基于低品位能源梯级利用的吸附制冰与空调联供系统研究

发布时间：2018-01-12 00:29

本文关键词：基于低品位能源梯级利用的吸附制冰与空调联供系统研究　出处：《上海交通大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着化石能源的不断衰竭,以及日趋严重的臭氧层破坏,全球变暖等环境问题的日益突出使得制冷空调领域朝着节能环保方向不断发展创新。目前,低品位热能(太阳能,空气或工业废热中所蕴含的能量)大量存在于生活中,如何有效利用低品位热能具有愈加重要的意义。本文研究采用新型吸附制冷技术,将物理吸附制冷技术与化学吸附制冷技术相结合,在低品位热源的驱动下同时实现制冰与空调两种工况的输出,从而提高了低品位能源利用效率。吸附式制冷技术通常采用的制冷剂不会破坏臭氧层,是环保型制冷剂,同时可以在低于100℃热源下驱动,因此吸附式制冷技术吻合了当前能源与环境协调发展的方针,是利用低温余热实现制冷的一种有效方式。为了充分有效利用低品位热能,本文研究了基于能源梯级利用的吸附联供制冷系统,从理论和实验两个角度分析了吸附冷冻与空调联供系统的可行性。在该联供系统中,第一级采用化学吸附制冷循环,为了实现热源温度低于100℃条件下的吸附冷冻,设计了一个新型的两级吸附制冷机组。系统采用氯化钙复合吸附剂作为中温盐,采用氯化钡复合吸附剂作为低温盐,基质采用膨胀石墨。利用吸附与再吸附过程相结合,实现两级的解吸,从而达到低温冷冻的效果。对两级吸附制冰机组的性能进行了测试,结果表明,在热源温度为70℃,冷凝温度为25℃时,两级吸附制冰机组可以达到-15℃制冷温度。当热水温度在70~90℃,循环时间在13~43min,冷却水温度在25℃,平均蒸发温度在-15~0℃时,cop的范围为0.08~0.20,scp的范围为110~226w/kg,冷量火用效率的范围为0.08~0.31。为了进一步充分利用低品位热能,在联供系统的第二级中采用物理吸附制冷循环技术,采用silica-gel/water作为吸附工质对。为提高系统cop,第二级系统中采用回热回质技术。在低品位热源的驱动下,对联供系统进行了测试,结果表明,当热源温度为70~90℃,冷凝温度为25℃,联供系统的cop为0.13~0.28,与热源温度为90℃,蒸发温度为-15℃的第一级系统相比较,联供系统的cop提高了130%。在热源温度为70℃时,联供系统制冷功率为4.56kw,热源温度为90℃时,系统制冷功率提高了77%。在上述典型工况下,联供系统的低品位热能利用效率为0.31~0.42,与热源温度为90℃下的第一级循环相比提高了93%,与第二级循环相比提高了78%。在以上联供系统测试基础上,开发研制了新型复合吸附剂来优化吸附制冷系统的传热性能,研究中复合吸附剂采用硫化膨胀石墨作为吸附基质,按一定比例混合,研制了一种新型氯化钙复合吸附剂,研究中测试了氯化钙/复合吸附剂的非平衡吸附性能。研究表明:当冷凝温度为25~35oc,蒸发温度为-10~15oc时,密度为400kg/m3、质量分数为80%的氯化钙/硫化膨胀石墨复合吸附剂样品的吸附量变化范围是0.4015kg/kg~0.4585kg/kg,与采用膨胀石墨为基质的复合吸附剂相比变化不明显。研究测试中的新型复合吸附剂的吸附/解吸时间约为3300s,与采用普通膨胀石墨相比,循环时间缩短了33%。在冷凝温度为30oC条件下,密度为400kg/m3、质量分数为80%氯化钙/硫化膨胀石墨复合吸附剂的最大SCP(单位质量吸附剂制冷功率)为65.75 W/kg,与采用普通膨胀石墨相比,SCP提高了48%。在以硫化膨胀石墨作为基质的复合吸附剂基础上,构造了吸附床虚拟换热器,引入火积耗散理论来分析吸附床系统的传热传质性能,采用单元管吸附床模型分析了吸附床在循环过程中的火积耗散率。分别给出了在不同驱动热源和不同换热性能系数下吸附床系统火积耗散率随循环时间的变化曲线;引入了火积平均传热温差来分析吸附床系统的传热性能,分析了在不同驱动热源下吸附床系统火积耗散和火积平均传热温差随换热性能系数的变化曲线。研究结果表明,吸附床在冷热交变过程中,系统切换瞬间的火积耗散量占到了总火积耗散量的80%以上,而采用回热可以有效减小火积的耗散。研究还表明,在高热源温度与低导热系数的条件下,采用回热方式可以有效降低火积耗散并减小火积平均温差,从而提升吸附床系统的传热性能。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB657

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