三相吸附储热循环的原理及实验验证

发布时间：2018-01-06 10:37

本文关键词：三相吸附储热循环的原理及实验验证　出处：《上海交通大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：作为吸收/吸附式制冷技术在储热领域的拓展应用,吸收/吸附式储热技术近年来引起了广泛关注。与传统的显热和潜热储热相比,吸收/吸附式储热具有材料储热密度高、储热周期长、集储热和储冷为一体等优点。在以水工质的传统吸收式储热系统中,要进一步提高液体吸收工质对的储热密度,就会面临溶液结晶的危险;在以水工质的传统吸附式储热系统中,要进一步提高固体吸附工质对的储热密度,则会面临液解的危险。盐溶液的结晶应该是盐的液解的逆过程。这两种现象的发生涉及到无机盐-水之间相互作用的机理。要提高无机盐-水工质对的储热密度,就必须研究并利用结晶和液解现象。目前众多关于无机盐-水吸附储热性能的研究都没有深入分析无机盐吸水的机理和并在理论上构建储热循环。多孔介质对水合盐吸水性能的影响和盐的液解的预防和解决方案也未见有专门研究。针对以上问题,本文以LiCl、CaCl_2和Li Br这类强吸水盐和水组成的吸收/吸附工质对为研究对象,首先从理论上分析了它们的吸水过程的机理,提出了同时利用盐溶液的结晶和水合化学吸附反应来增强吸附储热材料的储热密度,并以LiCl/H2O为工质对为代表依次进行了三相储热循环分析、基质的选择、复合吸附剂的配制和固化并最终完成小型吸附储热器的搭建和实验工作。本论文的研究工作主要包含以下内容:(1)首先指出了吸附储热与传统显热和潜热储热的不同点,系统地总结了数十年来吸附储热领域的重要研究进展,指出了未来面临的挑战。(2)通过对无机盐吸水和脱水过程的机理分析,清楚的描述了两者接触时发生的各种现象之间的关系。指出了盐和水蒸气在不同条件下会发生固/气水合反应(化学吸附)、气/液/固三相液解(结晶)、液/气两相吸收这三个吸水过程,将包含以上过程的循环命名为三相吸附循环。在P-T-x图上构建了LiCl、CaCl_2及Li Br这三种盐储热和储冷的三相吸附循环路径,计算结果表明在储热模式下,当冷凝压力为1.71k Pa时,LiCl、CaCl_2及Li Br的结晶温度分别为56.1 oC、47.9 oC、70.4 oC,LiCl、CaCl_2及Li Br三者的理论储热密度分别为4500 k J/kg、1559 k J/kg、1757k J/kg。因此可以认为LiCl是三种盐中最具应用前景的一种。基于传统的吸收和吸附式制冷系统,考虑了实现三相吸附循环的两种可行的方案,最后决定采用多孔介质来作为容纳溶液的基质来解决处理结晶难题。(3)为了寻找到最适合LiCl的多孔基质,对常见的几种多孔材料进行了筛选,排除了沸石和石墨作为基质的可能性,围绕以硅胶为基质的复合吸附剂展开深入研究,研究了配制过程中可能影响复合吸附剂性能的各种因素,发现对硅胶-LiCl复合吸附剂而言,真空浸渍和大气浸渍得到的样品并无显著差别,搭建了基于磁悬浮天平热重分析仪的闭式吸附量测试实验台,在磁悬浮天平热重分析仪中测得了不同浓度LiCl溶液浸渍的复合吸附剂的平衡吸附等压线,发现等压线的的形状明显被分为3段,没有观察到明显的吸附平台。采用吸附势能理论来分析和拟合吸附剂的平衡吸附方程,发现前人只采用单个DA方程来拟合复合吸附剂性能并不合适,需采用3段不同形状的曲线来完整描述复合吸附剂的吸附平衡性能。提出了解决液解问题可能采用的几种方法,即强制液解、根据实际工况控制LiCl的质量分数的方法、扩大孔体积等,并比较了各种方法的优缺点。(4)尝试以活性炭作为基质,采用真空浸渍的方法配制了活性炭-LiCl复合吸附剂并研究了该复合吸附剂的孔隙结构、平衡吸附性能、吸附动力学和TGA-DSC性能等各方面性能。发现活性炭-LiCl复合吸附剂的配制必须采用在真空条件下浸渍的方法。活性炭-LiCl复合吸附剂ALi40的吸附量明显高于硅胶-LiCl复合吸附剂SLi40,说明以活性炭的作为基质可以更好的发挥LiCl本身的吸水性能,因此最终决定选择活性炭作为LiCl的基质。(5)为了强化吸附剂的传热能力,加入硫化膨胀石墨配制了固化复合吸附剂,同时加入了硅溶胶来强化吸附剂的机械强度。研究了固化吸附剂的平衡吸附性能、导热率率、吸附动力学、和渗透率等重要参数。除了强化传热能力,添加膨胀石墨进行固化带来的另一大好处是有效避免了盐的流出来带来的危害,颗粒间孔道的毛细作用力足以使溶液不会流出基质体外,可以容纳的盐溶液体积大为增加。(6)设计了一台目标储热量在1 k Wh(3600 k J)左右的小型实验室储热器。在COMSOL软件中针对吸附反应器建立了可以将传热和传质耦合求解的二维动态仿真模型,得出了吸附剂的温度场和吸附量场的分布。对储热器的储热性能进行了实验研究,结果表明在解吸温度、吸附温度、冷凝/蒸发温度分别为85 oC、40 oC和15 oC的工况下,总放热量为2517 k J,储热效率为93%。吸附热的贡献约占57%,即1438 k J。得到的吸附储热密度为874 k J/kg吸附剂或2622 k J/kg LiCl。吸附反应器流体进出口温度的实验值和仿真值的对比表明建立的二维动态模型对吸附反应器出口温度变化趋势的预测是比较满意的,在峰值后两条曲线的温差保持在0.4 oC左右。本课题的理论分析表明LiCl的储热能力超过了1 k Wh/kg,说明包含了固/气水合反应(化学吸附)、气/液/固三相液解(结晶)、液/气两相吸收这三个吸水过程的无机盐三相吸附循环在储热领域具有极大的应用潜力。为了实施这一循环,在多孔基质的选择和吸附反应器的设计方面做出了许多尝试,发现对LiCl而言活性炭与硅胶相比是更好的载体,采用添加膨胀石墨对吸附剂进行固化的方法不仅可以增强导热能力而且能缓解液解问题带来的危害。在小型储热装置上的实际吸附放热效果达到了仿真值的80%。要使三相吸附储热循环真正走向实用,在吸附床的设计、吸附剂与换热器的结合工艺、吸附剂的稳定性等方面仍要继续研究。
[Abstract]:In order to improve the heat storage density of inorganic salt - water working substance , it is necessary to study the mechanism of absorption / adsorption process and to build up heat storage cycle . In this paper , the equilibrium adsorption isotherm of three - phase adsorption cycle , which is based on the traditional absorption and adsorption refrigeration system , has been studied , and it is found that it is not suitable to use porous medium as the matrix to absorb the performance of composite adsorbent . ( 4 ) In order to enhance the heat transfer capacity of the adsorbent , the adsorption capacity of the activated carbon - lithium compound adsorbent ALi40 was significantly higher than that of the silica gel - LiLi composite adsorbent SLi40 . A two - dimensional dynamic simulation model with heat transfer and mass transfer coupling has been established in COMSOL software . The results show that the adsorption heat is 2517 kJ / kg , and the thermal efficiency is 93 % .

【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34

【相似文献】