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硅胶-水吸附式制冷系统的设计和性能实验

太阳能学报 2012年第6期33卷 968-974页

作者：刘艳玲余克志王如竹夏再忠上海海洋大学制冷与空调工程上海201306 上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240

为了使太阳能、地热及发动机余热等低温热源得以有效利用,在前人研究的基础上,提出一种新型的硅胶-水吸附式制冷系统。在该系统中,吸附床、冷凝器和蒸发器同处于一个真空腔中组成单床吸附式制冷单元,两个相同的单元交替工作提供连续的... 详细信息

为了使太阳能、地热及发动机余热等低温热源得以有效利用,在前人研究的基础上,提出一种新型的硅胶-水吸附式制冷系统。在该系统中,吸附床、冷凝器和蒸发器同处于一个真空腔中组成单床吸附式制冷单元,两个相同的单元交替工作提供连续的冷量。详细给出了系统各部件的设计方案及尺寸,并对实验结果进行分析。结果表明,该制冷机可充分利用热源温度范围为70～95℃的低温废、余热,在上述温度范围内,制冷量可达2.70～6.37kW,COP达0.275～0.330。通过对机组在不同蒸发温度下性能的测试发现,该机组在热、湿分开处理的空调系统中具有很好的应用前景。

关键词：硅胶-水回热回质吸附制冷

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硅胶-水吸附式制冷系统吸附床结构优化研究

硅胶-水吸附式制冷系统吸附床结构优化研究

作者：赵越山东大学

学位级别：硕士

随着全球人口的不断增长以及社会的持续进步,化石燃料的大量使用造成了日渐严重的环境污染问题。传统的蒸汽压缩式制冷技术需要较多电能驱动,且采用氟氯烃（CFCs）、氢氟氯烃（HCFCs）等非环保型制冷剂,对臭氧层产生破坏,加剧了全球气... 详细信息

随着全球人口的不断增长以及社会的持续进步,化石燃料的大量使用造成了日渐严重的环境污染问题。传统的蒸汽压缩式制冷技术需要较多电能驱动,且采用氟氯烃（CFCs）、氢氟氯烃（HCFCs）等非环保型制冷剂,对臭氧层产生破坏,加剧了全球气候变暖。吸附式制冷技术以低品位热能作为驱动能源,具有无污染、节能特点,近20年备受关注。但吸附式制冷机组距大规模商用仍存在一定距离,主要原因是吸附剂导热性能较差,吸附剂与吸附床金属之间接触面积小,存在着较大的接触热阻,制冷剂气体流动过程及吸附、解吸过程也存在着一定的传质阻力。针对硅胶-水吸附式制冷系统吸附床的传热传质过程开展研究,本文构建翅片管式吸附床物理数学模型,实现对吸附/解吸过程进行动态仿真,明确吸附床结构参数以及循环周期等对制冷系统性能的影响,利用单纯形优化算法对吸附床结构参数和循环周期进行优化,进而提升吸附式制冷系统综合性能。本文的主要研究内容及结论如下:（1）首先构建硅胶-水工质对单吸附床模型,通过数值模拟方法,对吸附床内的传热传质、吸附解吸过程进行详细研究。获得了翅片结构参数、循环周期对吸附制冷系统性能的影响规律,研究结果表明:采用较短的翅片高度、间距及循环周期有利于提升系统SCP,而翅片厚度对SCP的影响较小,通过提升一倍翅片厚度,仅使系统SCP值小幅增加;为提高系统COP,应采用较短的翅片高度、适当的翅片间距、较薄的翅片厚度以及较长的循环周期;采用长、厚翅片、较大的翅片间距以及较短的循环周期,有利于提升吸附式制冷系统TCP。（2）通过设计L16（45）正交试验,利用方差分析方法分析试验结果,明确翅片高度、翅片间距、翅片厚度、循环周期对吸附制冷系统性能的影响程度,并筛选出最优设计方案。通过对正交实验结果进行方差分析表明:翅片高度、循环周期为四个因素中影响SCP最重要的两个因素,贡献程度分别为48.60%、26.43%;循环周期、翅片厚度为影响COP最重要的两个因素,贡献程度分别为55.70%、27.54%;翅片高度、循环周期、翅片间距均对系统TCP具有显著影响,贡献程度分别为49.97%、35.75%、14.24%。通过正交实验最优组合求解,得到系统最优 SCP、COP、TCP 各为 161.12W/kg、0.613、0.173W。（3）为进一步提升硅胶-水吸附式制冷系统的综合性能,采用线性加权法将SCP、COP、TCP三个评价指标函数整合成一个优化目标函数,在吸附床结构优化过程中,确保SCP、COP、TCP在优化过程中具有同样的重要性,利用有限元分析方法以及Nelder-Mead单纯形优化算法进行相关研究,得到一种可使系统SCP、COP、TCP保持在较高水平的吸附床设计方案。优化结果表明:分别以SCP、COP、TCP为优化目标函数的单纯形优化计算分别需要:29、68、78次迭代过程即可得到最优解,最优解数值分别为:164.53W/kg、0.620、0.307W。以加权函数为目标的优化过程需要49次单纯形迭代,最优值为:2.08,所对应的系统SCP、COP、TCP值分别为:148.14W/kg、0.532、0.098W,相应的四因素取值分别为:循环周期1082.85s、翅片高度10.83mm、翅片间距2.24mm、翅片厚度0.40mm。从而,通过加权函数优化,获得了系统能量利用率高、制冷功率大、制冷量充足的翅片管吸附床优化设计方案。综上所述,本文通过分析吸附式制冷系统吸附床中的吸附/解吸过程,开展了吸附床结构参数以及循环周期对系统性能的影响研究,进一步以制冷系统三个性能指标SCP、COP、TCP的线性加权函数为优化目标,利用有限元法与单纯形优化算法相结合的方式对吸附床结构进行优化及改进,获得了翅片管式吸附床的优化设计方案,为硅胶-水吸附式制冷系统的优化设计提供理论基础。

关键词：吸附式制冷硅胶-水吸附床数值模拟单纯形优化

硅胶-水吸附式制冷系统在工业低温余热回收利用中的理论与实验研究

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硅胶-水吸附式制冷系统在工业低温余热回收利用中的理论与实验研究

作者：彭佳杰上海交通大学

学位级别：硕士

在中国欧美等地区的能源密集型产业每年要产生数以万亿计焦耳的工业余热,这些余热绝大部分都以废热的形式直接排放至周围环境中,造成的能源浪费十分巨大,能源利用率也因此降低。寻找节能环保的能源利用技术,特别是能够利用工业余热的技... 详细信息

在中国欧美等地区的能源密集型产业每年要产生数以万亿计焦耳的工业余热,这些余热绝大部分都以废热的形式直接排放至周围环境中,造成的能源浪费十分巨大,能源利用率也因此降低。寻找节能环保的能源利用技术,特别是能够利用工业余热的技术有助于缓解余热资源的浪费,提升能源利用率,减少能源消耗,符合国家战略。硅胶-水吸附式制冷与其他制冷方式相比,具有节能环保无污染运行安全性高等优势,因而特别适合于太阳能制冷、余热回收利用等场合。进一步推广硅胶-水吸附式制冷系统的应用,充分发挥其无需氟利昂等传统制冷剂而造成臭氧空洞环境污染的优势,高效利用能源尤其是工业余热,努力推进硅胶-水吸附式制冷机的产品化是硅胶-水吸附式制冷技术发展的最终目标。现有的研究主要集中在从制冷循环、工质对的选择等方面出发提升吸附式制冷系统的运行性能,包括制冷量和COP(Coefficient Of Performance),而关于硅胶-水吸附式制冷系统的实际运用的探讨较少。此外,已有研究对于硅胶-水吸附式制冷产品的实际应用更多地偏向于太阳能热驱动制冷,对于工业低温余热的回收利用研究较少,对于90℃以下低温余热制冷研究存在空白。针对上述问题,本文选取数据中心余热回收和空压机余热回收两个场合对硅胶-水吸附式制冷机应用在工业余热回收利用进行了探讨。本文首先对当前的余热回收利用情况进行概述,从当前工业余热回收利用的方法和困难入手,在热源温度匹配,性能系数对比以及热源温度波动适应性三方面分析硅胶-水吸附式制冷技术应用于工业余热回收利用的优势,并对硅胶-水吸附式制冷技术研究进展进行了总结。接着对硅胶-水吸附式制冷技术运用在工业余热回收进行理论分析,包括热力循环图分析,确定工业低温余热的90℃以下的温度区间,构建数据中心和空压机两种场合的低温余热回收系统。对硅胶-水吸附式冷水机组和冷风机组进行设计,其中冷水机组增加回质循环,冷风机组蒸发器增加热管结构,吸附材料选择0.5-1.5mm规格的硅胶,吸附床、冷凝器和吸附床都采用高效的换热设计,提升系统运行的性能。分别建立两台机组的测试系统,进行实验并对实验结果进行分析。基于理论和实验分析,硅胶-水吸附式制冷技术应用于工业余热回收利用是完全可行的。实验结果表明热水进口温度、冷却水进口温度、冷冻水/冷风出口温度、回质时间、制冷时间、热水流量均会影响系统性能,在仅改变一个参数的条件下,提高热水进口温度,降低冷却水进口温度,提高冷冻水/冷风出口温度,提高热水流量有助于提升系统运行性能,提高工业余热资源的利用率。此外两台机组具有最佳回质时间和最佳制冷时间,保持机组处于最佳回质时间和最佳制冷时间下运行能够提高系统运行性能,提高工业余热资源的利用率。综上,本文从工业余热研究现状和硅胶-水吸附式制冷技术出发,验证了硅胶-水吸附式制冷机组应用于工业余热回收利用的高效性,通过设计两台应用于数据中心余热回收和空压机余热回收不同实际场合的机组并搭建测试系统进行实验,分析了影响系统运行性能因素,为后续硅胶-水吸附式制冷机组在低温工业余热回收利用中发挥重要作用,提供理论,设计与实验指导,为能源的高效利用,国家的节能减排工作做出微薄的努力。

关键词：硅胶-水吸附式制冷余热回收回质传热传质

硅胶-水微通道吸附床热质传递特性理论与实验研究

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硅胶-水微通道吸附床热质传递特性理论与实验研究

作者：李泓璇天津商业大学

学位级别：硕士

随着世界经济飞速发展,化石燃料燃烧释放的温室气体正在加速全球变暖的趋势,以电力驱动的蒸汽压缩式制冷技术也在消耗大量的能源,因此,如何实现能源与环境协调发展已经成为全世界面临的重要挑战。吸附式制冷技术的出现成为可持续发展的... 详细信息

随着世界经济飞速发展,化石燃料燃烧释放的温室气体正在加速全球变暖的趋势,以电力驱动的蒸汽压缩式制冷技术也在消耗大量的能源,因此,如何实现能源与环境协调发展已经成为全世界面临的重要挑战。吸附式制冷技术的出现成为可持续发展的解决方案。相比传统的蒸汽压缩式制冷技术,吸附式制冷技术可采用低品位热源驱动,节能环保,备受人们的关注。吸附床是实现热量传递的核心装置,其设计和传热传质效果的好坏直接关系到吸附式制冷系统性能的优劣,并进一步影响其商业化发展。本文针对硅胶-水吸附床的传热传质过程展开研究,为了强化吸附床的热质传递效果,将微通道换热器与吸附式制冷技术结合,对微通道吸附床展开理论与实验研究,分析微通道吸附床传热传质特性,探究不同热源温度与冷源温度对吸附床传热传质的影响规律。研究的主要内容与结论如下:(1)构建了微通道吸附床传热传质物理模型与数学模型,使用COMSOL软件对吸附床内发生的吸附和解吸反应进行数值计算,分析吸附床的传热传质效果,进一步获得不同运行工况对吸附床传热传质的影响规律。模拟结果发现:微通道吸附床在加热过程中受热均匀,具有良好的均温性,能够在短时间内快速升温,体现出微通道吸附床高效的传热性能。热源温度对解吸速率影响较大,当热源温度为75℃时,微通道吸附床能够释放83.9%的水量,较高的热源温度有助于加快微通道吸附床的解吸速度,缩短循环周期。冷却水温度对吸附速率影响较小。(2)设计了1 k W微通道吸附床传热传质实验台,首先进行热力计算,确定了冷热源的温度与流量。简要介绍了吸附床的设计要求,进一步确定了硅胶的循环吸附量和填充质量。根据微通道换热器实际结构,使用Solidworks绘制吸附床装配图纸。最后完成了实验系统辅助设备的计算与选型工作。(3)为了进一步验证数值模拟结果的准确性,本文依据设计内容搭建了微通道吸附床传热传质实验台,探究不同运行工况对吸附床传热效率的影响规律。实验结果表明,热源温度对吸附床的传热过程影响较大,当热源温度由55℃升高至75℃时,床层温度逐渐上升,然而过高的热源温度会增大吸附床的热量损失。冷却水温度对微通道吸附床的传热传质性能影响较小,当冷却水温度为24℃时,吸附床降温速度最快,随着冷却水温度的升高,缩小了吸附床内的传热温差,其降温速度逐渐减慢。综上,本文采用理论计算与实验结合的研究方法,对微通道吸附床的传热传质过程展开研究,重点讨论了吸附/解吸速率的变化规律,为强化吸附床热质传递提供理论基础。

关键词：微通道换热器吸附式制冷传热传质数值计算硅胶-水

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浅析热源温度对硅胶-水制冷机性能的影响

制冷学报 2009年第4期30卷 36-39页

作者：孟祥睿姚瑶张文杰魏新利郑州大学化工学院郑州450001

通过实验研究热媒水温度对某型硅胶-水吸附式制冷机性能的影响,发现随着热媒水温度的升高,制冷机的制冷量增加但在不同温度区间内的增幅不一致;COP随热媒水温度升高成波浪形变化,形成两个波峰和两个波谷。结合对硅胶物理结构和吸附过程... 详细信息

通过实验研究热媒水温度对某型硅胶-水吸附式制冷机性能的影响,发现随着热媒水温度的升高,制冷机的制冷量增加但在不同温度区间内的增幅不一致;COP随热媒水温度升高成波浪形变化,形成两个波峰和两个波谷。结合对硅胶物理结构和吸附过程的研究,通过对实验现象做定性分析后认为:硅胶的"墨水瓶"形微孔结构是形成此现象的主要因素。在设计和评价硅胶水制冷机应充分考虑此因素对制冷机性能的影响,尤其是设计时应根据热源温度选择合适孔径的硅胶或根据硅胶孔径选择合适的热源温度。

关键词：热工学硅胶-水吸附制冷 COP 热源温度

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硅胶-水吸附制冷机故障诊断与检修

化工机械 2009年第5期36卷 486-488页

作者：张保平尚钟声丁运玲宋文贵多氟多化工股份有限公司

根据硅胶-水吸附式制冷机的运行状况,在故障判断的基础上对其进行吸附剂再生和检修。通过分析检修过程出现的异常情况,及时调整检修方案,并完成制冷机修复。

关键词：硅胶-水吸附制冷机失效故障诊断

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翅片管式硅胶-水吸附床优化设计

翅片管式硅胶-水吸附床优化设计

走中国创造之路——2011中国制冷学会学术年会

作者：周毅李炳熙高晓燕付忠斌哈尔滨工业大学能源科学与工程学院

通过建立非均匀压力场,非均匀温度场模型,对硅胶-水为工质对的翅片管式吸附床制冷循环过程进行数值模拟。结果表明当蒸发温度为283K时,翅片间距Z0在0.5～1.0mm,翅片高度L0在15～21mm之间,吸附床单位体积制冷功率最大。同时对制冷剂蒸发... 详细信息

通过建立非均匀压力场,非均匀温度场模型,对硅胶-水为工质对的翅片管式吸附床制冷循环过程进行数值模拟。结果表明当蒸发温度为283K时,翅片间距Z0在0.5～1.0mm,翅片高度L0在15～21mm之间,吸附床单位体积制冷功率最大。同时对制冷剂蒸发温度分别为281K、283K和285K时的传热传质进行了比较,得出了不同蒸发压力下蒸发温度对翅片高度优化结果的影响。

关键词：非均匀压力场模型硅胶-水翅片管优化设计蒸发温度

来源： cnki会议评论

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新型硅胶—水吸附式制冷机的实验研究

新型硅胶—水吸附式制冷机的实验研究

作者：张文杰郑州大学

学位级别：硕士

近年来吸附式制冷由于其利用废热、太阳能等低品位的能源和使用无CFCs、ODP（臭氧消耗潜能值）、零GWP（全球温暖化潜力值）等环境问题的工质对而受到全世界科研人员的广泛兴趣。硅胶-水吸附式制冷机组由于其能够用低品味太阳能和废热... 详细信息

近年来吸附式制冷由于其利用废热、太阳能等低品位的能源和使用无CFCs、ODP（臭氧消耗潜能值）、零GWP（全球温暖化潜力值）等环境问题的工质对而受到全世界科研人员的广泛兴趣。硅胶-水吸附式制冷机组由于其能够用低品味太阳能和废热驱动、因而更加受到研究者们的重视,不断有新型吸附制冷机组出现。虽然新型的硅胶-水吸附式制冷机的性能相对以前的吸附式制冷机的性能有了很大程度的提高,但是与传统的压缩式制冷机相比还存在系统的COP、SCP低,能源的利用效率低、以及变热源等问题需要研究解决。本研究针对新型硅胶-水吸附式制冷机组的瞬态性能、运行特性、热力特性、各个媒水的温度和流量对系统的性能影响进行了试验研究。为进一步改进提高吸附制冷机组性能,提供设计及运行参考。主要研究结果如下:1.本文所研究的新型硅胶-水吸附式制冷机在运行过程中表现出来了独特的运行特性:回质过程在系统的运行中起着重要的作用,虽然本身并不产生冷量,但是增大了系统的循环吸附量,提高了系统的制冷量。2.热源作为系统运行的驱动力对系统的性能的影响是显著的。系统在热源变化范围内表现出良好的性能,在热源温度为90℃的时候系统的制冷量能够达到5.6KW,而在热水温度为55℃的时候系统的制冷量亦有2.15KW。系统的COP在热源温度变化范围内出现两次峰值,系统的最佳COP达到0.42。本文所研究的硅胶-水吸附式制冷机的最佳的热源温度工作范围是60℃～85℃。3.系统的Qr随着热水流量的增大而升高,热水流量每提高0.4m/h,系统的制冷量提高了3～7%;而系统的COP在热水流量为2.9m/h达到最大。而流量在1.7m/h时系统的性能能达到最大值的80%,系统具有较好的热源流量变化适应性。4.就本实验系统而言,当冷却水的温度低于35℃时,冷却水的进口温度变化对系统的性能的影响较小,冷却水每升高5℃,COP就下降5%～8%,而SCP则下降5%～11%。当冷却水的温度高于35℃时系统的性能随着冷却水温度的升高急剧降低,冷却水每升高5℃,COP就下降18%～25%,而SCP则下降21%～40%。5.在相同的工况条件下,冷冻水的进口温度每提高5℃,系统的COP提高了7%～17%而系统的制冷量提高了5%～13%。因此在条件允许的情况下应尽量提高冷冻水的进口温度有利于提高系统的性能。***和Qr随冷冻水流量的变化并不十分显著,希望通过大幅度提高冷冻水流量来提高系统的制冷效果并不是理想的办法。

关键词：硅胶-水吸附制冷 COP SCP

新型硅胶—水吸附式制冷机系统设计与性能模拟

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新型硅胶—水吸附式制冷机系统设计与性能模拟

作者：胡金强上海交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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（Specific Cooling Power）。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。

关键词：吸附制冷硅胶-水设计传热传质 COP 性能模拟