§4-1吸附式制冷技术详解

TianjinUniversityofCommerce第4章、固体吸附/吸收式制冷技术研究进展§4-1固体吸附式制冷技术§4-2吸收式制冷技术BACKTianjinUniversityofCommerce12:142§4-1固体吸附式制冷技术研究进展一、吸附现象当气体与固体接触时，在固体表面或内部发生容纳气体的现象－吸附，气体从固体表面或内部脱离的过程－脱附固体－吸附剂气体－吸附质BACKTianjinUniversityofCommerce12:143一、吸附现象吸附过程中放出热量（吸附热），脱附过程中吸收热量（脱附热）p↑、T↓，→吸附量↑，→通过降低压力或提高温度达到脱附目的吸附剂对不同的气体有不同的吸附作用，具有选择性BACKTianjinUniversityofCommerce12:144吸附过程物理吸附：吸附剂和吸附质表面的作用力为分子间引力(VanDerWaals)吸附作用比较弱，吸附量比较小对吸附质气体一般无选择性吸附和解吸速度快化学吸附：吸附剂和吸附质之间产生电子交换而形成离子键、共价键等化学键吸附作用强，吸附量大吸附有选择性吸附、解吸速度慢一般在室温下，物理吸附和化学吸附同时存在BACKTianjinUniversityofCommerce12:145二、固体吸附式制冷的发展历程1920s：硅胶－SO2火车货物冷藏系统，-12℃。无法与蒸汽压缩式制冷系统竞争1970s：全球性能源危机，进入了一个新的发展阶段（可用低品质热源驱动），COP可达0.43，采用两床循环回收吸热COP可达1.2BACKTianjinUniversityofCommerce12:146二、固体吸附式制冷的发展历程1990s：保护环境与CFCs替代为吸附式制冷提供了良好的发展机会废热热泵、太阳能冰箱、太阳能空调船舶制冷、汽车空调、宇航低温制冷BACKTianjinUniversityofCommerce12:147三、吸附式制冷原理及循环过程基本的固体吸附式制冷系统:吸附床（发生器）冷凝器蒸发器演示BACKTianjinUniversityofCommerce12:148基本吸附式制冷循环P-T图1－2等容脱附－吸附床吸收热量Qh2－3等压脱附（冷凝）－吸附床吸收热量Qg3－4等容吸附－制冷剂放出热量Qce4－1等压吸附（蒸发）－制冷剂吸收热量QrefrefcehgQQCOPQQBACKTianjinUniversityofCommerce12:149两床基本循环连续制冷系统基本系统间歇制冷两床系统连续制冷吸附床温度波动过大解吸周期吸附周期BACKTianjinUniversityofCommerce12:1410四、固体吸附式制冷系统的研究吸附剂－制冷剂工质对的性能系统内的传热、传质各种循环的热力性质三个方面的研究有机地结合BACKTianjinUniversityofCommerce12:14111、吸附工质对对吸附剂的要求吸附量大吸附容量对温度变化敏感吸附剂与吸附质相容对吸附质（制冷剂）的要求单位体积蒸发潜热大合适的冰点适当的饱和蒸汽压无毒、不可燃、无腐蚀性；良好的热稳定性BACKTianjinUniversityofCommerce12:1412常用的吸附工质对物理吸附工质对：活性炭－甲醇/氨沸石－水硅胶－水化学吸附工质对：氯化钙－氨氯化锶－氨氯化钙－甲醇BACKTianjinUniversityofCommerce12:1413常用的吸附工质对活性炭－甲醇吸附量大、对温度变化敏感、汽化潜热大、解吸温度不高（100℃左右）、吸附热较低太阳能吸附制冷中应用最广的工质对65℃解吸温度150℃甲醇有毒，不利于广泛应用BACKTianjinUniversityofCommerce12:1414常用的吸附工质对沸石－水工质对解吸温度范围较宽（70～250℃）冷凝温度升高对制冷量和系统的影响不大，使系统对环境的适应能力强分子筛的吸附量对温度变化不是很敏感，需要较高的脱附温度系统蒸发温度大于0℃，不能用于制冰采用真空系统，对真空密封性要求很高蒸发压力低也使得吸附过程较慢BACKTianjinUniversityofCommerce12:1415常用的吸附工质对氯化钙/氯化锶－氨工质对氨系统为正压力系统轻微泄漏不会导致系统失灵压力系统有助于传热传质，可以有效缩短周期氨的蒸发潜热大，蒸发制冷量很大氨可以适应较高的热源温度BACKTianjinUniversityofCommerce12:1416常用的吸附工质对氯化钙－甲醇工质对冰点较低，蒸发潜热较大吸附量相对较小甲醇为真空系统，因此系统的密封要求高甲醇有毒BACKTianjinUniversityofCommerce12:1417常用的吸附工质对王如竹等人提出了一种新型的吸附剂－活性炭纤维（ACF）制冷量可达活性炭的2～3倍，吸附解吸时间缩短为活性炭系统的1/10Vasiliev：活性炭纤维－氨/氯化钙－氨复合吸附工质对单位质量吸附剂对氨的吸附率达到0.85，从而使系统能量密度提高BACKTianjinUniversityofCommerce12:1418常用的吸附工质对Aristov：硅胶－氯化钙复合吸附剂对水的吸附率可高达0.5～0.7解吸温度仅为70～80℃，因而它在太阳能吸附式空调中具有潜在的价值BACKTianjinUniversityofCommerce12:14192、吸附床的强化传热吸附床的传热效率和传质特性直接影响制冷系统对热源的利用→吸附/解吸速率↑缩短循环周期吸附介质改善吸附床结构改进BACKTianjinUniversityofCommerce12:1420吸附介质改善吸附剂（如沸石、活性炭等）接触热阻大，导热性能差复合吸附剂将颗粒大小不同的两种吸附剂混合起来以减少吸附床的松散性在吸附床中加入导热性较好的金属材料或石墨固化吸附剂将吸附剂加工成圆片或圆柱等块状结构满足热导率要求时保持较高的传质率BACKTianjinUniversityofCommerce12:1421采用块状活性炭为吸附剂BACKTianjinUniversityofCommerce12:1422吸附床结构改进减少吸附床厚度，增大和外界的换热面吸附床中插入金属肋片吸附床结构：翅片管式、板式、板翅式、螺旋板式热管换热器对吸附器进行热交换BACKTianjinUniversityofCommerce12:1423热管吸附床演示热管元件做翅片的板式吸附床BACKTianjinUniversityofCommerce12:14243、先进的制冷循环方式连续回热式制冷循环回质制冷循环双效复叠式制冷循环BACKTianjinUniversityofCommerce12:1425(1)、连续回热式制冷循环吸附时显热和吸附热→解吸的吸附床→加热器热量↓，COP↑30％（0.4～0.5)冷热回热循环加热解吸冷却吸附BACKTianjinUniversityofCommerce12:1426(2)、回质制冷循环冷床温度↑，→加热量↓热床温度↓，→冷却量↓工质循环量↑制冷量↑，COP↑回质＋回热演示冷热BACKTianjinUniversityofCommerce12:1427(3)、双效复叠式循环利用两个工作在不同温度范围内的循环来提高吸附热的利用率高温循环：沸石分子筛－水低温循环：活性炭－甲醇级间回热分子筛的部分吸附热被用于活性炭的解吸水的冷凝热和部分吸附热被用作活性炭的解吸水的冷凝热用于活性炭的解吸BACKTianjinUniversityofCommerce12:1428双效复叠式循环BACKTianjinUniversityofCommerce12:1429五、固体吸附式制冷应用进展1、太阳能固体吸附式制冷技术太阳辐射能：5.57x1018MJ／年＝190xl04亿吨标准煤＝能源消费总量的1.56xl04倍清洁安全，取之不尽，用之不竭分散性，能量密度较低不稳定性，受到昼天气、气候因素影响太阳能固体吸附式制冷系统演示BACKTianjinUniversityofCommerce12:14301、太阳能固体吸附式制冷技术系统组成太阳能集热器／吸附器平板集热器管状吸附器热管吸附器抛物聚焦吸附器冷凝器蒸发器BACKTianjinUniversityofCommerce12:1431太阳能固体吸附式制冷关键问题吸附床、冷凝器、蒸发器、节流阀的匹配吸附床传热传质计算变工况性能的理论与实验研究保证系统运行稳定性工质对BACKTianjinUniversityofCommerce12:14322、余热吸附式制冷余热工业废热尾气余热：尾气带走的热量占燃烧总热量的25％～45％（柴油机）或30％～40％（汽油机）180℃渔船柴油机尾气、车辆尾气（抗震性好）锅炉烟气余热BACKTianjinUniversityofCommerce12:1433六、固体吸附式制冷技术的发展趋势寻找和开发具有优良性能的吸附式制冷工质对先进的热力循环吸附床的传热、传质能力强化系统的性能预测及优化设计和控制太阳能吸附式制冷／常规制冷方式复合空调系统