1、文獻翻譯固體吸附式制冷系統分析 K. NagaMalleswara Rao, M. Ram Gopal and Souvik Bhattacharyya印度理工學院機械工程部印度克勒格布爾 721302摘要基于固體吸附劑反應器（吸收器/發生器）的傳熱傳質對SrCl2-NH3為工質的固體吸附制冷系統性能進行了分析。瞬態的傳熱傳質模型考慮了反應器壁和床層之間的反應器壁的質量和接觸電導的影響。對同一反應器內的理論結果及試驗結果進行比較。根據兩個吸附器/發生器，冷凝器，膨脹閥和蒸發器的整個系統，分析了使用反應器的傳熱傳質模型。結果是在性能系數（COP）和特定的冷卻功率系數（SCP）的條件獲得的。結果表

2、明優化床層和運行參數，以便獲得高的性能系數COP和冷卻功率系數SCP。顯著影響系統的性能的有床層的厚度、冷源溫度和宏觀反應進程。關鍵詞 ： 固體吸附式制冷； SrCl2NH3；傳熱傳質；系統性能 161引言固體吸附式制冷系統對環境是友好的，它們運行在低品位能源如廢熱或太陽能中。基于制冷劑-吸附劑，對固體吸附式系統可以分為水-沸石系統、水-硅膠系統,甲醇-活性炭系統,氨-氯系統等。與其他工作流體對相比，氨氯化物鹽具有一定優勢，比如由快速反應動力學導致的密實度、高放熱反應、高工作溫度范圍、不結晶和各種各樣的吸附劑都可用。然而,類似于其他固體吸附式系統,運行氨氯化物吸附系統在本質上是循環的,提供最準

3、確連續輸出的。由于操作的循環性質，鹽(吸附劑)床交替的發生制冷和加熱會導致發生額外的能量損失。 對于一個給定的冷卻/加熱輸出系統，能量損失的大小取決于吸附劑的使用量。在給定輸出的情況下，為了減少所需鹽的數量，吸附劑床層的傳熱傳質特性必須大幅提高。在正常的形式，具有吸附床層的有效導熱系數非常低，過去一直努力提高這個值。然而，提高有效導熱系數一般涉及添加高導熱惰性材料(如膨脹石墨)添加材料不參與氨的吸附，重要的是要對有效導熱系數的優化。最佳值的有效導熱系數取決于幾個設計參數和運行參數。可能需要權衡性能系數COP和特定功率輸出系數SCP（即每單位冷卻或加熱輸出吸附劑的質量）的取值，使固體吸附式系統的

4、總壽命周期成本最小化。詳細地對吸附床層傳熱傳質分析和完整的系統辨別，對理解這些方面至關重要。許多研究者采用多種數學模型研究了耦合熱吸附劑床層傳質特性。黃教授等人建立了一個以形式獲取低溫介質系統的一維傳熱模型，再加上整個反應進程的動力學模型和最佳的熱動力學參數的確定。王教授等人研究了用CaCl2NH3和MnCl2NH3兩個系統之間的多步反應。nibe和Iloeje利用反應模型體積和考慮擴散吸附動力學對CaCl2-NH3工質開發了球形一維傳熱傳質模型。 Mbaye等人簡化化學反應系統的假設，采用控制體積法和二維圓柱的能量和動力學方程解決通過熱化學材料MnCl2 傳導的反應熱。Lu等人、oetz 和

5、Marty 采用擴散動力學模型求解一維圓柱能量方程，研究了滲透系數和工作壓力反應進程的變化。CaCl2、 BaCl2和 SrCl2是常用的固體吸附劑。基于屬性數據報道，它可以表明SrCl2在冷源溫度較高時能吸附NH3，而和CaCl2相比BaCl2的吸附能力較差。因此，SrCl2NH3的特點是在高溫熱帶氣候環境下最適合的組合。但是，在基于SrCl2NH3吸附式制冷系統的系統模擬研究都未見公開報道。Erhard 等人公布了一個基于SrCl2NH3的太陽能冰箱的實驗和仿真結果。在本文中，提出了一個數學模型來模擬SrCl2NH3固體吸附制冷系統。該模型充分考慮了吸附床層的傳熱與傳質耦合方面，吸附床層壁

6、和反應器壁之間的接觸電阻的熱容量。采用的模型顯示了對系統重要的性能設計與運行參數的影響。2系統的描述 固體吸附制冷系統示意圖如圖1a所示，該系統包括一個蒸發器，冷凝器，一對發生器吸附劑（以提供準連續輸出）和膨脹閥。在任何時間點上，該發生器連接至冷凝器，而吸附器連接到蒸發器。完整的運行循環包括兩個半周期，在每個半周期之后發生器和吸附器的作用被反轉（即發生器變成吸收器，反之亦然），系統從高溫熱源（TG）吸熱，提供給發生器，以產生所需的制冷劑蒸汽。該蒸汽在冷凝器中冷凝，把廢熱放給低溫熱源（TA）。凝的制冷劑液體被節流到蒸發壓力由于蒸發器壓力，冷凝的制冷劑液體被節流。于蒸發器中制冷負荷使制冷劑液體在蒸

7、發器中沸騰由于蒸發器中制冷負荷使制冷劑液體蒸發器中沸騰。在蒸發器中產生的蒸氣被吸收器吸附，吸收器所吸附的熱量被排到低溫熱源。圖2-1中：Heat Source（TG）高溫熱源；Heat Added（QG）增熱；Genenrator發生器； Absorber吸收器；Heat Rejected(QA)廢熱；Heat Sink(Ta)低溫熱源；Condenser(Qc)冷凝器； Evaporator(Qe)蒸發器；Cooling Load冷負荷。 圖2-1 固體吸附制冷系統的兩個反應器（a）示意圖，（b）運行周期在克勞修斯-克拉伯龍的劃分 圖1b顯示了克勞修斯克拉伯龍運行周期情況。運行周期可以被認為

8、是具有以下工序：吸附劑床層的加熱和制冷劑生成（1-a-2），制冷劑的過熱和冷卻（2-a-3），制冷劑節流和蒸發（3-0），吸附劑床層冷卻（2-b）和制冷劑的吸附（0-1）。等比容線（1-a）和（2-b）中表示吸附和解吸。給出的吸附劑的平衡溫度和壓力由克勞修斯 - 克拉伯龍方程表示為： （2-1）Peq是在給定的時間和半徑時間內的平衡壓力（kPa）；R是通用氣體常數，T是溫度（K）；是反應熱；是反應中熵變。3系統分析 上述的系統是通過一個合適的數學模型分析。吸附反應器（發生器吸附器）建模主要的作用是應用在那些類似的常規制冷系統中，如蒸發器和冷凝器。3.1吸附反應器物理模建模的目的，如圖3-1所示

9、，在反應器內，吸收劑（SrCl2）按一定的空隙率均勻的填充。制冷劑(NH3)流經空心內芯是被吸收劑吸收或解吸。在管外流動的外部流體，在解吸過程中，熱量是由外部的流體供給到床層；由制冷劑產生蒸汽。生成的蒸汽由床層流入冷凝器，吸收劑通過向周圍環境的排熱而凝聚。在吸收過程中，蒸發器產生的蒸汽流進床層被冷凝器吸收。吸附的熱量被排放到外部的流體中。 Porous salt bed多孔鹽床層； Reator wall反應器壁；Extemal fluid外部流體圖3-1 鹽床層反應器壁的示意圖 制定的數學模型同時進行了以下的簡化假設：1、氣體和固體顆粒間存在局部熱平衡，通過床層的傳熱僅僅只有導熱。2、熱傳遞

10、的方向是床層的徑向方向。3、在相同的床層上，制冷劑的壓力是等于蒸發器吸收壓力和冷凝器解吸壓力之和。4、鹽床層的外表面和所述管壁的內表面之間存在恒定的接觸熱阻。5、鹽和反應器材料的熱性能是恒定的。6、離開冷凝器和蒸發器的制冷劑是飽和的。7、計算不考慮蒸發器和冷凝器的質量；計算發生器或吸附器傳熱速率時要考慮發生器或吸附器的質量。8、冷凝器和吸收器向相同的低溫熱源散熱。9、冷凝器和蒸發器是足夠大的，使得發生器的蒸氣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發器的蒸發率。4結果與討論如前所述，本研究根據SrCl2NH3工質可靠的化學動力學和熱性能，這對制冷劑在文獻 9 中是可用的。表1顯示

11、了在本研究中各種輸入參數和屬性值的使用。表4-1 SrCl2-NH3的屬性數據H(J mole1)41431S(J mole1K1)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 吸收器與發生器模型的驗證為了獲得完整的結論，Huang等人9通過對試驗結果和已發表的試驗數據的比較，驗證了吸收器與發生器的傳熱傳質模型。為了驗證這對工質，所有的輸入參數的值保持相同的結果。圖4-1顯示了這個驗

12、證在整個反應進程中吸收和解吸方面的情況。正如預期的那樣，取得了模擬預測和實驗數據之間的合理結論。可以看出，該比較能更好地用于解吸與吸吸，這可能是由于在理論模型中未考慮鹽在實際的實驗中的膨脹。發現局部溫度間具有非常好的一致性，從而驗證了理論研究結果。整 個 反 應 進 程時間4.2制冷系統的完整性能評價為了評價制冷系統的性能，表4-2中給出了輸入的值意思。反應器壁厚度的估計基于強度。 表4-2 平均輸入值外徑,mm4內徑,mm15冷源溫度(TA), K308蒸發器壓力(PE), bar3熱源溫度(TG), K383床層的導熱系數(K), Wm1K115續表4-2外墻傳熱系數(ho), Wm2K1

13、250吸附和解吸堆積密度(NS), mole m32671每個反應器中鹽的質量(Ms), kg1反應器的材料低碳鋼圖4-1（如下）示出了在反應器中的吸收（反應器1）和解吸（反應器2）整體反應過程。對于給定的輸入參數，吸附率和解吸率之間有一定的差距。如該圖所示，當吸收在3000秒左右完成時，解吸大約需要4000 秒。這些輸入的數據意味著，在反應器-1中制冷將不可能在3000秒和4000秒之間中達到飽和。反應器的作用在第一個半周期之后得到逆轉（從吸收到解吸），反之亦然。所以對于改變所述設計參數來達到相等的吸收和解吸次數是不可能的。結果表明，要做到這一點的唯一方法是通過運行參數即外部流體的溫度和傳熱

14、系數的改變（其他一切參數都保持相同），吸收和解吸次數就可以實現相等。如果外部傳熱系數可以從250 W/(m2.K)提高1100 W/(m2.K)，這將減少總循環次數并提高冷卻輸出比。反應器-1整 體 反 應 進 程反應器-2時間圖4-1 在反應器中的吸附（反應器1）和解吸（反應器2）整體反應過程圖4-2顯示了在兩個反應堆周期空間內鹽床平均溫度的變化。如圖所示，由于吸收和解吸過程的放熱和吸熱，在周期開始時反應器-1的溫度上升，反應器- 2溫度急劇下降。然而由于反應器和外部流體之間的熱傳遞，引起吸附床層溫度的下降和解吸床層溫度的升高。由于吸收床層熱生成熱傳輸速率和從外部流體的吸熱速率之間的不匹配，

15、使得床層層溫度連續變化。然而，在半周期內床層層溫度接近外部流體的溫度時反應濃度趨于飽和。床層平均溫反應器-1反應器-2時間圖4-2 兩個反應器的在周期空間內的床層層平均值溫度的變化圖4-3描述了反應器鹽床厚度和有效的導熱系數對平均制冷輸出功率（SCP）的影響。圖中表明對于一個給定的15毫米外直徑的床層厚度，制冷輸出功率（SCP）隨有效導熱系數的增加而增加。然而，超過約8 W/( m2. K)的熱導率值時，對于一個給定床層厚度的反應器的最低影響的標志是操作和設計參數值，所以沒有必要提高床層熱導率超過一定值。因為提高床層的熱導率通常是與任一增加的床層質量和（或）增加的壓力降是相關聯的。圖6還表明，

16、對于給定床層的熱導率為15 W/( m2. K)時，制冷輸出功率（SCP）隨床層厚度的增加而降低，降低速率比床層的厚度的增加要顯著。這表明，根據所需的冷量輸出，鹽的質量和床層的厚度相比要求要少得多。然而如圖4-3所示，盡管鹽的質量隨床層的厚度減少，對于固定冷量輸出量(1千瓦)的薄床層所需反應器管的長度非常大。如果我們考慮用標準管（標準ASME B36.10，40S鋼），并計算出一個給定1 kW輸出量的反應器管的質量和總質量（反應管質量+鹽質量），如圖所示總質量最初會隨著床層厚度增加而達到最小，然后開始增加。在所研究的情況下，可以看出在床層的外直徑約50毫米時可以得到最低限度的總質量。因此，可以

17、看出總質量對于應用系統是很重要的（例如，在移動式空調），床層厚度已被優化時得考慮總質量。由于依附熱損失熱量輸入，如果總質量大，COP就小。鹽床厚度平均制冷輸出功率導熱系數圖4-3 制冷輸出功率SCP隨導熱系數及床層厚度的變化總質量鹽的質量反應器長度鹽床外半徑反應器長度反應器質量 圖4-4 輸出制冷量為1kW時鹽的質量、反應器的長度及其總重量的變化冷源溫度平均制冷輸出功率圖4-5 SCP和COP隨冷源溫度的變化圖4-5顯示了冷源溫度對系統的COP和SCP的影響。可以看出隨冷源溫度輕微變化而引起制冷效果的變化，COP略微降低。然而，對于一個固定的熱源溫度和蒸發壓力的系統，隨著冷源溫度的升高，增加了

18、吸收和解吸的時間，SCP明顯降低。這表明這些系統預計能更好地用于溫和氣候條件下或水冷冷凝器和吸收器中。蒸發器壓力平均制冷輸出功率圖4-6蒸發器壓力對SCPH和COP的變化影響圖4-6表明了蒸發器壓力對系統性能的影響。可以看出，在蒸發器壓力增加時可以提高性能，主要是由于減少了吸收時間。然而，對于蒸發器取決于蒸發器的溫度，反過來又取決于冷藏空間的溫度，所以在一個大范圍內不可能有太多不同的蒸發壓力范圍。宏觀反應進程平均制冷輸出功率圖4-7 宏觀反應進程對系統性能的影響圖4-7顯示了宏觀反應進程在不同床層層厚度值時對系統性能（Xgl）的影響。可以看出，當宏觀反應進程的減小，SCP的增大，COP減小。這

19、是由于隨著Xgl降低，周期時間減少，制冷量以更快的速度輸出，因此SCP增加。然而，隨著系統更加頻繁的循環，由于吸收/發生器頻繁的冷卻和加熱，伴隨性損失增加導致較低的COP。這表明，在宏觀反應進程中SCP和COP之間可以得到一折衷均衡。這也可以看出，厚床層與薄床層相比，厚床層具有較高的Xgl，收益率稍高的COP。外部傳熱系數對系統SCP的影響如圖4-8所示。正如預期的那樣，其他參數相同時，由于熱傳遞系數減少了吸收和解吸時間，因此總的周期時間的減小，SCP增加。然而，可以看出，在較低的傳熱系數,SCP以更快的速度的增加，表明滿足一最佳值之外，其效果變得邊際。對于一個給定的輸入條件下的值，可能需要外

20、部流體的動力和換熱系數的增加，這是最好的優化。外部傳熱系數平均制冷輸出功率圖4-8 具體的外部傳熱系數對制冷功率的影響5 結論這項研究以固體吸附劑反應器 （吸收器/發生器）傳熱傳質為基礎，分析了采用 SrCl2 NH3作為制冷劑對固體吸附系統性能的影響。瞬態傳熱傳質模型考慮反應器壁質量、床層之間的質量和接觸電導的影響。固體吸附反應器的理論結果與實驗結果相比，有很好的匹配性。完整的系統采用傳熱傳質模型的反應堆模擬得到合理的COP和SCP的結果。結果表明優化床層和操作參數，可以獲得相當高的COP和 SCP。對各項參數進行了研究，得到了顯著影響性能有鹽床層厚度、冷源溫度和宏觀反應進程。結果表明，對于

21、給定的一個特定厚度床層的系統輸出是在最小總質量的。此外，根據不同的要求，一個大的COP或大的SCP的輸出可通過控制宏觀反應進程來得到。由于公開文獻報道 SrCl2 NH3 系統的研究非常少，目前研究取得的成果不能驗證完整的周期。Erhard 等人提出的基于太陽能熱源溫度連續變化的系統，它很難驗證整個模擬循環系統的研究結果。因此，實驗研究都要求用理論的仿真模型對 SrCl2 NH3系統驗證。參考文獻 1 Iloeje OC. Design, construction and test run of a solar powered solid absorption refrigerator. So

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