低温余热驱动的氯化钙-氨化学吸附制冷性能研究

    1 前言

    能源利用与环境保护是世界各国普遍关注的焦点之一。固体吸附式制冷技术使用过程无环境污染,因为可以利用工业余热、太阳能及地热能等低品位的热源驱动等优点而倍受关注,尤其在汽车、火车、船舶等余热利用领域具有良好的前景[1]。十一五期间我国在能源节约与资源综合利用中也明确指出将余热余压回收利用作为节能重点发展技术之一。

    国内外对吸附制冷的研究主要集中在工质对的选择及其性能分析、高效吸附式热力循环以及吸附床内传热传质等方面[2~4]。其中对沸石-水和活性炭-甲醇等工质对制冷性能进行了大量的研究;尼日利亚的Iloeje、丹麦的Worsde-schmidt和国内陈砺、王如竹等进行了化学吸附式制冷的研究[5~8]。本文针对上海理工大学/能源岛0系统中微型燃气轮机或者吸收式制冷机排放的低温余热,建立了一套以氯化钙-氨为工质对的两床循环吸附制冷系统,并采用模拟热源对其制冷性能进行了实验研究,为改善吸附制冷系统性能及其优化设计提供了参考。

    2 实验装置及方法

    氯化钙-氨吸附式制冷系统的工作原理如图1所示。整个系统主要由两台吸附/解吸床、冷凝器、节流阀、蒸发器、电加热器、冷却风机以及相应的连接管道和阀门等组成。吸附床采用壳管式换热器的形式,管子采用翅片管,冷却空气或热空气(烟气)从管内流过,壳程充填氯化钙,以对氨进行吸附或脱附。冷凝器为套管式水冷冷凝器,蒸发器采用盘管形式浸没在盐水箱中,通过搅拌器不停搅拌盐水,以增强换热,使箱内水温均匀。

    实验过程中(假定实验开始时床1为解吸床,床2为吸附床),根据所需的热源温度设定好电加热器温度值,利用加热后的高温模拟气体加热床1,此时阀门V1和V3开启,V2和V4关闭,同时阀门A、C关闭,B、D开启;当床1压力加热到高于冷凝压力后,开启阀门4让解吸出来的制冷剂蒸汽进入冷凝器中冷却,而继续加热床1进行解吸;同时,开启风机对床2进行冷却吸附过程,当床2中的压力低于蒸发压力后,开启阀门2让节流后的制冷剂实现蒸发制冷过程,吸附热由冷却空气带走。经过一段时间,床1解吸完毕,床2吸附饱和后,通过阀门的切换,将两个床体状态互换。因此通过两台吸附器交替加热/冷却,可实现连续制冷循环。如果在准备切换两床的状态前,开启阀门V0,使两个床体直接连接,则可以实现回质过程。

    3 系统的性能参数

    实验通过测量加热流体的流量及进出口温度等参数的变化来获得制冷系统的能量输入,制冷量通过测量盐水箱内温度变化来得到。

    解吸床吸收的热量为:

    式中 Gh—加热流体的质量流量,kg/s