文档介绍：上海交通大学
博士学位论文
船用柴油机余热驱动的吸附式制冷研究
姓名:王树刚
申请学位级别:博士
专业:制冷及低温工程
指导教师:王如竹
20030701
上海交通大学博士学位论文
船用柴油机余热驱动的吸附式制冷研究
摘要
吸附式制冷技术与传统的蒸气压缩式和吸收式制冷技术相比蕴藏着很大的开发潜
力,研制与开发高性能的吸附式制冷和热泵系统越来越受到重视。到目前为止,真正产
业化的固–气吸附式制冷机还不存在。这将依赖于该技术效率的提高和初投资的减少。
吸附式制冷技术之所以拥有可观的应用前景,除了能有效的利用太阳能和余热之外,这
种制冷系统能够直接使用天然制冷剂、避免了如压缩机那样较大的运动部件,使得设备
的噪音很小,维修方便。
吸附式制冷的研究基本上都是以太阳能为热源来展开的,目前已有不少结构简单并
且比较成熟的太阳能吸附式冰箱的报道,用于余热回收的吸附式制冷系统研究的很少。
然而,100 吨左右的渔船几乎没有任何对柴油机尾气的余热回收装置,出海时它们不得
不携带大量冰块用于渔品保鲜。如果利用船上余热来驱动吸附式制冷系统直接产冰,那
么可以节省大量的储冰空间,还可以避免冰块的过量融化。本文以此为研究课题,以用
于渔船制冰为研究背景对余热驱动的吸附式制冷系统展开研究。
第一部分,总结吸附系统中吸附剂固化的发展现状,讨论各种固化技术和方法;选
择简单经济,仅用粘结剂混合吸附剂再压制成型的固化方法,给出以块状活性炭-甲醇
为工质对时比较合适的固化工艺参数。吸附式制冷设备,特别是吸附床技术有很宽的改
进余地,本文即用固化吸附剂来强化吸附床的传热性能。具有高传热特性的活性炭成型
块在吸附床内已得到成功应用,实测导热系数λ=- W/(m·K),活性炭块表面与换
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热肋片之间的壁面换热系数 hw=252 W/(m ·K)。
第二部分,描述单床吸附式制冷系统的建立和测试结果,分析传热传质对系统性能
的影响。系统中的吸附床是由 41 kg 活性炭成型块和带铜肋片的传热管组成类似于壳管
式的换热器。针对渔船制冰工况对制冷系统进行了有关试验,用导热油电加热锅炉为热
源,以实验室冷却水塔的循环水为冷源,输出冷量温度控制在–7°C。在循环时间为 35
min(其中加热解吸占 15 min)的情况下,系统的 COP 为 ,SCP 为 11 W/kgAC。在
这种特定工况的蒸发压力下,吸附床的传质阻力控制着循环过程。性能参数偏低还与单
床吸附没有回热回质作用以及吸附床的金属热容量偏大有关。
第三部分,建立吸附床内传热传质耦合的数学模型,编制准三维模拟程序,对双床
吸附式制冷系统进行数值预测。该模型能确定吸附床内不同时刻各物理量的分布,特别
是能预测出吸附剂内无法测量到的气体压力,并且可反映出床内温度和压力在自由空间
与吸附剂之间的连续变化过程。通过对比模拟结果与实测数据检验了模型的正确性。运
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摘要
行该数学模型只需要一个额外的未知参数(吸附剂的渗透率),采用系统辨识的方法确
定参数估计值。所有其它参数均可通过试验进行测算。如果吸附床的介质渗透率提高到
原来的 5 倍(即由 8×10-12 m2 到 4×10-11 m2),数学模型预测出的制冷量可以达到设计
要求。
第四部分,为了克服活性炭固化后传质性能恶化的问题,设计出一种新的活性炭成
型块,它既有高传热性能又改善了传质。对这种以甲醇为吸附质的真空系统,设计加工
出结构新颖的吸附床(每个吸附床中安装活性炭吸附剂 56 kg),不仅增大了吸附剂内
的气流通道还增加了气流的自由流动空间。进而建立了回热回质型双床吸附式制冷样
机。由于系统的 SCP 和 COP 相互关联,系统设计以追求最大的 SCP 为目标,使得设备
小型化、简单化。它的主要部件包括:双吸附床,冷凝器,储液罐,烟气/水换热器,
蓄热水箱和片冰机。在直接输出片冰的测试中,由于传热传质性能的强化,样机获得了
较好的性能。系统输出冰屑温度大部分处于–5 至–7°C,冰产量达 18-20 kg/h。在系统循
环中,回质过程与回热过程同时执行(回质 1 min,回热 min),引起了双床切换后
温度与压力的快速升降。在整个循环时间(40 min)以内,冰屑的输出始终保持连续。
最后,将双床制冷系统的输出端(片冰机)用制冷量测试系统取代,直接测量制冷
系统的净制冷量。制冷量测试系统以乙二醇水溶液为冷媒,通过测量复合蒸发器进出口
温差和流量的方法获取循环制冷量。结果显示,当控制冷媒温度从–7 到–1°C 变化时,
系统输出的平均净冷量为