（制冷及低温工程专业论文）吸附式多发生器的结构及制冰性能分析研究.pdf

a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering structural study and ice-making characteristics analysis of multi-generator in adsorption system candidate : wei li major : refrigeration and use friendly substances to the atmospheric environment like water, methanol and ammonia as a refrigerant. whats more, adsorption refrigeration systems can be used to strong shock places with no moving parts. so, domestic and foreign scholars have done extensive attention and in-depth study. however, it has not yet been widely used for main reasons too complex systems, small amount of cooling and low efficiency. the heat and mass transfer of adsorbent bed, which is a key component in the adsorption refrigeration system, directly affect the performance of the system. to achieve a continuous output, multi-generator absorption refrigeration system is used in this study on the base of analyzing the research situation. in ice conditions, 140 low-pressure steam heat as driving energy and calcium chloride - ammonia as a refrigerant for adsorption refrigeration working pairs, the heat transfer characteristics of adsorbent bed is studied. firstly, the structure of shell and tube adsorption bed is determined initially, according to the adsorbent material parameters and system operating requirements. by analyzing the thermal resistance of heat pipes and the of adsorption bed, it theoretically studied the system performance influence of the sensible heat and how to reduce the switching transition time to overcome the sensible heat. the results show that the system cooling efficiency cop is 27%, and the cooling capacity per mass adsorbent is 172w/kg. secondly, to improve system performance, its added external fins outside the unit tubes. the result is only 5% increase. finally, in order to reduce the volume and improve the coolingefficiency, the spiral plate adsorption bed is studied in theory. in case of same cooling capacity and filled adsorbent. 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii the size of the adsorbent bed is smaller 43% and the cooling efficiency improves 5.3% to the shell and tube bed. the study has provided a theoretical basis for the adsorption refrigeration technology industry. key words: absorption refrigeration， multi-generator, sensible heat, low-pressure steam, switching transition time 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 iv 目目 录录 摘摘 要要 . i abstract . ii 1 绪 论 1.1 课题研究背景及意义 . (1) 1.2 吸附制冷的应用机理 . (2) 1.3 吸附制冷系统的国内外研究现状 . (3) 1.4 本文的主要研究内容 . (7) 2 多发生器吸附制冰系统分析 2.1 吸附制冷工质对的选取 . (9) 2.2 系统循环方式的确定 . (9) 2.3 确定系统中吸附床的结构形式 . (11) 2.4 系统冷热源的选取 . (14) 2.5 本章小结 . (23) 3 基于系统制冷性能的壳管式吸附床结构分析研究 3.1 吸附制冷参数的确定 . (24) 3.2 管壳式吸附床的结构分析研究 . (26) 3.3 吸附制冰系统中吸附床解吸/吸附性能分析 . (39) 3.4 管壳式吸附床的结构优化研究 . (41) 3.5 本章小结 . (46) 4 螺旋板式吸附床的制冷性能分析及结构研究 4.1 螺旋板式吸附床的结构分析 . (47) 4.2 螺旋板式吸附床的制冷性能研究 . (48) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 v 4.3 两种不同结构吸附床的比较分析 . (55) 4.4 本章小结 . (56) 5 总结与展望 5.1 总结 . (57) 5.2 展望 . (58) 致 谢 . (59) 参考文献 . (60) 硕士期间发表文章 . (65) 硕士期间参与项目 . (65) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 1 - 1 绪 论 1.1 课题研究背景及意义 1.1.1 研究背景 能源在国民经济发展过程中占据有重要地位， 是各种先进技术的物质基础。 目前， 全球使用的能源 70%是传统的煤炭、天然气和石油等燃料资源1。未来几十年内，中 国经济仍将以较高速度增长，能源需求量还会有较大的提高幅度；据国家能源研究所 相关课题组的分析预测，预计到 2020 年2，中国煤炭需求量大约为 31.62 亿吨、石油 需要量为 8.1 亿吨。因此，节约利用现有能源和开发使用新能源是我们面临的一大问 题。 由于温室效应等问题的影响，全球温度正在以 0.15/十年的速率增长3，因此制 冷成为人们必不可少的技术。但是，现在制冷装置采用的制冷剂绝大部分是氟里昂系 列的卤代烃化合物 cfcs 和 hcfcs，既对臭氧层有显著的破坏作用，又产生温室效应 （hcfcs 仅引起温室效应） 。另外电站等排放的气体和颗粒物等，严重污染了我们生 活的大气环境，甚至带来疾病。因此，保护环境是我们面临的另一主要问题。 当前能源与环境和谐发展的趋势使得人们越来越重视吸附制冷技术。固体吸附式 制冷可有效利用发动机尾气、工业废热、太阳能、低压蒸汽等低品位能源作为系统驱 动热源，不仅能够缓解电力的紧张供应和能源危机，提高资源的利用率，减少余热向 大气环境的直接排放。另外，吸附式制冷系统采用氨、水、甲醇等无氟里昂的制冷剂， 对温室效应和臭氧层几乎没有影响，是一种对环境完全友好的制冷技术。此外，吸附 制冷系统无运动部件、结构简单，非常适合于旋转、倾颠或振动的场所。所以，吸附 式制冷技术在热泵4、船舶制冷5、汽车空调6、工业低压蒸汽7制冷等领域应用得到 广泛研究。 吸附制冷技术自 20 世纪 70 年代能源危机产生以来，就得到国内外学者的极度重 视。但是到目前为止，市场上几乎没有吸附制冷产品，在日常生活中的应用还相当匮 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 2 - 乏。其原因在于吸附床体积较大、传热传质性能差、吸附/解吸所需克服的显然太大、 能量利用率低、制冷系数小等8。因此，只有尽快找到解决吸附式制冷系统缺陷的方 法，才可以加快吸附制冷技术的发展和早日实现吸附制冷技术的产业化、商品化。 1.1.2 研究意义 现有吸附制冷系统主要有以下问题：系统的制冷效率低、制冷量小、吸附床的传 热传质性能较差以及吸附床体积较大等。吸附床作为系统的关键部件，其传热能力对 系统的运行性能有较大影响。因此，对吸附床的传热传质性能进行研究，将会在很大 程度上促进吸附制冷技术的发展。 本课题研究的吸附制冷系统，将利用太阳能、热电厂等产生的低压蒸汽作为吸附 制冷系统的驱动热源，采用新型的系统循环方式使吸附制冷系统可以连续输出冷量， 能够有效降低吸附床切换过程中的显热过渡时间，提高系统的有效工作时间，从而提 高整个系统的制冷量和制冷效率。 本课题研究的高效、环保、节能型的低压蒸汽吸附制冷系统可以有效利用低品位 能源，降低电力资源的利用率，缩短吸附/脱附的过渡时间，获得较高的制冷系数，对 解决目前吸附制冷技术的缺陷问题具有一定的参考价值和指导作用。本课题的研究将 会推动低碳节能环保型社会的不断发展，对我国能源战略、环境保护和自然资源的可 持续发展都具有重要的现实意义。 1.2 吸附制冷的应用机理 吸附制冷一般用的是固体吸附机理，即采用活性炭、分子筛、氯化钙等具有吸附 作用的固体物质作为吸附剂，以对大气环境完全友好的甲醇、水、氨等作为制冷剂。 依靠固体吸附剂对气体制冷剂的解吸/吸附作用达到制冷效果。 固体吸附制冷基本循环 的原理图如图 1- 1 所示。 其具体应用原理为： 加热解吸过程：如图 1- 1 实线所示，外界热量不断输入吸附床进行加热，当吸附 床的温度能够达到吸附制冷工质对的解吸温度时，制冷剂气体就会从吸附剂中解吸出 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 3 - 来，然后以高温高压状态进入到冷凝器中，被冷凝为低温高压的液体。 吸附床 冷 凝 器 蒸 发 器 节流阀 图 1- 1 固体吸附制冷系统 冷却吸附过程：如图 1- 1 虚线所示，外界冷量不断输入吸附床进行冷却，若吸附 床的温度能够降低到吸附制冷工质对的吸附温度时，蒸发器中的压力会因温度降低而 降低，使得制冷剂在蒸发器中不断蒸发冷却，而冷量从蒸发器中输出；制冷剂蒸发后 进入吸附床被吸附剂吸附。至此，完成一个完整的循环，为下一个循环的开始做准备。 1.3 吸附制冷系统的国内外研究现状 faraday9早在 1848 年就发现一个吸附制冷现象， 即氯化银吸附氨气时可以产生制 冷效果。从此，人们便开始了对吸附式制冷的研究。20 世纪 20 年代 hulsei10在火车 上利用硅胶-二氧化硫吸附工质对制冷，使其获得-12的制冷温度。但是制冷效率高 的压缩制冷技术的快速发展使得了人们忽略了对吸附式制冷技术的研究，直到上个世 纪 70 年代经济危机的出现。 1.2.1 吸附制冷系统循环方式的研究现状 根据固体吸附制冷的工作原理可以看出， 基本循环方式的制冷量输出是不连续的， 即基本循环吸附制冷系统不能实现连续制冷。而在实际应用中，我们希望得到持续不 断的冷量。由此，国内外学者在基本循环的基础上提出了许多改进的循环制冷方式， 其系统循环工作示意图如图 1-2图 1-6 所示。 热波循环11主要利用回收的热量作为吸附制冷系统的驱动热源，主要用于热能较 紧张的场所。 critoph12建立了对流热波循环理论，即采用强迫对流的方式提高吸附床的传热传 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 4 - 质能力，进而提高系统制冷性能。高效的传热效果使得吸附床在较短的时间内可以克 服自身显热达到解吸/吸附温度。但是，对流热波循环系统过于复杂，循环流量不易确 定，系统运行的稳定性和可靠性得不到保证。 吸附床a吸附床b 热风机冷风机蒸发器冷凝器 节流阀 气体加热 热风机 图 1- 2 两床连续循环原理系统示意图 节流阀 冷凝器蒸发器 冷却器加热器 吸附床b吸附床a 图 1- 3 回热回质循环系统示意图 akisawa a13和 saha 14, 15分别提出了双级多床系统和三级循环系统，并对其 进行大量理论和实验分析，研究了该系统在不同运行工况下的制冷性能。 kalogirou s a16针对空调工况条件下，采用二维的非均匀温度和压力模型对两个 内部回热的吸附床进行研究分析，结果表明，采用内部回热时，其制冷效率 cop 有所 提高，但是循环周期也相应增长；回热温差对 cop 的影响较 scp 大。 杨培志，陈焕新17理论分析了基本两床连续循环、等温回质循环、绝热回质循环 3 种吸附式制冷循环方式，采用 c+语言进行编程计算热力学过程。结果表明，等温 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 5 - 回质循环更适合于预热及太阳能低温热源的应用场所。 吸附床2 蒸发器 单向阀 节流阀 冷凝器 吸附床3 吸附床1 图 1- 4 三效循环系统示意图 吸附床a吸附床b 加热器 冷凝器 蒸发器冷凝器 节流阀 图 1- 5 热波循环系统示意图 气体循环泵 加热器冷凝器 吸附床a吸附床b 蒸发器冷却器 气体循环泵 图 1- 6 对流热波循环系统示意图 曲天非等18数值研究了回质循环的吸附制冷系统， 工质对为活性炭-甲醇， 计算了 热源温度为 100、 冷凝温度为 30、 蒸发温度为 5时， 系统的解吸热为 1.47mj/kg， 制冷量为 1.16mj/kg。由此可以看出，系统的性能系数降低。所以，单独采用回质循 环并不能提高系统的性能系数。 吴静怡等19通过对计算数据和实验数据的分析，确定了回热过程及回热时间对系 统性能的影响。随回热时间的增加，scp 逐渐下降，循环周期时间越短，下降幅度越 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 6 - 大；随回热时间增加，cop 由小变大，再由大变小，存在一个最优值，这个最优值随 系统运行参数的变化而不断变化。但是还没有找出最优值。 综上所述，现有的高效循环方式虽然可以在一定程度上提高制冷效率，但是吸附 制冷系统的驱动热源主要为尾气余热和太阳能等低品位能源。而以上所述的循环方式 的系统结构都比较复杂，运行过程中有许多问题还未得到很好地解决。因此，余热吸 附制冷系统并不适宜采用先进的循环方式。 1.2.2 吸附床传热传质强化的研究 对于吸附制冷系统而言，吸附床的技术研究是至关重要的，吸附制冷技术的研究 中的主要问题就是吸附床的传热传质。一方面，只有正确分析吸附床内的传热传质规 律，才可以优化吸附床结构，减小吸附床体积，从而提高系统的制冷效率和早日实现 吸附制冷技术的商业化；另一方面，只有掌握了吸附床内的传热传质规律，我们才可 以控制和优化系统的运行。 目前，国内外学者主要采用以下三种方法强化吸附床的传热：一是在吸附剂中加 入导热性能好的物质20, 21或者对吸附床中吸附剂进行固化处理22, 23从而提高多孔介 质吸附剂的导热能力；二是采用先进的循环制冷方式提高传热能力；三是设计新型高 效的吸附床结构形式降低传热热阻24。 l.w. wang 等人25实验结果表明，固结状的活性炭相比于颗粒状的活性炭，吸附 床的传热能力和对氨的吸附能力都要好很多，固结状吸附床的传热能力可达 80-120w/(m2 k)，而颗粒状活性炭吸附床的传热能力仅为 19-26w/(m2 k)。实验研究 3 种不同结构吸附床的制冷性能，结果表明，在其它结构相同的情况下有专门传质通道 的圆柱状吸附床的单位质量吸附剂的制冷量、系统制冷效率最大，无传质通道的圆柱 形吸附床的制冷性能较差，而无传质通道的长方体的制冷性能最差。 vasiliev 等人26对复合吸附剂-氨为制冷工质对的复合吸附剂进行了研究，结果表 明，采用复合吸附剂不仅可以提高物理吸附剂的吸附量，而且能够有效缓解化学吸附 剂的老化、结块等问题，但是复合吸附剂的配备比较麻烦，在吸附制冷系统运行过程 中每种成分的组份都在不断变化，需要及时进行补充。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 7 - cacciola27将板翅式吸附床应用于吸附式热泵系统中，实验研究了其传热效果和 系统性能，结果表明，系统的 scp 和 cop 提高了 15%。 梅宁28指出提高制冷效率、缩短相对解吸时间的方法为提高吸附床传热系数、减 小传热温差。在吸附床管外添加多个翅片时，可以有效提高吸附床的传热能力。当结 构参数确定时，主要热阻为吸附剂的导热热阻和吸附剂与壁面之间的接触热阻。 李春华29分别采用增加肋片和提高吸附剂导热系数的方法，对太阳能平板型吸附 床进行传热强化。结果表明，添加肋片的方式简单有效；而肋片材料的选择要用热容 较小的金属（本文选用铝合金） ，肋片间距以 6mm 左右为宜。 常士楠30等通过建立吸附床的二维模型，对吸附床添加肋片后的传热传质的效果 进行研究，着重讨论了肋片的性能参数和结构参数对系统性能的影响。 潘新祥等人31、 曹禺32在船舶尾气吸附制冷系统中采用了新型的热管式吸附床结 构，对其进行了理论与实验研究，结果表明，热管式吸附床系统的制冷性能和制冷效 率都得到了很大提高，是未来吸附床发展的一个新方向。 综上所述，国内外学者对吸附床传热传质的研究着重于如何提高吸附制冷系统的 运行效率和制冷量，对影响吸附床传热传质因素方面的细致研究尚有欠缺，没有深入 研究吸附床切换过程中显热热量需求和如何减小显热以及缩短克服显热时间的方法， 对热量传递过程的传热热阻亦没有详细计算。 1.4 本文的主要研究内容 对于固体吸附制冷技术，已有很多研究者和高校学者进行了大量的研究，但是其 中还存在许多问题，吸附制冷技术还没有得到广泛应用。本文在总结前人的基础上， 以低压蒸汽作为驱动热源，采用化学吸附制冷工质对，利用多发生器的系统形式实现 持续高效的制冷循环，对系统中的吸附床进行理论和实验研究。其内容主要包括以下 五方面： （1）在分析现有吸附制冷技术优缺点的基础上，选择适合于本文研究的吸附剂、 系统循环方式以及冷热源， 并通过比较分析核心部件吸附床的结构确定选用 壳管式的吸附床结构形式； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 8 - （2）根据设定的制冷量和蒸发温度确定需要的制冷剂氨和吸附剂氯化钙的质量， 从而确定出壳管式吸附床结构参数； （3）对吸附床单元管内的传热性能进行研究，主要包括单元管的传热热阻、吸附 床显热、克服显热的过渡时间和整个系统的制冷性能； （4）优化壳管式吸附床的结构形式，在单元管外部添加肋片，理论研究肋片对系 统显热、克服显热过渡时间和整个系统的 cop、制冷量等； （5） 基于提高系统的制冷性能和吸附床体积， 从理论上分析新型螺旋板式吸附床 的传热特性，并从多个方面与壳管式吸附床进行对比分析。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 9 - 2 多发生器吸附制冰系统分析 吸附制冷系统由于吸附床的传热传质效果较差，因此，对于空调工况来说，跟现 有的压缩制冷技术存在较大的竞争压力。但是，对于较低的蒸发温度，吸附制冷技术 相对其它制冷方式有很大的发展前景。本文针对超市、农庄蔬果保鲜等场所的制冰工 况研究吸附制冷技术。 2.1 吸附制冷工质对的选取 现有的吸附制冷系统中常用的吸附制冷工质对有物理吸附工质对和化学吸附工质 对以及复合吸附工质对。常用吸附制冷工质对的适用场合以及优缺点如表 2- 1 所示。 表 2- 1 常用吸附制冷工质对的比较分析 工质对 类别 适用场合 优点 缺点 沸石-水33, 34 物理吸附 开式系统 性质稳定 负压系统 活性炭-甲醇35 物理吸附 太阳能吸附 解吸温度低 系统真空 活性炭-氨36 物理吸附 振动较大场合 循环周期短 造价高 硅胶-水37 物理吸附 热源温度较低 解吸温度低 循环量小 金属氢化物-氢38 化学吸附 较少利用 吸附量大 易爆炸，价格高 氯化盐-氨39 化学吸附 热源温度高 吸附量大 周期长 由表 2- 1 可以看出，物理吸附制冷工质对需要的热源温度较低、性能较稳定，循 环周期也比较短40；但是，物理吸附制冷工质对的解吸量较小，对系统的压力要求较 高。而化学吸附制冷工质对需要的热源温度较高，不过化学吸附制冷工质对的解吸/ 吸附量较大， 就是说体积相同时的制冷量较大， 这比较有利于系统的小型化和商业化。 因此，在本文的研究中，为了缩小吸附床体积，采用普遍使用的化学吸附制冷工 质对氯化钙-氨。 2.2 系统循环方式的确定 吸附制冷系统以废热废气等低品位能源作为驱动热源，所以，首先要保证系统连 续运行的稳定性，为吸附制冷的产品化和商业化奠定基础。因此，为了同时达到制冷 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 10 - 量持续输出和系统结构简单的要求，本文拟采用在基本循环基础上改进的多效循环 41，即采用多个吸附床。在系统运行时，一个吸附床状态为加热脱附，其余吸附床均 处于冷却吸附状态。在系统切换时，至少一个吸附床工作状态为吸附制冷，从而保证 系统冷量的连续输出，实现系统的连续制冷。因为在解吸过程中，只要热源提供的温 度能够达到解吸温度，吸附质就可以被解吸出来；但是在吸附过程中，蒸发温度越低， 吸附压力就会越低，吸附制冷剂的蒸发量和吸附量就越少，出现解吸量与吸附量不平 衡的问题。所以，为了使解吸量与吸附量保持平衡，采用多个吸附床同时进行吸附。 一般而言，吸附式空调系统采用三效循环，制冰工况采用四效循环，冷库则需要 五效循环。本文用于制冰，采用四效循环的结构形式，其系统结构图如图 2- 1 所示。 1 2 4 5 6 8 9 12 10 11 7 13 低压蒸汽 3 图 2- 1 四效循环系统原理图 1,2,3,4-吸附床 5-冷凝器 6-储液器 7-节流阀 8-蒸发器 9-输入单向阀组 10-解吸单向阀组 11-吸附单向阀组 12-冷却水输入单向阀组 13-冷却塔 系统的工作原理如下所述： 在控制系统plc可编控制器的作用下， 当热量经输入单向阀组9加热吸附床1时， 吸附剂中的制冷剂气体解吸出来，聚集的气体使得吸附床内的压力逐渐升高，使得解 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 11 - 吸单向阀组 10 中的阀门自动开启， 该阀组中的其它阀门处于闭合状态， 从而使吸附床 1 中的制冷剂气体解吸出来，进入冷凝器 5 中；冷却塔 13 中的冷却水将其冷凝为液态 物质，然后储存在储液器 6 中，即吸附床的加热解吸过程；当需要制量输出时，储液 器 6 中的液态制冷剂通过节流阀 7 进入到蒸发器 8 中。与此同时，吸附床 2、3、4 不 断被来自冷却塔经冷却单向阀组 12 的冷却水降温冷却， 带走吸附床中的吸附热， 使得 吸附床中的温度、压力均不断降低；制冷剂的压力降低使得自身不断被蒸发，蒸发后 的制冷剂经吸附单向阀组 11 被吸附床 2、3、4 中的吸附剂所吸附。蒸发器 8 中的制冷 剂在蒸发过程中，不断吸收周围环境的热量，而降温制冷，即吸附床的吸附制冷过程。 这一循环完成后，plc 程序切换，加热吸附床 2 产生解吸作用，吸附床 1、3、4 的状 态则为冷却吸附。如此循环使得吸附床以此实现切换。 2.3 确定系统中吸附床的结构形式 吸附床作为吸附制冷系统中的关键部件，它的结构形式及其内都传热传质能力直 接影响到系统的运行性能和制冷效率等。吸附床设计时不仅要着重考虑传热、传质和 压力问题，还需要保证冷热源的通道和吸附质的解吸/吸附通道。 2.3.1 各种吸附床结构形式的比较 目前， 以下 7 种吸附床结构形式是国内外学者研究主要研究的： 管壳式吸附床41、 套管式吸附床24、普通板式吸附床42、翅片管式吸附床43、螺旋板式吸附床44、板翅 式吸附床27和热管式吸附床31, 32等。各吸附床的优缺点比较如表 2- 2 所示。 表 2- 2 吸附床结构形式的优缺点比较 序号 吸附床形式 优点 缺点 1 壳管式 结构简单、清洗方便、适应性强。 传热效率较低、紧凑性不好。 2 套管式 流速和换热系数大；便于清洗。 接头复杂；易泄漏。 3 普通板式 传热效率很高，使用安全可靠。 吸附剂的充填困难。 4 翅片管式 结构紧凑，传热效率高。 流道狭窄，流阻大；成本高。 5 螺旋板式 湍流增强，单位体积传热面积大。 吸附剂的充填困难；承压能力有限。 6 板翅式 成本低，传热性能好，结构简单 对介质有一定要求，不易清洗。 7 热管式 传热时存在相变，换热能力强。 加工工艺较难，成本高。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 12 - 从表 2- 2 可以看出，板式吸附床和热管式吸附床的传热效果较好，但是它们的承 压能力有限，加工成本太高，加工工艺复杂，吸附剂的填充比较困难，不适合吸附制 冷产品的商业化；套管式吸附床的结构虽然很简单，但是管子的接头较多，容易泄漏， 不适用于氨等制冷剂气体。因此，本文选用最常用的壳管式吸附床。 壳管式吸附床与壳管式换热器的结构类似，即有一外壳，内装由单元管构成的平 行管组，其具体结构如图 2- 2 所示。 壳 体 传热通道 传质通道 单元管 图 2- 2 壳管式吸附床结构 平行管组的单元管结构如图 2- 3 所示，被解吸或吸附的氨气从上端进出，下端为 由封头封死的盲管结构。 氯化钙 氨气 冷却水 冷却水 封头 低压蒸汽低压蒸汽 氨气 氯化钙 封头 图 2- 3 吸附床单元管的结构示意图 管壳式吸附床结构中，热源蒸汽从吸附床上端进入，与吸附床换热后的冷凝水由 下端的疏水阀控制流出（疏水阀的作用是：当储存的冷凝水量大于规定值时，疏水阀 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 13 - 中浮子浮起来，冷凝水流出） ；冷源冷却水从吸附床下端进入上端流出，这种形式的冷 源可以将整个吸附床浸泡在水中，换热比较均匀，但是传热速度较慢；集氨管收集吸 附床解吸出来的制冷剂氨气，然后流入冷凝器中，蒸发器中蒸发的氨气经集氨管收集 后，重新进入吸附单元管被吸附剂吸附。其具体的冷热源的布置形式如图 2- 4 所示。 冷却水进口蒸汽出口 蒸汽进口 冷却水出口 接冷凝器 接蒸发器 单元管 壳体 下端封头 氨气收集 传质通道 流体通道 上端封头 图 2- 4 吸附床中冷热源的布置 2.3.2 传热传质通道的确定 壳管式吸附床中换热流体流动方式主要有两种形式： （1）换热流体在单元管的内部流动45，吸附剂填充在单元管外部，在单元管外 管与内管之间设有专门的传质通道，称之为内热式壳管式吸附床。这种形式的吸附床 结构，流体与金属管的接触传热面积较小，因此，吸附床的传热效果受到限制。 （2）换热流体从单元管外侧流过46，吸附剂填充在单元管内，单元管中间有一 传质通道，称之为外热式壳管式吸附床。这种形式的吸附床结构，流体与金属管的传 热面积较大， 可以增强流体与吸附剂的换热效果； 传质通道与换热流体通道分开设置， 相互不会受到影响，既便于制冷剂气体的收集，又能够保证制冷剂气体的纯度。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 14 - 因此，在本文的设计计算中采用第二种结构的流动方式，即外热壳管式吸附床， 传热单元管结构如图 2- 5 所示。 金属管壁 吸附剂 带孔金属管 传质通道 图 2- 5 传热单元管结构 2.4 系统冷热源的选取 在吸附床的热媒与冷媒选择方面，其原则之一是在可以同时满足加热与冷却要求 的条件下，尽量选择同一工质作为冷媒与热媒，这样吸附床中可以只设计一种传热管 路，使吸附床的金属热容得到有效降低；第二个原则是尽量选择热物性好的工质作为 传热介质。冷媒一般选用水、空气或导热油；热媒一般选用水、烟气或导热油等。下 面分别对本文所研究系统的冷热源进行选取。 2.4.1 系统冷源的选取 现有制冷系统的冷却方法主要有空冷和水冷两种冷却方式，空冷的冷却速度比较 慢，适合于水资源紧张的场合；水冷的冷却速度较快，但是要求有充足的水源。吸附 制冷系统中吸附床的传热传质速度快慢直接影响到系统的性能；同时，以氯化钙为代 表的常用吸附剂，其吸附温度在 40以下，在自然界中，只有水适合作为冷却介质。 因此，为了提高吸附制冷的制冷量和制冷效率，本文选取水作为冷却介质。 2.4.2 系统热源的选取 吸附制冷系统可以利用大量的低品位能源作为驱动热源，比如太阳能、发动机尾 气、工业低压蒸汽等。现有研究中应用比较广泛的是发动机尾气，但是由于尾气的导 热系数较低、比焓较低以及露点温度腐蚀等问题使得尾气的有效利用热量较少，导致 吸附制冷系统采用尾气加热时制冷效率在 10%左右。因此，本文分别对采用尾气为热 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 15 - 源的吸附制冷系统和采用低压蒸汽为热源的吸附制冷系统中传热单元管进行 fluent 数 值模拟，研究它们的传热效果。 选择传热单管直径为 =57mm 2.5mm，传质管直径为 d=10mm，在管子中间均匀 填充吸附剂 cacl2和 nh3的络合物。 以柴油机的尾气余热作为吸附制冷系统的驱动热源，假设尾气温度为 400。在 实际的烟气余热回收过程中，考虑到二氧化硫低温对金属管壁的腐蚀问题47（二氧化 硫的露点温度一般为 150180） ，因此，提高烟气的排放温度到 tout=200。设定解 吸温度 t2=120，吸附温度为环境温度 t1=30。由于该换热器作为吸附床使用，在工 作过程中会被不断地加热和冷却，而且解吸出来的吸附质具有较大的压力，所以单元 管选用耐压、耐腐蚀和抗热胀冷缩性能好的不锈钢 s304，壳体材料选用碳钢材料。 首先选取总的传热系数 k=30w/(m2 k)48，烟气流速 u=15m/s。 加热过程中的对数平均温差49 equation chapter 2 section 2 maxmin m max min ln tt t t t (2-1) 质量流量 m pm q q ct (2-2) 其中，q烟气的总热量，kj/h cp烟气的比热容，kj/(kg k) 总的换热面积 m q a k t (2-3) 其中，k烟气与单元管的换热系数，w/(m2 k) 所需的总管长 0 a l a (2-4) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 16 - 其中，a0单元管的传热面积，m2 总的管数为 n，则每根单管长为 l l n (2-5) 壳体内径 ic0 12ds nde (2-6) 其中，s单元管的间距，mm， 0 1.25sd nc单元管叉排的排数 e最外围单元管到管壁的距离，奇数行分布时 e=15mm，偶数行分 布时 e=20mm50。 当选取不同的单元管长时，壳体内径的变化如图 2- 6 所示。从图 2- 6 我们可以看 出，单管长度与管子的根数近似成反比。 0.51.01.52.02.53.0 400 500 600 700 800 900 1000 壳体内径/mm 单管长/m 图 2- 6 壳体内径与单管长度的关系 经计算，壳体内径与管子根数的变化趋势相同，随着单管长度的增加，壳体内径 呈下降趋势。壳体的表面积 2 ii 2 4 addl 表 (2-7) 从式(2-7)可以看出，壳体的表面积呈现出上升的趋势，如图 2- 7 所示，即壳体所 用管材在不断增加。 尾气在吸附床内流动时，以对流换热的方式与单元管外壁进行换热，其对流换热 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 17 - 系数的计算如下： 0.51.01.52.02.53.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 壳体表面积/m 2 单管长/m 图 2- 7 壳体表面积与单元管长度的关系 当量直径 22 i0 p 0 dnd d nd (2-8) 其中，n单元管的个数 雷诺数 p re ud (2-9) 其中，u烟气的流速，m/s 烟气运动粘度，m2/s 努塞尔数49 0.26 0.34 w pr re pr pr n nubf (2-10) 其中，b，n，f常数 pr，prw烟气、管壁的普朗特数 对流换热系数 p nu h d (2-11) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 18 - 其中，烟气的导热系数，w/(m k) 热量传递过程中总的传热系数为 00ii f0 ii 11 lnln 22 dddd rr khdd (2-12) 其中，k总的传热系数，w/(m2 k) rf烟气的污垢热阻，m2 k/w ，碳钢、吸附剂的导热系数，w/(m k) r0cacl2与金属管壁的接触热阻，m2 k/w 以单元管长度为特征长度计算所得的烟气与金属管壁的对流换热系数和吸附床总 的传热系数变化情况如图 2- 8 所示。 0.51.01.52.02.53.0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 对流换热系数 总换热系数 换热系数/w/(m2k) 单管长/m 图 2- 8 换热系数与单元管长度的关系 由图 2- 8 我们可以看出，单元管长度变化时，换热系数的变化很小。因此，在选 取单管长度时，为了节约管材，一般选取较小的单管长度，以 0.51.0m 为宜。 烟气的入口速度改变时，吸附床传热过程中，传热系数的变化如图 2- 9 所示。 由图 2- 9 可以看出，烟气与单元管管壁的对流换热系数、吸附床总的传热系数， 均随着烟气进口流速的增大而不断增大。但是，对流换热系数增长的速率相对总的传 热系数要大很多。 这是因为在吸附床的传热过程中， 对流换热热阻不是最主要的热阻。 单元管内壁与吸附剂接触热阻所占的比例较大；而且吸附剂本身的传热系数较低，在 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 - 19 - 传热过程占总热阻的很大部分，所以总的换热系数较对流换热系数变化小。 51015202530 20 40 60 80 100 120 140 160 对流换热系数 总换热系数 换热系数/w/(m2k) 流速/m/s 图 2- 9 烟气流速对换热系数的影响 在本文的研究中，采用 fluent 软件只模拟单元管的传热情况，传质情况暂不做考 虑。为了简化计算，仅对加热解吸过程的等容加热过程进行模拟，即不考虑吸附质从 吸附剂中解吸出来的过程，只研究加热流体流速对吸附床温度变化的影响。数值模拟 的假设条件如下： （1）每根单元管的传热情况相同； （2）外界环境温度对传热的影响忽略不计； （3）吸附床的传质过程可不予考虑； （4）把氯化钙-氨做一种连续均匀介质进行参数设计51。 在模拟过程中所用到的吸附剂的 cacl2与 nh3络合物参数如下： 密度 =760kg/m3，比热容 cp=1435j/(kg k)，导热系数 =0.3w/(m k)。 在计算过程中，为了减少网格的划分，加快计算收敛速度，选取单元管长度为 500mm。设定烟气入口速度为 15m/s，入口温度为 673k，吸附床的初始温度为吸附