吸附制冷与贮能解析20121124.pptx

吸附制冷与贮能解析上海交通大学王如竹2012年11月24日,发展背景吸附机理研究吸附循环研究传热传质强化与小温差传热研究成果的应用与技术展望,报告提纲,低品位热能利用现状,低品位热能发电与制冷性能对比,150度发电，采用有机朗肯循环，效率12%；如果电空调制冷系数为4，冷冻cop=1.2,则热力cop=0.48和0.144；吸附单效空调cop=0.5-0.6；吸收双效空调cop=1.3吸附/吸收冷冻cop=0.20.380度发电采用有机郎肯循环，效率4%；如果电空调制冷系数为4，冷冻cop=1.2,则热力cop=0.16和0.048吸附单效空调cop=0.5；吸附冷冻cop=0.2答案：150度以下余热如果有制冷需求，直接余热制冷明显优于余热发电再制冷！,吸附制冷与贮能基本原理,低品位热能对吸附床加热制冷剂解吸冷凝器中冷凝对吸附床进行冷却蒸发器中制冷剂液体蒸发制冷通过控制吸附床吸附能力与解吸能力释放的时间，可以方便的实现制冷与贮能,吸附制冷与贮能技术的发展,项目组在吸附制冷与贮能技术方面的成果,项目组从1993年开始研究吸附式制冷,问题2：传统吸附循环的制冷性能系数cop低，低品位热源的可利用范围窄,问题3：吸附式系统难以实现传热与传质耦合强化，这直接影响了单位质量吸附剂的制冷量，进而导致吸附式制冷与贮能系统的体积较大。另外传热温差也影响到了系统的能量利用效率,项目组主要研究的内容,问题1：物理吸附的吸附率低、化学吸附性能不稳定,发展背景吸附机理研究吸附循环研究传热传质强化与小温差传热研究总结与技术展望,报告提纲,研究中所面临的挑战性问题,传统物理吸附剂，如活性炭与硅胶：能实现稳定吸附，但不能实现高效吸附。,将吸附剂用于制冷与贮能，要求吸附剂要具有高效稳定的吸附能力,需要寻找高效稳定的吸附剂！,采用逸度参数f修正了吸附势：,建立了多孔径分布的物理吸附模型,1发现了活性炭纤维的高效吸附能力,wangr.z.etal.internationaljournalofenergyresearchvolume:23issue:10pages:887-898published:aug1999,确定了均匀孔径与非均匀孔径吸附剂的模型,非均匀孔径吸附剂的高斯分布模型,2,均匀孔径吸附剂的单峰阶跃模型,发现了活性炭纤维的高效吸附能力,发现了均匀孔径吸附剂活性炭纤维的高效吸附选择特性，为高效吸附剂的结构设计指明了方向。,活性炭纤维的吸附量相对于活性炭可以提高2倍。,wangr.z.etal.journalofsolarenergyengineering-transactionsoftheasmevolume:119issue:3pages:214-218published:aug1997,（甲醇制冷剂）,物理吸附工质对沸石分子筛水活性炭甲醇活性炭氨硅胶水.,2高效、稳定的复合吸附剂研究,化学吸附工质对金属氯化物氨金属氢化物氢金属氧化物氧.,wangl.w.,wangr.z.etal.scienceinchinaseriese-engineering&materialssciencevolume:48issue:1pages:70-82published:feb2005,化学吸附前驱态,通过控制吸附剂的膨胀空间进行研究结果发现：化学吸附剂的吸附性能与吸附剂的空间密度关系密切。空间密度对动力学和传质的影响显著,确定了化学吸附前驱态,不同空间密度的吸附剂,传统的模型,改进的理论模型,化学吸附性能衰减的规律,解决了化学吸附剂的短期性能衰减,但是其体积制冷量会受到限制,衰减前的吸附剂,衰减后的吸附剂,制冷机组半年内性能从6kw降到1kw左右,实验表明化学吸附剂仍然存在长期性能衰减问题,wangl.w,wangr.z.etal.carbonvolume:44issue:13pages:2671-2680published:nov2006,物理吸附与解吸的重复性,wangl.w.,wangr.z.etal.scienceinchinaseriese-engineering&materialssciencevolume:47issue:2pages:173-185published:feb2004,饱和温度30oc,化学吸附滞后圈,wangl.w.,wangr.z.etal.scienceinchinaseriese-engineering&materialssciencevolume:47issue:2pages:173-185published:feb2004,饱和温度0oc,传质对化学吸附性能衰减的影响,复合吸附剂解决了衰减问题,wangl.w.,wangr.z.etal.internationaljournalofrefrigeration,volume:27,issue:4,pages:401-408,published：2004.,导热系数测试,渗透率测试,闭式的导热系数与渗透率测试,b.tian,z.q.jin,l.w.wang,r.z.wang.internationaljournalofheatandmasstransfer,2012,55(15-16):4453-4459.,单纯氯化钙吸附饱和后渗透率为3.12410-16m2,=550；rm(cacl2:eng),复合吸附有效地提高了传质性能，所以解决了化学吸附的长期性能衰减问题。大幅度地提高体积制冷量。,复合吸附剂解决了衰减问题并提高了体积制冷量,在吸附饱和的情况下，氯化钙的渗透率为10-16m2，而复合吸附剂仅为10-13m2，即将氯化钙的渗透率提高了3个数量级,r.g.oliveira*,r.z.wang.carbon,45(2007):390-396,硅胶/卤素盐复合吸附剂的高效吸附特性,c.x.jia,y.j.dai,j.y.wu,r.z.wang.internationaljournalofrefrigeration.volume:30,issue:2,pages:345-353,published:2007,研究还表明复合吸附呈现出了物理与化学吸附相互结合的特征，为此我们建立了物理与化学吸附相结合的硅胶/卤素盐复合吸附模型。,建立了物理与化学复合吸附模型,复合材料成功用于相变贮能过程,相变材料的低热导率通常是其应用的瓶颈之一，采用混合了7%的膨胀石墨的高纯度石蜡复合材料应用于储能水箱中，使水箱储热和释热过程所用的时间都大幅度缩减，提高能量利用效率。,l.xia,p.zhang,r.z.wang.carbon.volume48,issue9,pages2538-2548.published:august2010,发展背景吸附机理研究吸附循环研究传热传质强化与小温差传热研究总结与技术展望,报告提纲,研究中所面临的挑战性问题1-制冷,利用吸附床的显热和吸附热回收来提高热量利用效率采用这种循环热量利用效率提高的幅度有限。,吸附循环过程中吸附床处于冷热交变过程，由于这个过程的显热损失较大，所以效率较低,是否可以通过循环的改进提高效率？,热源温度低于100oc时，可以实现温度大于0oc的空调制冷。,但很难实现温度低于-5-10oc以下的深冷！,化学吸附剂,沸石,硅胶,复合吸附剂(sws),硅胶-水的贮能密度小，沸石-水的驱动温度高，含卤素盐复合吸附剂的液解会引起衰减和腐蚀，化学吸附剂传热传质性能差,问题：是否可以结合吸收和吸附两者的优势来实现高效贮能?,研究中所面临的挑战性问题2-贮能,1构建了回质循环,循环的解吸温度降低,a2-g1-g2-a1-a2：基本循环；,lnp,-1/t,o,循环p-t-x图,a2-b1-g0-g2-b2-a0-a2：回质循环,循环吸附量增加,吸附质,高温吸附床（解吸结束）,低温吸附床（吸附结束）,新型压力势差驱动回质过程,采用压力势差驱动的回质循环可以大幅度提高循环吸附量同时有效的降低解吸温度,r.z.wang.internationaljournalofrefrigeration.volume:24,issue:7,pages:602-611.published:nov2001,实现了低温位热能驱动的高效制冷,回质循环在氯化钙复合吸附剂-氨中的应用,d.c.wang,z.z.xia,j.y.wu,r.z.wang.internationaljournalofrefrigeration.volume:28,issue:7,pages:1073-1083.published:2005l.w.wang,r.z.wang,z.s.lu,c.j.chen,j.y.wu.chemicalengineeringscience.2006,61(11):3761-3770.,2.提出了双重热化学吸附制冷循环,首次提出并实施了一种全新的基于吸附-再吸附原理的双重热化学吸附制冷热力循环，实现了单次循环的吸附蒸发制冷和再吸附解吸热制冷的双重制冷过程。改变了传统吸附制冷循环技术单次循环只能实现单次制冷过程的工作模式，输入一次高温解吸热，可以实现两次制冷过程，其工作性能可提高59%168%。,litx,wangrz,kiplagatjk,etal.aichejournal56(2010)477-484,双效双重吸附制冷循环,采用三种不同反应温区的吸附剂作为反应物来实现吸附制冷、再吸附制冷和吸附床间的内部回热过程。在每次循环过程中，仅对高温盐吸附床输入一次高温解吸热，就能实现四次制冷量的输出。该循环实现了制冷cop大于1。,t.x.li,r.z.wang.aichejournal.volume:53,issue:12,pages:3222-3230.published:dec2007,该循环可以采用75oc的热水来产生-15oc的冷量。85oc的热水驱动时制冷cop处于0.11-0.14之间。相对于目前国际上在同等热源驱动工况下的制冰工况，cop提高了3-5倍。,j.wang,l.w.wang,w.l.luo,r.z.wang.internationaljournalofrefrigeration,accepted.,3低温热源驱动的两级解吸型深冷循环,4高效的转轮除湿制冷循环,发明了四区式分区方法，利用单个除湿转轮实现了两个转轮才能实现的两级除湿效果，装置更加经济、高效、紧凑,四区式分区,采用中间冷却和等温除湿原理，使得转轮除湿空调热力cop提高到1.0以上。,get.s.,liy.wangr.z.etal.internationaljournalofrefrigeration.volume:32,issue:3,pages:498-508,published:may2009,5吸附与化学反应贮能,贮能6.7mj所需体积（水的体积基于70度温差）,为何吸附与化学反应用于贮热？或蓄冷？,显热贮存潜热贮存吸附、吸收化学能贮存热化学反应热贮存,吸附储能密度热泵工况最高可以达到850kj/kg吸附剂，制冷工况最高可以达到600kj/kg吸附剂水蓄能30的温差储能密度仅为126kj/kg,70的温差储能294kj/kg,5.1物理吸附贮热与蓄冷（余热利用）,luy.z.,wangr.z.etal.adsorption-journaloftheinternationaladsorptionsociety.volume:10,issue:1,pages:57-68.published:jan2004,物理吸附剂的吸附贮能循环：利用固体吸附剂对制冷剂的吸附/解吸循环来实现能量的储存,5.2化学吸附贮热与制冷（太阳能）,吸附制冷系统与太阳能集热技术和蓄热相结合，实现了双效储能及能量高效利用。cacl2-nh3,解吸储能,释能,c.li,r.z.wang.renewableandsustainableenergyreviews,volume16,issue8,pages6191-6211.published:october2012,5.3热化学吸附变温复合储能:700-1800kj/kg,利用吸附工质对的可逆化学反应实现太阳能与热化学吸附势能的转化贮存，可同时实现太阳能的热量贮存和制冷冷量贮存；热化学吸附贮能密度高，约为相变潜热贮能的2-5倍，具有高效储能和变温储能的优点。,nh4cl1653kj/kgnabr1804kj/kgfecl21602kj/kg,litx,wangrz,kiplagatjk,etal.intjheat&masstransfer54(2011)4719-4729,5.4跨季节太阳能热化学吸附双模式储能,根据冬季外界温度高低，可实现双模式供热模式：（1）外界温度较高时，采用热化学吸附直接供热（e-q）（2）外界温度较低时，采用基于内部回热技术的热化学变温吸附技术进行供热温度品位的提升。,.,litx,wangrz,kiplagatjk.seasonalstorageofsolarthermalenergy.energy,2012,5.5热化学吸附变温器：储能及能量品位提升,提出了耦合变温吸附技术和变压解吸技术的目标导向型热化学吸附变温器，在实现低品位热量高效储存的同时，还可实现储存热量能量品位的有效提升，且升温幅度可根据外界温度需求进行调控！,t.x.li,r.z.wang,j.k.kiplagat.aichejournaldoi10.1002/aic.13899,2012.,目标导向型热化学吸附变温器：（1）采用变压解吸技术实现储能阶段输入温度的调控；（2）利用变温吸附技术实现释能阶段输出温度的调控；（3）采用mncl2-cacl2-nh3工质对，可以将低品位余热从87oc提升到171oc。,5.6吸收/吸附复合贮能,共同特点：吸收/吸附热大于水的相变潜热，贮能密度大热能转化为化学势能，能量长期贮能而热损失小输出形式灵活，冷量与热量输出均可,吸收贮能：传热效率高，充放能速度快盐结晶问题限制了浓度差的提高,吸附贮能：无结晶问题导热较差、循环吸附量小,液体吸收贮能固体吸附贮能吸收/吸附复合贮能,n.yu,r.z.wang.progressinenergyandcombustionsciences,tobepublishedin2013.,吸收/吸附贮能循环的提出,step1:无水氯化锂吸水生成一水氯化锂晶体step2:一水氯化锂继续吸水形成饱和氯化锂溶液，此时晶体与溶液共存step3:氯化锂饱和溶液继续吸水形成与水蒸气压力相平衡的稀溶液,reactor1,吸附,吸附/吸收,吸收,水蒸气从蒸发/冷凝器中蒸发,reactor2,吸附吸收贮能：1500kj/kg,吸收的主要过程中（step2)固（盐结晶）液（盐饱和溶液）气（蒸汽）三相同时存在,是单变量过程通过液固两相的转换来实现热能的充放，贮能密度有效提高液相的出现增强了导热能力，加快了充放能的速率description,注:水以30的温差储能密度为0.126mj/kg,发展背景吸附机理研究吸附循环研究传热传质强化与小温差传热研究总结与技术展望,报告提纲,研究中所面临的挑战性问题1,如何实现传热传质的耦合强化？,传热的强化往往会带来传质的弱化，也就是难以实现传热传质耦合强化。,将吸附剂用于制冷与贮能,问题1：如果用于吸附制冷：难以得到高效的制冷效率与质量制冷量,问题2：如果用于吸附贮能，难以实现快速的蓄能与放能过程,提高效率必须实现高效的小温差传热,t,s,cop=2.0,th=80oc,to=30oc,tr=10oc,cop=0.69,性能系数下降幅度达到65.5%,10oc,5oc,10oc,70oc,40oc,5oc,研究中所面临的挑战性问题2,采用膨胀石墨为基质，所得到的固化混合吸附剂的导热系数达到2-7.2w/(mk)，而单纯的氯化钙的导热系数仅为0.2w/(mk)。,相对于单纯的氯化钙复合固化吸附剂导热系数提高了10倍以上。,扩展石墨,散装复合吸附剂,固化复合吸附剂,1高导热基质的复合吸附剂研究,金属氯化物-膨胀石墨复合吸附剂的研究,k.wang,j.y.wu,r.z.wang,l.w.wang.internationaljournalofrefrigeration.volume:29,issue:2,pages:199210.published:march2006,发现了膨胀硫化石墨的高导热性能。将硫化膨胀石墨固化，导热系数相对于铝材可提高40%,密度为831kgm-3时，导热系数：固化膨胀硫化石墨：337wm-1k-1固化膨胀石墨：3.75wm-1k-1.纯铝：236wm-1k-1,发现了膨胀石墨固化后的各向异性的导热系数与渗透率。垂直于压制方向出现了纤维的层状分布，为最优的传热传质方向,传热传质方向,膨胀石墨基质的研究,l.w.wang,s.j.metcalf,r.thorpe,r.e.critoph.carbon.volume:49,issue:14,pages:4812-4819.published:2011.,硫化膨胀石墨为基质的复合吸附剂,氯化钙复合吸附剂：利用膨胀硫化石墨在吸附剂渗透率的数值大于10-14m2时，将氯化钙的导热系数提高到了88.1wm-1k-1，这个数值相对于纯散装氯化钙提高幅度达到了440倍。,活性炭复合吸附剂：利用膨胀硫化石墨在渗透率数值大于10-14m2时，将活性炭的导热系数提高到了34.2wm-1k-1，这个数值相对于纯散装活性炭提高幅度达到了150倍。同时有效缩短了循环时间。,以膨胀硫化石墨为基质的复合吸附剂的循环时间相对于散装吸附剂缩短了70%,eng-tsa复合吸附剂,散装活性炭吸附剂,eng复合吸附剂,l.w.wang,s.j.metcalf,r.thorpe,r.e.critoph.carbon,volume:50,pages:977-986.published:2012.,翅片式换热器,吸附床对流换热,吸附剂,吸附床的交变运行通常采用单相流体对流换热的形式。导致需要较大的换热面积和较多的驻留流体。,2相变换热过程实现小温差传热,提出了冷热交变的相变换热,wangr.z.appliedthermalengineeringvolume:28issue:4pages:317-326published:mar2008,提出了冷热交变的相变换热,wangr.z.etal.energy.volume:36,issue:9,pages:5425-5439published:sep2011,利用毛细组织的毛细力驱动液膜沿着槽道与毛细结构上升，形成扩展的液膜蒸发表面，实现了低压小温差条件下的强化传热。,引入了毛细辅助蒸发冷却原理,冷却吸附，热管蒸发段,毛细辅助蒸发丝网,毛细辅助蒸发槽道,弯月面,z.z.xia,g.z.yang,r.z.wang.internationaljournalofheatandmasstransfer,volume51,issues1516,pages4047-4054.publishedjuly2008.,连续性方程,ii:过渡液膜区,动量方程,能量方程,i:,ii:,iii:,iii:固有弯月面区,汽-液界面边界条件,i:平衡稳定液膜区,建立了毛细辅助蒸发冷却的槽道内流动与传热模型,xiaz.z.yangg.z.,wangr.z.internationaljournalofheatandmasstransfervolume:52,issue:3-4,pages:952-961.published:jan312009,毛细辅助蒸发的换热效果,加热过程对吸附床采用热管加热，冷却过程采用循环水对吸附床进行冷却可以有效提高系统运行稳定性,相变与对流换热相结合提高系统可靠性,s.l.li,z.z.xia,j.y.wu,j.li,r.z.wang,etal.internationaljournalofrefrigeration.volume:33,issue:1，pages:61-69,2010,发展背景吸附机理吸附循环研究传热传质强化与小温差传热研究成果的应用与技术展望,报告提纲,新型吸附剂的研制,hotdisk导热仪,asap2020（可测比表面积、孔隙率与吸附性能）,rubothermal热重分析仪,dsc8000（功率补偿法）,lfa447氙灯法导热系数仪,研制了硅胶-卤素盐、新型金属氯化物复合吸附剂、活性炭复合吸附剂等,1应用效果,第一代机组（2004）,第二代机组（2009）,普通太阳能热水器产生的55以上的热水直接驱动。额定工况制冷性能系数达0.4-0.55。,回质循环,升膜蒸发,热管传热与隔热,硅胶水太阳能吸附式空调机组,两级转轮式除湿空调的实施,开发了tsdc/otdcx（kw)系列空调机组,已经在系列空调除湿和全热回收产品中获得应用。,北京环都人工环境科技公司,日本大金工业株式会社,山东皇明太阳能集团,国际上cop=0.6-0.8，在国际上首次实现了cop1的突破，为这类除湿系统推广应用拓展了领域！,大金全热交换器,两相换热的金属氯化物吸附冷冻机组,相变冷却,相变加热,对流换热冷却,相变加热,吸附冷冻机,该机组在驱动热源为140，冷却水为28，制冷温度为-12.5的条件下，系统的制冷量、cop、scp以及分别为3.7kw、0.26、440wkg-1.,太阳能的贮存与制冷,将吸附制冷与能量贮存技术与太阳能相结合，可以实现高效的能量利用。该成果已经在上海电气集团有限公司中央研究院获得成功应用,应用实例,中储扬州粮库,江苏华扬新能源公司,宿迁粮库,上海生态建筑,世博国家电力馆,山东皇明集团,技术水平(硅胶水吸附机组),德国sortech公司是目前世界上太阳能空调生产和应用量最大的公司，代表国际主流太阳能空调技术水平