06.固体吸附式制冷讲解

第六章固体吸附式制冷6.1概述固体吸附式制冷是通过微孔固体吸附剂在较低温度下吸附制冷剂，在较高温度下解吸制冷剂的吸附-解吸循环来实现的。相对于同样利用热能驱动的吸收式制冷而言，在热源温度比较低或冷凝温度比较高的条件下，采用合适的制冷工质对，吸附式制冷具有更高的效率，因此，吸附式制冷在低品位热源的利用方面极具优越性。具有吸附作用的物质称为吸附剂；被吸附的物质称为吸附质（用作制冷剂），吸附剂与吸附质组成了吸附式制冷的工质对。工质对的性能直接影响到制冷循环的效率以及装置的大小。理想的工质对应能满足平衡吸附量、吸附与解吸温度、吸附与解吸速率等一系列要求。要求吸附剂的吸附量大，吸附等温线平坦，吸附容量对温度变化敏感，吸附剂与吸附质相容。一般说来，吸附剂的表面积越大，它的吸附能力就越强。对吸附质的要求是单位体积蒸发潜热大，冰点较低，饱和蒸气压适当，无毒，不可燃，无腐蚀性，具有良好的热稳定性。目前已开发出的工质对主要有如活性炭-甲醇/氨、沸石-水、硅胶-水等物理吸附工质对以及氯化钙-氨、氯化锶-氨、氯化钙-甲醇等化学吸附工质对等百余种。比较成熟的工质对及其适用范围冷冻（T＜253K）制冷（T=273K）空调（T=273～288K）采暖（T≈333K）工业热泵（T＞373K）沸石-氨氯化钙-氨活性炭-甲醇活性炭-氨活性炭-甲醇沸石-水硅胶-水活性炭-氨沸石-水沸石-水6.2吸附式制冷系统的组成及工作过程固体吸附式制冷系统由吸附器、冷凝器、蒸发器以及控制阀等辅助设备组成。吸附器里填满了固体吸附剂，当它被加热时，已被吸附的吸附质，从吸附剂表面脱附出来，进入冷凝器，与冷却介质进行热量交换，由气体冷凝为液体，并进入蒸发器。停止对吸附剂加热时，吸附剂开始冷却，吸附能力逐渐升高，并开始吸附蒸发器里的制冷剂蒸气达到制冷的目的。吸附了大量制冷剂蒸气的吸附剂为下一次加热脱附创造了条件。脱附-吸附循环如此周而复始，间歇地进行着制冷过程。固体吸附式制冷原理图Oko6TTTTTT1TQQQhc2QQXconcXdillnp14325100%PPkgc1QQoaoka2g1a1g2吸附式制冷的工作原理及其制冷循环的p-T-s图71-2过程：吸附床定容加热过程，吸收的显热用Qh表示。2-3过程：吸附床定压脱附过程，点3表示脱附终了吸附床的状态，解吸态吸附率用Xdil表示，脱附过程吸收的热量用Qg表示。Oko6TTTTTT1TQQQhc2QQXconcXdillnp14325100%PPkgc1QQoaoka2g1a1g22-5过程：自吸附床解吸出来的制冷剂在冷凝器中定压冷凝过程，此过程可以认为与2-3过程同时发生，冷凝过程放出的热量用Qk表示。8Oko6TTTTTT1TQQQhc2QQXconcXdillnp14325100%PPkgc1QQoaoka2g1a1g25-6过程：冷凝液体经节流阀降压、降温过程，释放出的显热用Qc1表示。6-1过程：制冷剂液体在蒸发器中定压蒸发过程，蒸发过程吸热量用Qo表示。3-4过程：吸附床定容冷却过程，冷却吸附床带走的热量用Qc2表示。4-1过程：吸附床定压吸附过程，吸附过程中带走的热量用Qa表示。此过程可以认为与6-1过程同时发生。6.3吸附式制冷循环的热力计算（1）吸附床等容加热过程吸收的显热Qh1212gagaTTTTrvravahdTMTCdTMTCQ（kW）Cva（T）—吸附剂定容比热容，kJ/kg.K；Cvr（T）—制冷剂定容比热容，kJ/kg·K；Ma、Mr—分别表示吸附剂和制冷剂的质量（kg），其中Mr=Xconc×Ma。公式中第一部分表示的是吸附剂的显热，第二部分表示制冷工质的显热。（2）吸附床在脱附过程吸收的热量QgdxHMdTMTCdTMTCQdesTTaTTTTrprapagGGgggg212121Cpa（T）—吸附剂定压比热容，kJ/kg·K；Cpr（T）—制冷剂定压比热容，kJ/kg·K；ΔX—表示温度从Tg1升高到Tg2时吸附率的变化量，ΔX=Xconc-XdilHdes—表示脱附热（kJ）。公式中第一部分表示吸附剂的显热，第二部分表示留在吸附床内制冷工质的显热，第三部分表示脱附过程所需的热量。（kW）（3）冷却吸附床带走的热量Qc212122agagTTTTrvravacdTMTCdTMTCQ公式中第一部分表示吸附剂的显热，第二部分表示留在吸附床内制冷工质的显热。（kW）（4）吸附过程带走的热量Qa022121210TTaprqadsTTaTTTTrprapaaaaaaaaaxdTMTCdxHMdTMTCdTMTCQCprq（T）—自由气态工质的定压比热容，kJ/kg·K；Hads—表示吸附热（kJ）。公式中第一、二部分表示整个吸附床的显热，第三部分表示吸附过程放出的热量，第四部分表示蒸发的制冷剂蒸气温度升至Ta2所吸收的显热。KTTavrfcxdTMTCQ01（5）冷凝过程带走的热量QkLe—制冷工质的汽化潜热（kJ/kg）。公式中第一部分表示饱和汽化潜热，第二部分表示制冷蒸气在冷凝过程中放出的显热。（6）液态制冷剂从Tk降至蒸发温度T0释放出的显热Qc1KgTTaprqeakxdTMTCxLMQ1Cvrf（T）—液态制冷剂定容比热容（kJ/kg·K）。（7）制冷量QoxLMQeao（8）循环的性能系数COPgkoghCOQQQQQQCOPQ1应当指出，上述热力计算公式是纯理论的，实际上由于工质物性复杂，且存在着各种损失，精确地计算各个热力过程的热量确实比较困难，但可以利用以上公式对循环进行分析，从理论上加以指导。6.4.1.吸附式制冷工质对的研究长期以来，人们对吸附式制冷工质对的研究一直方兴未艾。比较成熟的有活性炭-甲醇、活性炭-氨、氯化钙-氨、沸石-水、金属氢化物-氢。R.E.Critoph和Voge曾经比较了沸石、活性炭分别与R11、R12、R22、R114做工质对的情况，发现活性炭是一种较为理想的吸附剂。目前用于太阳能等低温热源驱动的固体吸附式制冷工质对的工作特性如下表所示。6.4吸附式制冷技术研究进展工质对T0(OK)Tk(OK)Ta(OK)Tj(OK)x0(kg/kg)ε真空度要求抗压性要求有无毒性硅胶-水2783083033730.070.87高低无活性炭-氨气2683033033630.150.86高高有活性炭-甲醇2683033033830.1710.84高适中有活性炭-乙醇2683033033730.1450.85适中适中无固体吸附制冷工质对的工作特性T0为蒸发温度；Tk为冷凝温度；Ta为吸附温度；Tj为解吸温度；x0表示吸附率；ε为理论性能系数，ε=λ/H(λ为TO下的蒸发潜热,J/kg;H为平均等量吸附热J/kg)基本型吸附式制冷循环设置有一个吸附器，吸附-脱附过程交替进行，没有采用回热措施，不但损失了吸附床冷却放热及吸附放热的显热量，而且因为间歇式制冷产生切换损失，因此循环效率比较低。为了连续制冷，可以采用两个或多个吸附器交替工作。除此而外，在固体吸附式制冷循环的研究过程中，人们还提出了连续回热型、热波型、对流热波型和双效复叠型等多种更高效的吸附制冷循环。6.4.2.吸附式制冷循环的研究17吸附器1吸附器2蒸发器冷凝器冷却水系统中有两个吸附，假定对吸附器1加热，对吸附器2冷却，当吸附器1充分解析，吸附器2吸附饱和后，使吸附器1冷却，吸附器2加热，吸附器1、2交替运行组成了一个完整的连续制冷循环。（1）连续回热循环为了提高热能的利用率，在两个吸附器切换过程中，可通过循环冷却水将正在吸附的吸附器冷却时释放的显热和吸附热传递给正在解析的吸附器，以实现回热，从而减少了系统的能量输入，提高了循环的效率。多床循环的吸附床与吸附床之间存在传热温差使系统的回热利用率不高，且投资费用随床数的增加而成倍增加。热波循环中吸附床被设计成一系列能独立进行热交换的小吸附床组成。沿冷却（加热）流体流程存在很大的温度梯度，以便最大限度地利用吸附过程放出的热量，更充分地回热。（2）热波循环19冷凝器蒸发器吸附器1吸附器2加热器冷却水（2）热波循环多床循环的吸附床与吸附床之间存在传热温差使系统的回热利用率不高，且投资费用随床数的增加而成倍增加。热波循环中吸附床被设计成一系列能独立进行热交换的小吸附床组成。沿冷却（加热）流体流程存在很大的温度梯度，以便最大限度地利用吸附过程放出的热量，更充分地回热。对流热波循环是一种吸附床内强迫对流以改善吸附床传热传质性能的循环方式，即利用制冷剂气体和吸附剂之间的强制对流，利用循环泵将高压制冷剂直接加热、冷却吸附剂而获得较高的热流密度。由于吸附床内传热条件良好，在较短的时间内就可将吸附床加热或冷却到预定温度。（3）对流热波循环21吸收器蒸发器冷凝器冷却器加热器如图所示，吸附床内强迫对流，以改善吸附床传热传质性能的循环方式。气体循环泵气体循环泵（4）复叠式循环复叠式循环是利用两个工作在不同温度范围内的吸附循环提高吸附热的利用率的一种双效循环，例如以沸石-水为工质对的高温循环来驱动以活性炭-甲醇为工质对的低温循环。比较理想的复叠式循环：高温级采用分子筛-水为工质对，在100～200℃高温区工作；低温级采用硅胶（分子筛）-水为工质对，在30～100℃低温区工作。其中100℃为中间温度，通过选择合适的加热温度和中间温度以及两级冷凝压力，可使系统COP值达到1.2。（5）回质循环对于具有两个吸附床的连续型吸附式制冷循环，当吸附床1加热解析完毕，处于冷凝压力Pk下，将被冷却以实现吸附过程时，吸附床2正处于蒸发压力Po下吸附饱和后，将被加热解析状态。如果在吸附床1冷却之前，或吸附床2加热之前，将吸附床1和吸附床2连同在一起，在压差的作用下，吸附床1中的部分吸附质气体将快速转移到吸附床2中，显然，回质过程增大了循环解析量。24吸附器1吸附器2蒸发器冷凝器冷却水如图：吸附床1解析终了冷却之前-准备吸附；吸附床2吸附终了加热之前-准备解析；先将它们连通，由于压差作用，吸附床1中部分气体快速转移到吸附床2，以至两床压力平衡，完成了回质过程，增加了循环解析量。6.4.3.强化吸附床传热的研究强化吸附床传热可以提高吸附/解析速率，缩短循环周期。一个有效的增强吸附床传热的方法是减少吸附床厚度并增大其与外界的换热面积。通过在吸附床中插入薄金属肋片或金属管，或者将片状吸附剂与金属片粘结在一起，从而大大减少接触热阻，提高吸附床的传热效率。但由于金属与粘结剂的热膨胀系数不同，很难保证在反复加热和冷却条件下粘结的牢固性。为了增大吸附床的换热面积，已设计出了多种吸附床结构。用得较多的是翅片管式吸附床，这种吸附床的优点是结构简单、造价低廉，但换热系数较低，温度分布不够均匀。此外还有板式、板翅式、螺旋板式吸附床，这类吸附床的优点是换热面积大、热损失小、温度分布均匀、传热传质性能较好，但加工比较复杂，造价比较高。26太阳能吸附式制冷以活性碳纤维-乙醇为工质对，由太阳能驱动的固体吸附式制冷装置简介。6172543在太阳能吸附式制冷研究领域，设计了一种转轮式活性炭纤维波纹板吸附床，转轮式吸附床由活性炭纤维毡制成楔型块状结构，紧固在沿转轮轮毂周向呈辐射状的金属网架之间，每两块楔型结构之间通过金属网架留有传质通道。转轮外壳两端的封头内侧分别焊接着两块V型绝热隔板，以便将低温低压制冷剂蒸气和高温高压制冷剂蒸气分隔开来。1.活性炭纤维毡制成的楔型块；2.金属网架；3.传质通道；4.转轮外壳；5.转动轴6.传动链条；7.V型绝热隔板转轮式吸附床的结构太阳能转轮式吸附床工作原理转轮以缓慢的速度旋转，来自蒸发器的低温低压制冷剂蒸气由气体循环泵导入转轮式吸附床下部3/5区域，首先使吸附床温度下降，继而被吸附床中的活性炭纤维所吸附，吸附过程中放出的吸附热，被未被吸附的制冷剂蒸气带走，进入太阳能加热器，在太阳能加热器中吸热升温，压力提高后进入转轮式吸附器上部2/5区域，遇到旋转上来的吸足了制冷剂的吸附剂床层，由于