固体吸附式制冷系统分析(翻译)

1、文献翻译固体吸附式制冷系统分析 K. NagaMalleswara Rao, M. Ram Gopal and Souvik Bhattacharyya印度理工学院机械工程部印度克勒格布尔 721302摘要基于固体吸附剂反应器（吸收器/发生器）的传热传质对SrCl2-NH3为工质的固体吸附制冷系统性能进行了分析。瞬态的传热传质模型考虑了反应器壁和床层之间的反应器壁的质量和接触电导的影响。对同一反应器内的理论结果及试验结果进行比较。根据两个吸附器/发生器，冷凝器，膨胀阀和蒸发器的整个系统，分析了使用反应器的传热传质模型。结果是在性能系数（COP）和特定的冷却功率系数（SCP）的条件获得的。结果表

2、明优化床层和运行参数，以便获得高的性能系数COP和冷却功率系数SCP。显著影响系统的性能的有床层的厚度、冷源温度和宏观反应进程。关键词 ： 固体吸附式制冷； SrCl2NH3；传热传质；系统性能 161引言固体吸附式制冷系统对环境是友好的，它们运行在低品位能源如废热或太阳能中。基于制冷剂-吸附剂，对固体吸附式系统可以分为水-沸石系统、水-硅胶系统,甲醇-活性炭系统,氨-氯系统等。与其他工作流体对相比，氨氯化物盐具有一定优势，比如由快速反应动力学导致的密实度、高放热反应、高工作温度范围、不结晶和各种各样的吸附剂都可用。然而,类似于其他固体吸附式系统,运行氨氯化物吸附系统在本质上是循环的,提供最准

3、确连续输出的。由于操作的循环性质，盐(吸附剂)床交替的发生制冷和加热会导致发生额外的能量损失。 对于一个给定的冷却/加热输出系统，能量损失的大小取决于吸附剂的使用量。在给定输出的情况下，为了减少所需盐的数量，吸附剂床层的传热传质特性必须大幅提高。在正常的形式，具有吸附床层的有效导热系数非常低，过去一直努力提高这个值。然而，提高有效导热系数一般涉及添加高导热惰性材料(如膨胀石墨)添加材料不参与氨的吸附，重要的是要对有效导热系数的优化。最佳值的有效导热系数取决于几个设计参数和运行参数。可能需要权衡性能系数COP和特定功率输出系数SCP（即每单位冷却或加热输出吸附剂的质量）的取值，使固体吸附式系统的

4、总寿命周期成本最小化。详细地对吸附床层传热传质分析和完整的系统辨别，对理解这些方面至关重要。许多研究者采用多种数学模型研究了耦合热吸附剂床层传质特性。黄教授等人建立了一个以形式获取低温介质系统的一维传热模型，再加上整个反应进程的动力学模型和最佳的热动力学参数的确定。王教授等人研究了用CaCl2NH3 和MnCl2NH3两个系统之间的多步反应。nibe和Iloeje利用反应模型体积和考虑扩散吸附动力学对CaCl2-NH3 工质开发了球形一维传热传质模型。 Mbaye等人简化化学反应系统的假设，采用控制体积法和二维圆柱的能量和动力学方程解决通过热化学材料MnCl2 传导的反应热

5、。Lu等人、oetz 和Marty 采用扩散动力学模型求解一维圆柱能量方程，研究了渗透系数和工作压力反应进程的变化。CaCl2、 BaCl2和 SrCl2是常用的固体吸附剂。基于属性数据报道，它可以表明SrCl2在冷源温度较高时能吸附NH3，而和CaCl2相比BaCl2的吸附能力较差。因此，SrCl2NH3的特点是在高温热带气候环境下最适合的组合。但是，在基于SrCl2NH3吸附式制冷系统的系统模拟研究都未见公开报道。Erhard 等人公布了一个基于SrCl2NH3的太阳能冰箱的实验和仿真结果。在本文中，提出了一个数学模型来模拟SrCl2NH3固体吸附制冷系统。该模型充分考虑了吸附床层的传热与

6、传质耦合方面，吸附床层壁和反应器壁之间的接触电阻的热容量。采用的模型显示了对系统重要的性能设计与运行参数的影响。2系统的描述 固体吸附制冷系统示意图如图1a所示，该系统包括一个蒸发器，冷凝器，一对发生器吸附剂（以提供准连续输出）和膨胀阀。在任何时间点上，该发生器连接至冷凝器，而吸附器连接到蒸发器。完整的运行循环包括两个半周期，在每个半周期之后发生器和吸附器的作用被反转（即发生器变成吸收器，反之亦然），系统从高温热源（TG）吸热，提供给发生器，以产生所需的制冷剂蒸汽。该蒸汽在冷凝器中冷凝，把废热放给低温热源（TA）。凝的制冷剂液体被节流到蒸发压力由于蒸发器压力，冷凝的制冷剂液体被节流。于蒸发器中

7、制冷负荷使制冷剂液体在蒸发器中沸腾由于蒸发器中制冷负荷使制冷剂液体蒸发器中沸腾。在蒸发器中产生的蒸气被吸收器吸附，吸收器所吸附的热量被排到低温热源。图2-1中：Heat Source（TG）高温热源；Heat Added（QG）增热；Genenrator发生器； Absorber吸收器；Heat Rejected(QA)废热；Heat Sink(Ta)低温热源；Condenser(Qc)冷凝器； Evaporator(Qe)蒸发器；Cooling Load冷负荷。 图2-1 固体吸附制冷系统的两个反应器（a）示意图，（b）运行周期在克劳修斯-克拉伯龙的划分 图1b显示了克劳修斯克拉伯龙运行周期

8、情况。运行周期可以被认为是具有以下工序：吸附剂床层的加热和制冷剂生成（1-a-2），制冷剂的过热和冷却（2-a-3），制冷剂节流和蒸发（3-0），吸附剂床层冷却（2-b）和制冷剂的吸附（0-1）。等比容线（1-a）和（2-b）中表示吸附和解吸。给出的吸附剂的平衡温度和压力由克劳修斯 - 克拉伯龙方程表示为： （2-1）Peq是在给定的时间和半径时间内的平衡压力（kPa）；R是通用气体常数，T是温度（K）；是反应热；是反应中熵变。3系统分析 上述的系统是通过一个合适的数学模型分析。吸附反应器（发生器吸附器）建模主要的作用是应用在那些类似的常规制冷系统中，如蒸发器和冷凝器。3.1 吸附反

9、应器物理模建模的目的，如图3-1所示，在反应器内，吸收剂（SrCl2）按一定的空隙率均匀的填充。制冷剂 (NH3) 流经空心内芯是被吸收剂吸收或解吸。在管外流动的外部流体，在解吸过程中，热量是由外部的流体供给到床层；由制冷剂产生蒸汽。生成的蒸汽由床层流入冷凝器，吸收剂通过向周围环境的排热而凝聚。在吸收过程中，蒸发器产生的蒸汽流进床层被冷凝器吸收。吸附的热量被排放到外部的流体中。 Porous salt bed多孔盐床层； Reator wall反应器壁；Extemal fluid外部流体图3-1 盐床层反应器壁的示意图 制定的数学模型同时进行了以下的简化假设：1、气体和固体

10、颗粒间存在局部热平衡，通过床层的传热仅仅只有导热。2、热传递的方向是床层的径向方向。3、在相同的床层上，制冷剂的压力是等于蒸发器吸收压力和冷凝器解吸压力之和。4、盐床层的外表面和所述管壁的内表面之间存在恒定的接触热阻。5、盐和反应器材料的热性能是恒定的。6、离开冷凝器和蒸发器的制冷剂是饱和的。7、计算不考虑蒸发器和冷凝器的质量；计算发生器或吸附器传热速率时要考虑发生器或吸附器的质量。8、冷凝器和吸收器向相同的低温热源散热。9、冷凝器和蒸发器是足够大的，使得发生器的蒸气生成率等于吸收器冷凝速率，吸收器吸收蒸汽的吸附率等于蒸发器的蒸发率。4结果与讨论如前所述，本研究根据SrCl2NH3工质可靠的化

11、学动力学和热性能，这对制冷剂在文献 9 中是可用的。表1显示了在本研究中各种输入参数和属性值的使用。表4-1 SrCl2-NH3的属性数据H (J mole 1)41431S (J mole1 K1)230Ns (mole m3)2671cp (kJ m3)576koa (s1)0.0190ma2.96Ea (J mole1)6921kod (s1)0.125md3.02Ed (J mole1)9000t (kg m3)7800cpt (kJ kg1K1)0.484.1 吸收

12、器与发生器模型的验证为了获得完整的结论，Huang等人9通过对试验结果和已发表的试验数据的比较，验证了吸收器与发生器的传热传质模型。为了验证这对工质，所有的输入参数的值保持相同的结果。图4-1显示了这个验证在整个反应进程中吸收和解吸方面的情况。正如预期的那样，取得了模拟预测和实验数据之间的合理结论。可以看出，该比较能更好地用于解吸与吸吸，这可能是由于在理论模型中未考虑盐在实际的实验中的膨胀。发现局部温度间具有非常好的一致性，从而验证了理论研究结果。整 个 反 应 进 程时间4.2 制冷系统的完整性能评价为了评价制冷系统的性能，表4-2中给出了输入的值意思。反应器壁厚度的估计基于强度。

13、 表4-2 平均输入值外径,mm4内径,mm15冷源温度(TA), K308蒸发器压力(PE), bar3热源温度(TG), K383床层的导热系数(K), Wm1K115续表4-2外墙传热系数(ho), Wm2K1250吸附和解吸堆积密度(NS), mole m32671每个反应器中盐的质量 (Ms), kg1反应器的材料低碳钢图4-1（如下）示出了在反应器中的吸收（反应器1）和解吸（反应器2）整体反应过程。对于给定的输入参数，吸附率和解吸率之间有一定的差距。如该图所示，当吸收在3000秒左右完成时，解吸大约需要4000 秒。这些输入的数据意味着，在反应器-1中制冷将不可能在300

14、0秒和4000秒之间中达到饱和。反应器的作用在第一个半周期之后得到逆转（从吸收到解吸），反之亦然。所以对于改变所述设计参数来达到相等的吸收和解吸次数是不可能的。结果表明，要做到这一点的唯一方法是通过运行参数即外部流体的温度和传热系数的改变（其他一切参数都保持相同），吸收和解吸次数就可以实现相等。如果外部传热系数可以从250 W/(m2. K)提高1100 W/(m2. K)，这将减少总循环次数并提高冷却输出比。反应器-1整 体 反 应 进 程反应器-2时间图4-1 在反应器中的吸附（反应器1）和解吸（反应器2）整体反应过程图4-2显示了在两个反应堆周期空间内盐床平均温度的变

15、化。如图所示，由于吸收和解吸过程的放热和吸热，在周期开始时反应器-1的温度上升，反应器- 2温度急剧下降。然而由于反应器和外部流体之间的热传递，引起吸附床层温度的下降和解吸床层温度的升高。由于吸收床层热生成热传输速率和从外部流体的吸热速率之间的不匹配，使得床层层温度连续变化。然而，在半周期内床层层温度接近外部流体的温度时反应浓度趋于饱和。床层平均温反应器-1反应器-2时间图4-2 两个反应器的在周期空间内的床层层平均值温度的变化图4-3描述了反应器盐床厚度和有效的导热系数对平均制冷输出功率（SCP）的影响。图中表明对于一个给定的15毫米外直径的床层厚度，制冷输出功率（SCP）随有效导热系数的增

16、加而增加。然而，超过约8 W/( m2. K)的热导率值时，对于一个给定床层厚度的反应器的最低影响的标志是操作和设计参数值，所以没有必要提高床层热导率超过一定值。因为提高床层的热导率通常是与任一增加的床层质量和（或）增加的压力降是相关联的。图6还表明，对于给定床层的热导率为15 W/( m2. K)时，制冷输出功率（SCP）随床层厚度的增加而降低，降低速率比床层的厚度的增加要显著。这表明，根据所需的冷量输出，盐的质量和床层的厚度相比要求要少得多。然而如图4-3所示，尽管盐的质量随床层的厚度减少，对于固定冷量输出量(1千瓦)的薄床层所需反应器管的长度非常大。如果我们考虑用标准管（标准ASME B

17、36.10，40S钢），并计算出一个给定1 kW输出量的反应器管的质量和总质量（反应管质量+盐质量），如图所示总质量最初会随着床层厚度增加而达到最小，然后开始增加。在所研究的情况下，可以看出在床层的外直径约50毫米时可以得到最低限度的总质量。因此，可以看出总质量对于应用系统是很重要的（例如，在移动式空调），床层厚度已被优化时得考虑总质量。由于依附热损失热量输入，如果总质量大，COP就小。盐床厚度平均制冷输出功率导热系数图4-3 制冷输出功率SCP随导热系数及床层厚度的变化总质量盐的质量反应器长度盐床外半径反应器长度反应器质量 图4-4 输出制冷量为1kW时盐的质量、反应器的长度及其总重量的变化

18、冷源温度平均制冷输出功率图4-5 SCP 和 COP随冷源温度的变化图4-5显示了冷源温度对系统的COP和 SCP的影响。可以看出随冷源温度轻微变化而引起制冷效果的变化，COP略微降低。然而，对于一个固定的热源温度和蒸发压力的系统，随着冷源温度的升高，增加了吸收和解吸的时间，SCP明显降低。这表明这些系统预计能更好地用于温和气候条件下或水冷冷凝器和吸收器中。蒸发器压力平均制冷输出功率图4-6蒸发器压力对SCPH和COP的变化影响图4-6表明了蒸发器压力对系统性能的影响。可以看出，在蒸发器压力增加时可以提高性能，主要是由于减少了吸收时间。然而，对于蒸发器取决于蒸发器

19、的温度，反过来又取决于冷藏空间的温度，所以在一个大范围内不可能有太多不同的蒸发压力范围。宏观反应进程平均制冷输出功率图4-7 宏观反应进程对系统性能的影响图4-7显示了宏观反应进程在不同床层层厚度值时对系统性能（Xgl）的影响。可以看出，当宏观反应进程的减小，SCP的增大，COP减小。这是由于随着Xgl降低，周期时间减少，制冷量以更快的速度输出，因此SCP增加。然而，随着系统更加频繁的循环，由于吸收/发生器频繁的冷却和加热，伴随性损失增加导致较低的COP。这表明，在宏观反应进程中SCP和COP之间可以得到一折衷均衡。这也可以看出，厚床层与薄床层相比，厚床层具有较高的Xgl，收益率稍高的COP。

20、外部传热系数对系统SCP的影响如图4-8所示。正如预期的那样，其他参数相同时，由于热传递系数减少了吸收和解吸时间，因此总的周期时间的减小，SCP增加。然而，可以看出，在较低的传热系数,SCP以更快的速度的增加，表明满足一最佳值之外，其效果变得边际。对于一个给定的输入条件下的值，可能需要外部流体的动力和换热系数的增加，这是最好的优化。外部传热系数平均制冷输出功率图4-8 具体的外部传热系数对制冷功率的影响5 结论这项研究以固体吸附剂反应器 （吸收器/发生器）传热传质为基础，分析了采用 SrCl2 NH3作为制冷剂对固体吸附系统性能的影响。瞬态传热传质模型考虑反应器壁质量、床层之间的质量和接触电导

21、的影响。固体吸附反应器的理论结果与实验结果相比，有很好的匹配性。完整的系统采用传热传质模型的反应堆模拟得到合理的COP和SCP的结果。结果表明优化床层和操作参数，可以获得相当高的COP和 SCP。对各项参数进行了研究，得到了显著影响性能有盐床层厚度、冷源温度和宏观反应进程。结果表明，对于给定的一个特定厚度床层的系统输出是在最小总质量的。此外，根据不同的要求，一个大的COP或大的SCP的输出可通过控制宏观反应进程来得到。由于公开文献报道 SrCl2 NH3 系统的研究非常少，目前研究取得的成果不能验证完整的周期。Erhard 等人提出的基于太阳能热源温度连续变化的系统，它很难验证整个模拟循环系统

22、的研究结果。因此，实验研究都要求用理论的仿真模型对 SrCl2 NH3系统验证。参考文献 1 Iloeje OC. Design, construction and test run of a solar powered solid absorption refrigerator. Sol Energy 1985；35:44755. 2 Pierre LN, Mazet N, Stitou D. Experimental results of a solar powered cooling system at low temperature. Int J Refrig 2007；30:1050

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