附剂侧换热热阻,通过翅片强化吸附剂侧的换热热阻,获得吸附床总传热系数。设计了盘管式冷凝器和升膜蒸发器,分别获得了各自的换热温差、总换热系数、传热面积与压降。从新型硅胶-水吸附制冷机用闭式冷却塔的特殊性出发,设计管式间接蒸发冷却器,该闭式塔冷却效率高、结构紧凑,既节约了铜材和成本,减少了机组的重量,又满足机组冷却的需要。根据所设计制冷机的结构特点和热力循环方式,建立了新型硅胶-水吸附式制冷机系统动态仿真模型,通过对模型的求解和对系统的动态仿真,获得系统的运行性能及各因素对系统性能的影响,验证了新型硅胶-水吸附式制冷机设计的合理性、有效性。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外吸附式制冷的研究现状

1.2.1 工质对的研究

1.2.2 吸附床的研究

1.2.3 循环方式的研究

1.2.4 吸附式制冷应用研究

1.2.5 硅胶－水吸附式空调研究进展

1.3 本文的主要工作

第二章 硅胶及其混合吸附剂-水工质对吸附性能测试

2.1 概述

2.2 硅胶与水的基本物性

2.2.1 硅胶

2.2.2 水

2.3 称重法测量硅胶-水吸附量的实验

2.3.1 实验装置

2.3.2 实验方案与步骤

2.3.3 实验误差分析

2.4 硅胶及其复合吸附剂-水吸附性能研究

2.4.1 硅胶水的吸附性能及新吸附平衡方程的提出

2.4.2 硅胶与混合吸附剂性能比较

2.4.3 不同混合吸附剂吸附性能比较

2.5 本章小结

第三章 新型硅胶-水吸附式制冷机的研制

3.1 硅胶-水吸附式制冷机工作原理

3.2 低温热源驱动的新型吸附式制冷机系统描述

3.3 低温热源驱动的新型吸附式制冷机的研制

3.3.1 硅胶-水吸附式制冷机系统研制目标

3.3.2 低温热源驱动的新型硅胶-水吸附式制冷机系统设计参数

3.3.3 新型硅胶-水吸附式制冷机系统热力设计

3.3.4 硅胶-水吸附式制冷机系统参数的确定

3.4 吸附式制冷机系统主要部件设计

3.4.1 翅片管式吸附床

3.4.2 盘管式冷凝器

3.4.3 毛细辅助低压升膜蒸发器

3.5 吸附床传质设计

3.6 本章小结

第四章 新型硅胶-水吸附式制冷机与冷却塔的一体化

4.1 概述

4.2 硅胶水吸附式制冷机用蒸发冷却器

4.2.1 蒸发冷却器的特点

4.2.2 管式间接蒸发冷却器的结构和原理

4.2.3 硅胶-水吸附式制冷机用闭式冷却塔的特殊性

4.3 管式间接蒸发冷却器设计

4.3.1 传热角度

4.3.2 传质角度

4.4 本章小结

第五章 新型硅胶-水吸附式制冷系统性能模拟

5.1 系统仿真数学模型的建立

5.1.1 基本假设

5.1.2 吸附方程

5.1.3 翅式管式吸附床能量平衡方程

5.1.4 盘管式冷凝器

5.1.5 升膜蒸发器能量平衡方程

5.1.6 腔内饱和温度

5.1.7 系统性能参数的计算

5.1.8 系统模拟仿真模型求解

5.2 系统模拟计算结果与分析

5.2.1 系统进出口水温

5.2.2 吸附床温度及冷凝与蒸发温度

5.2.3 系统性能参数模拟结果

5.2.4 系统热力循环特性

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果