毕业论文（设计）一套优化的烟气余热驱动的吸附式冷藏车制冷系统

1、一套优化的烟气余热驱动的吸附式冷藏车制冷系统摘要：基于先前构建的烟气余热驱动的两级吸附式冷藏车制冷系统，提出了优化改进版的制冷系统，由中温盐吸附床、高温盐吸附床、蒸发器、冷凝器、膨胀阀和储液罐等组成。优化改进版的制冷机不仅能满足新鲜货物的运输，而且能满足冷冻货物的运输，蒸发器最低出风温度达到-25，当蒸发器的出风温度为-5，系统在整个周期的平均制冷量为2.32 kW。同时优化改进版本的两级吸附制冷机不仅重量大大减轻，而且整个系统的成本也极大地降低。关键词：两级吸附式制冷；优化；烟气余热；冷藏车；An optimized solid sorption freezing system driven

2、 by the engine exhaust for a refrigerated truckGAO Penga WANG Liweia WANG Ruzhua LI Daopengb LIANG Zhongwenb a. Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240b. CIMC Vehicles (Shan dong) CO.,LTD, Jinan, 250299Abstract Based on the earlier-established MnCl2/C

3、aCl2-NH3 two-stage solid sorption freezing system driven by the engine exhaust gas for a refrigerated truck, an optimized system is proposed, which consists of a MnCl2 adsorption bed (HTS bed), a CaCl2 adsorption bed (MTS bed), an evaporator, a condenser, an expansion valve and a liquid storage tank

4、 so on. Through the optimization, experimental results show the optimized system can easily satisfy the requirement even for transporting frozen goods, and the minimum chilled air outlet temperature of the evaporator is -25oC. The refrigerating capacity at the refrigerating temperature of -5oC is 2.

5、32kW. Simultaneously, both the total mass of the system and the cost can satisfy the requirement of this refrigerated truck. Keywords: two-stage solid sorption refrigeration; Optimization; Engine exhaust; Refrigerated trucks1 研究背景随着国民生活水平的日益提高，大量地冷藏车被应用于冷链运输环节。目前国内外冷藏车上安装的都是由发动机驱动的蒸汽压缩式制冷机组，这势必会增加发动

6、机的耗油量及尾气排放量。冷藏车的制冷成本为0.47 L/h燃油/kW制冷量，相应增加的发动机尾气排放量为1.2 kg/h CO2/ kW制冷量，环境温度和制冷温度分别为30和-201。由此可见现有的冷藏运输技术成本是很高，刚刚过去的318山东济南非法经营疫苗案，商家之所以没有采用冷藏车运输，主要原因是冷藏运输成本太高。吸附式制冷技术是利用低品位热能（如烟气废热）驱动的一种制冷方式2，于是基于吸附式制冷原理，高鹏 et al. 3设计并搭建一套利用发动机烟气余热驱动的MnCl2/CaCl2-NH3两级吸附式冷藏车制冷系统，系统在满足使用要求的同时降低机组运行成本，并且实现节能减排。本文是基于高鹏

7、et al. 3先前搭建的MnCl2/CaCl2-NH3两级吸附制冷系统遇到的一些问题，具体问题如下：系统只能满足新鲜货物的运输（制冷温度为0和-5），难以满足冷冻货物的运输要求；系统循环时间长达240分钟，再吸附时间长达120分钟。系统总重高达260 kg。 基于上述问题，对系统进行一系列的优化改进，并对优化改进的系统进行测试实验。2 MnCl2/CaCl2-NH3两级吸附制冷系统发动机烟气余热驱动的MnCl2/CaCl2-NH3两级吸附制冷系统如图1所示，由MnCl2吸附床（高温盐吸附床）、CaCl2吸附床（中温盐吸附床）、蒸发器、冷凝器、膨胀阀和储液罐等组成。中温盐吸附床填充氯化钙/硫化

8、膨胀石墨的复合吸附剂，高温盐吸附床填充的是氯化锰/硫化膨胀石墨的复合吸附剂，制冷剂为氨，吸附床、蒸发器和冷凝器都直接采用风冷的冷却方式。图1 MnCl2/CaCl2-NH3两级吸附制冷系统原理图MnCl2/CaCl2-NH3两级吸附制冷机的工作过程如下所述：高温盐MnCl2吸附床冷却吸附及蒸发器冷量输出过程。在此过程中，环境空气通过阀门CV1冷却高温盐吸附床，此时高温盐吸附床处于低压状态，来自储液罐的高压液态制冷剂经膨胀阀EAV节流，变成低温低压的液态制冷剂，低温低压液态制冷剂进入蒸发器，在蒸发器内蒸发吸热变成低温低压的气态制冷剂，蒸发过程吸收的热量是来自流经蒸发器的空气，从而空气温度降低，产

9、生制冷效果，流出蒸发器的气态制冷剂被高温盐MnCl2吸附，产生的吸附热被流过的环境空气带走。中温盐CaCl2吸附床加热解吸过程。在高温盐MnCl2吸附床冷却吸附时，高温烟气通过阀门EV2流入中温盐吸附床，加热中温盐吸附床，氨从中温吸附床中解吸出来，中温盐吸附床解吸出来的氨气在冷凝器中冷凝并放出冷凝热，冷凝后的液体流回到储液罐。高温盐MnCl2吸附床加热解吸和中温盐CaCl2吸附床的冷却吸附过程。此过程中称作为再吸附过程，高温烟气通过阀门EV1流入高温吸附床，加热高温盐吸附床，以便使氨解吸出来，环境空气通过阀门CV2流入中温吸附床，冷却中温盐吸附床，以便吸附从高温床解吸出来的氨。再吸附过程能够保

10、证该系统能够适用于非常恶劣的工作环境，如当发动机处于低负荷时，即发动机的排气温度（即热源温度）不高时。针对先前搭建的MnCl2/CaCl2-NH3两级吸附制冷系统遇到的问题，对系统进行了如下改进：（1）无论是优化改进版的吸附床还是先前搭建的吸附床，吸附床都是由若干根单元管组成，在单元管内填充混合吸附剂，氯化物与硫化膨胀石墨的质量比5:1。为了强化换热，优化改进的吸附床单元管的排列方式从先前的顺排模式改为叉排模式。高温盐MnCl2吸附床的单元管的数量从先前的120根缩减为66根，如图2a，中温盐CaCl2吸附床的单元管的数量从先前的80根缩减为55根，因此吸附床的重量体积极大地减小。（2）蒸发器

11、采用铝管铝翅片换热器，冷凝器采用平行流换热器，蒸发器和冷凝器都可以直接选用机械压缩制冷系统中的蒸发器和冷凝器，成本大大降低。（3）首次在吸附制冷系统中采用的膨胀阀，如图2b所示，系统中储液罐由2个缩减为1个。MnCl2/CaCl2-NH3两级吸附制冷机的装车图如图2c所示。 (a) (b) (c)图2 MnCl2/CaCl2-NH3两级吸附制冷系统：（a）高温盐吸附床；（b）膨胀阀；（c）装车图3 理论计算系统的瞬时制冷量： (1) 式中tcycle是系统的循环周期（min）； Cchilled,air是流过蒸发器的空气的比热（kJkg-1K-1）；mchilled, air是空气的质量流量（

12、kgs-1）；Tchilled air, in, Tchilled air,out分别是蒸发器进出口空气的温度（K）。系统全周期的平均制冷量： (2)4实验系统与性能分析在初始调试实验，使用热空气去模拟发动机烟气来加热吸附床，使用两个离心风机分别冷却两个吸附床。为了便于测试实验系统的制冷量，设计加工了一个保温箱体，在箱体内加装电加热器，并安装了相应的温控装置。在冷凝器储液罐上安装了视镜，这样便于判断中温盐吸附床加热解吸结束的时间点。图3为优化改进的MnCl2/CaCl2-NH3两级吸附制冷实验系统。图3 MnCl2/CaCl2-NH3两级吸附制冷实验系统对优化改进的两级吸附制冷实验系统进行了测

13、试，测试工况：热源温度210，环境温度15，再吸附时间为30 min，蒸发器出风温度分别控制在0、-5、-10、-15、-20和-25，图4给出蒸发器出风温度为-5和-15时系统的瞬时制冷量。 （b）图4两级吸附制冷系统的制冷量和蒸发器出风温度：（a）蒸发器出风温度为-5；（b）蒸发器出风温度为-15； 测试结果显示了系统在0、-5、-10、-15、-20和-25时，系统在整个周期的平均制冷量分别是为2.46 kW，2.32 kW，2.06 kW，1.94 kW，1.69 kW和1.63 kW，如图5所示，测试结果显示足以满足4.2m冷藏车冷量需求。 图 5 两级吸附制冷系统的平均制冷量与先前

14、搭建的制冷机相对比，优化改进版的吸附制冷机的性能得到了大幅度的提高。体现在以下几个方面：（1）先前版本的制冷机在210的热空气的条件下，蒸发器出风温度为-5时，系统的制冷量只有1.2kW；而优化改进版本，在相同的驱动热源温度制冷量达到了kW，提高幅度为93%。（2）相对于先前版本的制冷机，优化改进版的制冷机的循环周期得到了大幅度地降低。由240min降低到了63min，降低幅度达到了4倍。（3）优化改进版的机组重量大幅度地降低。先前版的制冷机组重量为260kg，而优化改进版版本的机组重量仅为150kg，降低幅度达到了42%。（4）优化改进版本由于采用的膨胀阀，当制冷阶段开启时，蒸发器出风温度不

15、到1min达到所需的制冷温度，先前的1.0版本由于是满液式蒸发器，至少需要10min左右。5 结论基于先前构建的烟气余热驱动的两级吸附式冷藏车制冷系统，提出了优化改进版两级吸附制冷系统，由中温盐吸附床、高温盐吸附床、蒸发器、冷凝器、膨胀阀和储液罐等组成。（1）优化改进版的两级吸附制冷机不仅能够满足新鲜货物的运输，而且能够满足冷冻货物的运输，蒸发器最低出风温度达到-25，当蒸发器的出风温度为-5，系统在整个周期的平均制冷量为2.32 kW；（2）优化改进版本的两级吸附制冷机不仅重量大大减轻，而且整个系统的成本也极大地降低。参考文献1 S.K. Chatzidakis, K.S. Chatzidakis. Refrigerated transport and environmentJ. International Journal of Energy Research 2004; 28: 887-8972 R.Z. Wang, R