采用模块化吸附床的硅胶—水吸附式系统制冷性能研究及优化

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1、申请上海交通大学博士学位论文采用模块化吸附床的硅胶—水吸附式系统制冷性能研究及优化学校：上海交通大学院系：机械与动力工程学院班级：A1202093学号：0120209100博士生：潘权稳研究方向：吸附式制冷导师：王如竹（教授）上海交通大学机械与动力工程学院2015年10月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorPERFORMANCESTUDYANDOPTIMIZATIONOFSILICAGEL-WATERADSORPTIONREFRIGERAT

2、IONSYSTEMUSINGMODULARADSORBERAuthor:PanQuanwenSpecialty:AdsorptionrefrigerationAdvisor:Prof.WangRuzhuSchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaOctober2015上海交通大学博士学位论文摘要摘要硅胶—水吸附式制冷是一种理想的节能环保的制冷方式。提高系统效率和可靠性、减小系统尺寸、降低系统制造成本并最终推进制冷系统的市场开发和产品化进程一直以来是硅胶—水吸附式

3、制冷研究的目标。本文研究集中在对采用模块化吸附床的硅胶—水吸附式系统的制冷性能研究与优化方面，包括换热网络优化方法的建立和实施方案的构建、最优回热方式的研究、吸附式制冷系统的仿真计算、采用模块化吸附床的硅胶—水吸附式系统的设计、制造以及试验验证。本文主要研究内容包括了以下五个方面：（1）根据夹点分析法只适用于稳态分析的特点，先摒弃时间因素，建立了温焓图和问题表，之后再加入时间因素进行综合分析，形成了吸附式制冷系统独特的夹点分析法。对两床连续式吸附式制冷系统进行夹点分析法的优化，发现夹点位置在热物流线温度最高处，同时回热主要集中在解吸和吸附物流线之间的回热，优化后

4、系统理论COP能达到3.48。对两蒸发器式和两级吸附式制冷系统分别进行夹点分析法优化，优化后的理论COP分别为3.07和0.85。若考虑时间因素限制，两床连续式和两蒸发器式系统的COP分别变为1.20和1.13，远低于无时间因素限制的情况。要突破时间因素限制，必须要实现吸附床的“流体化”。而吸附床的“流体化”，需要对吸附床进行模块化设计。（2）通过现有的两床回热方式（循环、串联和被动回热）实现原理的研究，得到不同回热方式在构建过程所采用的实施方案的优缺点，初步优化选取出串联和被动回热方式。接着选取一个简单的吸附床作为研究对象，并建立不同回热方式模拟的数学模型，通

5、过数值分析方法，得到串联和被动回热方式的回热效果。结果表明串联和被动回热方式的回热时间约为管长和流速的比值，即为最佳回热时间的估算公式。同时被动回热方式存在有效的回热时间范围，导致其在实际应用中不如串联回热方式可靠。（3）对采用模块化吸附床的硅胶—水吸附式冷水机进行设计，并采用可靠串联回热和类回质方式。首先对硅胶吸附剂的传热性能进行测定，获取更精确的设计参数。为了实现高效可靠紧凑低廉的设计要求，同时满足标准化和规模化生产的要求，对吸附式制冷系统最核心部件——吸附床进行模块化设计，并通过高效的换热设计，形成高效传热传质的模块化吸附床结构形式。系统采用两个独立隔离的

6、腔体结构形式，实现系统可靠性的提高。为了进一步实现系统性能的提高，蒸发器采用毛细作用辅助升膜蒸发的强化换热设计。（4）对采用模块化吸附床的硅胶—水吸附式冷水机进行仿真计算。系统的主要部I上海交通大学博士学位论文摘要件（吸附床、冷凝器和蒸发器）采用间壁式换热器三层换热模型来建立数学模型，并对作为储液器的蒸发器也进行建模。模型求解采用的计算方法避免了初始值对系统性能的影响，让仿真结果由系统本身特性和外界工况条件决定，使仿真更加符合实际情况。并o通过对仿真结果表明，在典型工况（热水、冷却水进口温度和冷水出口温度分别为85C、oo-130C和10C）下，机组制冷量、CO

7、P和SCP分别为51kW、0.53和149W·kg，系统设计符合性能要求。（5）研制了一台采用模块化吸附床的硅胶—水吸附式冷水机，并建立其性能测试系统。通过试验结果验证了系统的设计以及仿真计算的可靠性与准确性。并通过对试验结果的分析，得到机组的运行特性、系统最佳的制冷时间、回质时间和回热时间以及不同工况条件下系统性能。在典型工况（热水、冷却水进口温度和冷水出口温度分别为85.5ooo-1C、29.5C和11.1C）下，机组制冷量、COP和SCP分别为42.8kW、0.51和125.0W·kg。o当冷水出口温度上升到14.7C时，机组制冷量、COP和SCP分别增大

8、到52.0kW、0.65