燃料电池汽车余热驱动的活性炭—甲醇吸附式制冷系统的研究

论文摘要

燃料电池汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。燃料电池的工作效率一般在50%左右,对其余热回收利用具有极大的社会经济意义。吸附式制冷作为环境友好的制冷方式和利用低品位能源的有效工具,近年来得到广泛关注。本文的任务是对燃料电池汽车的余热进行回收,并应用于吸附式制冷系统,使汽车空调符合节能和环保的要求。本文选取丰田汽车公司生产的型号为TOYOTA FCHV的一款燃料电池汽车为研究对象,针对燃料电池汽车余热驱动的活性炭—甲醇吸附式制冷系统进行研究。从纯热力学角度对基本两床连续循环、绝热回质循环、等温回质循环这三种吸附式制冷循环的热力学过程进行分析,并采用C++语言进行编程模拟计算,探讨蒸发温度、冷凝温度及热源温度对解吸温度、吸附温度、循环吸附率、COP、周期制冷量等的影响。综合比较计算结果及燃料电池余热的特点,确定燃料电池汽车余热驱动吸附式制冷系统采用两床连续等温回质循环方式。在此基础上进行了吸附式制冷系统结构设计。整个系统分为三个主要回路:吸附床加热冷却回路、吸附质循环回路以及热水循环回路。吸附床采用单元吸附管组合结构型式,冷凝器和蒸发器均采用管带式换热器,节流装置采用内平衡式热力膨胀阀。考虑吸附床内非平衡吸附的特点,建立了吸附床传热传质数学模型,利用数值方法对数学模型进行了求解,讨论吸附床在冷却过程中吸附剂温度、吸附速率、吸附率、制冷系数以及单位质量吸附剂制冷功率的动态变化规律,以及吸附床在加热过程中吸附剂温度、解吸速率、解吸量的动态变化规律。针对燃料电池汽车余热驱动的吸附式制冷循环过程吸附、解吸特性,采用动态分析方法,对吸附床在不同阶段（等容加热、等压解吸、等容冷却、等压吸附）的工作过程,分别建立了动态方程,并就蒸发器及冷凝器建立相应的动态方程。利用数值方法对数学模型进行求解,全面而系统地分析了循环周期、热源温度、外界空气温度、空调回风温度以及冷却水入口温度等参数对系统性能的影响,以及吸附速率、吸附床温度、冷凝温度、蒸发温度、制冷功率等参数的动态变化规律。本文的研究为低品位热源驱动的吸附式制冷系统设计提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 质子交换膜燃料电池的工作原理、组成和特点
• 1.3 热能作为补偿的制冷方法简介
• 1.3.1 热电制冷
• 1.3.2 蒸气喷射式制冷
• 1.3.3 蒸气吸收式制冷
• 1.3.4 固体吸附式制冷
• 1.4 固体吸附式制冷的基本原理
• 1.5 固体吸附式制冷的研究概况
• 1.5.1 吸附式制冷循环方式
• 1.5.2 吸附式制冷与其它制冷方式的结合
• 1.5.3 吸附工质对
• 1.5.4 吸附床传热的强化技术
• 1.5.5 吸附式制冷循环的数值模拟
• 1.5.6 车辆吸附式制冷系统
• 1.6 本文开展的工作
• 第二章 燃料电池汽车余热驱动的吸附式制冷系统方案确定
• 2.1 引言
• 2.2 燃料电池汽车简介
• 2.3 吸附工质对的选择
• 2.3.1 吸附剂的选择
• 2.3.2 吸附质的选择
• 2.3.3 本文所用工质对的确定
• 2.4 循环方式的确定
• 2.4.1 循环方式概述
• 2.4.2 各循环方式的分析比较
• 2.5 连续回质型吸附式制冷系统的构成
• 2.6 小结
• 第三章 两床连续回质循环热力学分析及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 基本两床连续循环热力学分析
• 3.2.1 基本两床连续循环
• 3.2.2 吸附床状态变化分析
• 3.2.3 基本两床连续循环的热量计算
• 3.3 两床连续回质循环热力学分析
• 3.3.1 绝热回质循环
• 3.3.2 等温回质循环
• 3.4 平衡吸附方程
• 3.5 模拟计算和分析
• 3.5.1 模拟计算的相关参数及约束条件
• 3.5.2 蒸发温度对循环性能的影响
• 3.5.3 冷凝温度对循环性能的影响
• 3.5.4 总热容比对循环性能的影响
• 3.5.5 加热流体温度对循环性能的影响
• 3.6 小结
• 第四章 燃料电池余热驱动的吸附式制冷系统结构设计
• 4.1 引言
• 4.2 连续回质型吸附式制冷系统的描述
• 4.2.1 吸附床加热冷却回路
• 4.2.2 吸附质循环回路
• 4.2.3 热水循环回路
• 4.3 热水循环量的确定
• 4.4 吸附床的设计
• 4.4.1 吸附床结构的确定
• 4.4.2 单元吸附管强度设计
• 4.4.3 单元吸附管的设计计算
• 4.5 换热器的设计
• 4.5.1 两器设计的特殊性
• 4.5.2 蒸发器的设计
• 4.5.3 冷凝器的设计
• 4.6 流量控制元件
• 4.7 小结
• 第五章 具有非平衡吸附特征的吸附床传热传质特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 吸附床传热传质模型概述
• 5.2.1 均匀温度模型
• 5.2.2 均匀压力模型
• 5.2.3 非均压非均温模型
• 5.2.4 本文采用的传热传质模型
• 5.3 吸附床换热单元的确定
• 5.4 吸附床一维传热传质数学模型
• 5.4.1 能量平衡方程
• 5.4.2 非平衡吸附方程
• 5.4.3 换热系数的分析
• 5.5 数学模型的求解
• 5.6 计算结果及分析
• 5.6.1 最佳循环周期的确定
• 5.6.2 稳定循环周期下的计算结果
• 5.7 小结
• 第六章 吸附式制冷系统动态特性的仿真研究
• 6.1 引言
• 6.2 吸附床的动态模型
• 6.3 蒸发器和冷凝器的动态模型
• 6.4 系统动态特性仿真程序的编制
• 6.5 系统各部件运行参数的动态变化规律
• 6.5.1 吸附速率的动态变化
• 6.5.2 吸附床温度的动态变化
• 6.5.3 冷凝温度的动态变化
• 6.5.4 蒸发温度的动态变化
• 6.5.5 制冷功率的动态变化
• 6.5.6 换热介质温度的动态变化
• 6.6 系统运行参数及系统动态性能
• 6.6.1 循环周期对系统性能的影响
• 6.6.2 热源温度变化对系统性能的影响
• 6.6.3 外界空气温度变化对系统性能的影响
• 6.6.4 空调回风温度变化对系统性能的影响
• 6.6.5 冷却水进口温度变化对系统性能的影响
• 6.7 小结
• 结论与后续工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果