太阳能与生物质能联合驱动活性炭—甲醇吸附式制冷系统设计与试验研究

【摘要】：本研究是在国家“863”计划项目“生物质清洁高效预处理关键技术研究”(项目编号：2012AA051502)、河南省科技创新杰出人才计划项目“生物质成型燃料清洁高效燃烧技术研究”(项目编号：2014KJCXJCRC015)和郑州市科技创新团队计划项目“生物质能转化与利用技术研究”(项目编号：131PCXTD588)等项目的资助和支持下完成的。能源是当今国民经济和社会持续发展的重要物质基础。随着社会经济的快速发展和能源需求的持续增长,化石能源供应紧张和环境污染问题日益严重,可替代化石燃料的太阳能与生物质能等可再生能源的开发利用被提到了更高的战略地位,对于改善城郊果蔬种植园区及缺电边远山区等区域的人居环境生态问题和能源资源利用具有重要意义。由于氯氟烃类制冷剂CFC、HCFC逐渐被停用,吸附式制冷作为一种可以有效利用低品位能源的环境友好型制冷方式,符合当前能源资源与环境协调发展的趋势,已成为国内外关注的热门课题。本研究针对目前我国农村产业结构调整、农户产业模式的发展现状,根据理论分析和试验研究,提出了一种作为油麦菜等果蔬的真空预冷+贮藏冷库的冷源,适合于太阳能、生物质能等低品位能源驱动吸附式制冷系统的设计方案。研究利用太阳能和生物质能联合驱动、以玉米秸秆为原料经磷酸化处理进行粒状活性炭制备、用于活性炭—甲醇工质对的吸附式制冷系统,可为果蔬等农产品种植园区实现农户自建小型保鲜贮藏冷库提供有效的技术支持,以期缓解当地果蔬等农产品集中上市的销售压力,解决当地因销售不畅、物流滞后等问题。本文对太阳能与生物质能联合驱动活性炭—甲醇间歇吸附式制冷系统作了细致的试验与理论研究工作,主要包括以下内容：1.根据系统供冷能力与冷藏热负荷需求同向变化的特点,分析基于热源变化特性及其对吸附机组性能的影响,提出联合制冷系统的设计方案；结合当地生物质能资源情况和气候条件的不同,提出适宜于联合制冷系统运行的三种控制模式。2.基于强化传热传质的机理分析,设计了一种用于实验室小试、带有分散到吸附剂中的矩形支管的圆形刺孔膜片式吸附质管的壳管式吸附床。(1)针对改善吸附床的传热和利于床层传质扩散性能等方面讨论了膜片在吸附质流动挤压弯曲变形时正应力与切应力、扩散通量与扩散传质系数之间的变化关系,可为刺孔膜片式管的传质机理及特性进一步的深入研究提供了理论依据及一定的试验数据积累。(2)为了深入研究太阳能、生物质能综合利用效率,分析吸附床的热传导性能,进行了吸附床壳体制作材料的导热性能测定试验,从而为吸附床的优化设计提供了理论指导。3.对生物质锅炉与太阳能联合匹配驱动吸附制冷系统实际并网运行进行了分析。通过系统仿真和试验测试,研究生物质能与太阳能的适配性(耦合过程)问题。研究结果表明,生物质能与太阳能匹配与否对系统的制冷量有较大的影响,反映了系统供冷能力与末端热负荷具有同向变化的特性。生物质锅炉与太阳能集热器并联工况下,蓄热水箱出口(制冷机组进口)水温变化取决于β的取值：回水流量分配比例β的取值范围为0.5-0.6(采用单一的太阳能热水运行模式、β取值0.5,采用双热源联合驱动运行模式,β取值0.55,采用单一的生物质热水锅炉热水运行模式,β取值0.6。)。4.用磷酸法制备粒状玉米秸秆活性炭的试验。利用玉米秸秆为原料、采用磷酸法制备吸附式制冷系统用活性炭,从理论和试验层面上分析了炭料的活化机理、产率及其吸附性能,并用正交试验法对活性炭性能影响的因素进行分析。试验结果表明,活化温度、活化时间对炭产率及吸附量的影响较大。提出了制备粒状玉米秸秆活性炭的最佳工艺条件：试验用磷酸质量分数55%、固液比13、活化温度450℃,活化时长为3h。5.搭建了吸附性能模拟试验台,采用重量法测试制备的粒状活性炭对甲醇的吸附、解吸能力,着重研究了活性炭—甲醇工质对的性能参数及吸附制冷循环中的吸附量、吸附率等对联合系统制冷性能的影响。(1)床内盛装同种试样炭料试验：同一吸附温度下,新型吸附床C(内置膜片式刺孔吸附质管)的吸附性能明显优于未进行结构改进的吸附床D,且达到相同吸附量0.203g/g时,C床提前了4分钟；床内盛装不同粒径与同一粒径活性炭的对比试验：同一吸附温度下,其吸附性能明显优于盛装同一粒径的,且达到同一吸附量0.201 g/g时,吸附提前了15分钟。(2)在制冷循环时间内,不同油浴控温下吸附床内的温度和压力均随着加热时间的增加逐渐升高。油浴控温设置温度越高、吸附床内温度变化越明显,加热初始阶段升温速率较慢、中期急剧上升、后期逐渐减慢。不同油浴控温下吸附床内的压力,随着系统内解吸量的增加而持续升高,并逐渐趋于平缓。试验结果表明,系统循环COP、制冷量随着解吸温度升高均有所增加,且解吸温度存在一个较高峰值为341.15K。经测试、计算：循环吸附量为0.248kg/kg时,COP为0.086,等量吸附热平均值为1867.23kJ/kg。6.为了验证课题设计方案在真空预冷中应用的可行性,以平顶山市南郊蔬菜种植园区种植的油麦菜为研究对象,利用MATLAB软件,对油麦菜真空贮藏过程的传热传质进行建模分析,提出真空预冷过程中,表面喷水量和预冷压力等对其预冷过程中的失重有较大的影响,并用试验方法对模型加以验证。针对油麦菜的物性和真空预冷过程中的热质传递机理,分析了捕水器在真空预冷过程中的换热特性,并从理论上计算了捕捉真空室内油麦菜预冷过程蒸发出来的水蒸气量。模拟结果表明,预冷过程真空室内压力、干空气压力和湿空气密度均呈减小趋势,且真空压力越低,油麦菜的降温速率和失水率越大；试验结果表明,油麦菜在真空预冷过程,经预湿润处理样品材料的预冷时间低于未经湿润处理的对照样品；根据捕水器换热特性及水蒸气冷凝原理,利用传热传质的理论知识,计算出捕水器的最佳理论捕水量及预冷过程所需制冷量,冷量分配符合设计方案。

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