硅膠-水吸附式制冷系統(tǒng)的熱設計方法研究.pdf

1、硅膠-水吸附式制冷機是最有應用前景的吸附式制冷系統(tǒng)之一，對其吸附工質對、循環(huán)熱力學、部件優(yōu)化、系統(tǒng)仿真、變熱源溫度下的運行特性等都是目前研究的熱點。
　　 然而，目前針對該吸附式制冷系統(tǒng)的研究主要存在以下四個方面的問題：
　　 1)吸附平衡方程形式較多且差別大，不利于對吸附工質對的基本吸附/解吸特性的分析研究以及制冷系統(tǒng)熱力設計；
　　 2)對吸附制冷循環(huán)的熱力學研究主要是對卡諾/逆卡諾循環(huán)的COP關系式的推導，

2、缺少對吸附式制冷基本、回熱回質/類回質循環(huán)的熱力學特性研究；
　　 3)針對具體吸附式制冷系統(tǒng)的仿真優(yōu)化研究較多，但是缺少對吸附式制冷系統(tǒng)熱設計過程以及關鍵熱動力學參數確定等方面的研究；
　　 4)針對吸附式制冷系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)(供熱回路、冷卻回路和冷凍回路)的研究主要集中在對供熱回路與吸附式制冷系統(tǒng)集成運行特性的研究，如變熱源工況下的吸附式制冷系統(tǒng)的動態(tài)特性等。然而由于吸附式制冷系統(tǒng)的散熱量是隨循環(huán)時間變化的，因此冷卻回

3、路的動態(tài)運行特性也極大影響了系統(tǒng)性能。而文獻缺少對冷卻回路的動態(tài)傳熱傳質特性的研究。
　　 本文著重于對硅膠一水吸附式制冷循環(huán)的熱動力學特性分析以及系統(tǒng)的熱設計方法的研究以推進吸附制冷系統(tǒng)設計的正規(guī)化與標準化，因此研究重點在于吸附制冷系統(tǒng)熱力循環(huán)分析、熱設計方法研究以及制冷系統(tǒng)整體結構優(yōu)化三個方面。研究內容主要包括以下五個方面：
　　 1)從稱重法結合等量吸附線測試方法出發(fā)解決硅膠-水平衡吸附性能測試過程中吸附量難以精確

4、測量、傳質困難以及制冷劑蒸汽在室溫下易發(fā)生凝結等問題，獲得平衡吸附性能數據，并通過最小二乘法擬合得到三個常用吸附平衡方程(Freundlich、D-A和改進Freundlich方程)?；谒玫降奈狡胶夥匠萄芯苛嘶狙h(huán)、回熱循環(huán)以及回質/類回質循環(huán)的熱力學特性，確定了最低驅動熱源溫度、最佳驅動熱源溫度范圍(70～85℃)、最佳循環(huán)周期范圍(720～1800 s)、SCP等參數。
　　 2)針對吸附式制冷系統(tǒng)中吸附床換熱器在循

5、環(huán)過程中的平均換熱溫差難以確定的問題，從吸附式制冷系統(tǒng)換熱器部件的能量守恒方程統(tǒng)一形式出發(fā)，并基于拉格朗日描述，構建了吸附床循環(huán)換熱過程的虛擬換熱器形式。利用ε-NTU法求解虛擬換熱器的流體出口溫度，并引入火積平均換熱溫差來描述吸附床在循環(huán)各個過程中的不可逆?zhèn)鳠釡夭??；谔摂M換熱器的火積平均換熱溫差分析法，得到吸附床在循環(huán)各個過程的換熱溫差，并確定循環(huán)中產生最大不可逆?zhèn)鳠釡夭畹倪^程，從而確定系統(tǒng)的吸附床的換熱性能系數、循環(huán)周期、NTU、

6、Rc等關鍵熱力學參數。
　　 3)為了實現對系統(tǒng)換熱器具體結構的設計以及動態(tài)換熱特性的研究，提出了間壁式換熱器通用的三層換熱模型；基于模型的具體參數的確定過程以及制冷系統(tǒng)的循環(huán)工作原理，確定了吸附制冷系統(tǒng)換熱器具體結構。通過仿真計算結果獲得了各個換熱器的動態(tài)運行特性曲線并預測了制冷系統(tǒng)的性能，驗證了制冷系統(tǒng)換熱器熱設計的合理性。
　　 4)由于吸附式制冷系統(tǒng)的散熱量是隨循環(huán)時間變化的，因此研究了制冷系統(tǒng)冷卻回路(冷卻塔)

7、的動態(tài)傳熱傳質特性?；谒岢龅拿荛]型濕式冷卻塔空氣-噴淋水傳熱傳質過程分離研究方法并結合一維瞬態(tài)分布參數模型給定了密閉型濕式冷卻塔的通用數學模型。此外，基于降膜理論、換熱器換熱系數經典實驗關聯式以及熱質比擬給出了確定冷卻塔換熱流體的傳熱傳質系數的通用方法。以所設計的密閉型濕式冷卻塔為例，研究所提出的方法在其傳熱傳質過程分析中的應用情況。為了優(yōu)化換熱過程，該冷卻塔被分為傳熱傳質單元以及傳熱單元，兩個單元的動態(tài)傳熱傳質分析過程中分別利用了

8、空氣-噴淋水傳熱傳質過程分離方法和間壁式換熱器的三層換熱模型。
　　 5)基于所確定的熱力設計參數，研制了一臺硅膠-水吸附式冷水機組并建立了相應的實驗測試系統(tǒng)。實驗結果確定了冷水機組的最佳運行參數，并驗證了三層換熱模型以及虛擬換熱器的火積平均換熱溫差分析法在硅膠-水吸附式制冷系統(tǒng)熱設計應用中的可靠性和準確性。
　　 綜上所述，通過對硅膠-水吸附式制冷系統(tǒng)循環(huán)特性的理論研究、數值仿真和實驗驗證，已經初步形成了硅膠-水吸附制