固體吸附式制冷

固體吸附式制冷第一頁(yè)，共33頁(yè)。6.1概述固體吸附式制冷是通過(guò)微孔固體吸附劑在較低溫度下吸附制冷劑，在較高溫度下解吸制冷劑的吸附-解吸循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。相對(duì)于同樣利用熱能驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷而言，在熱源溫度比較低或冷凝溫度比較高的條件下，采用合適的制冷工質(zhì)對(duì)，吸附式制冷具有更高的效率，因此，吸附式制冷在低品位熱源的利用方面極具優(yōu)越性。

第二頁(yè)，共33頁(yè)。

具有吸附作用的物質(zhì)稱為吸附劑；被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)（用作制冷劑），吸附劑與吸附質(zhì)組成了吸附式制冷的工質(zhì)對(duì)。

工質(zhì)對(duì)的性能直接影響到制冷循環(huán)的效率以及裝置的大小。理想的工質(zhì)對(duì)應(yīng)能滿足平衡吸附量、吸附與解吸溫度、吸附與解吸速率等一系列要求。要求吸附劑的吸附量大，吸附等溫線平坦，吸附容量對(duì)溫度變化敏感，吸附劑與吸附質(zhì)相容。一般說(shuō)來(lái)，吸附劑的表面積越大，它的吸附能力就越強(qiáng)。對(duì)吸附質(zhì)的要求是單位體積蒸發(fā)潛熱大，冰點(diǎn)較低，飽和蒸氣壓適當(dāng)，無(wú)毒，不可燃，無(wú)腐蝕性，具有良好的熱穩(wěn)定性。

目前已開發(fā)出的工質(zhì)對(duì)主要有如活性炭-甲醇/氨、沸石-水、硅膠-水等物理吸附工質(zhì)對(duì)以及氯化鈣-氨、氯化鍶-氨、氯化鈣-甲醇等化學(xué)吸附工質(zhì)對(duì)等百余種。第三頁(yè)，共33頁(yè)。比較成熟的工質(zhì)對(duì)及其適用范圍冷凍（T＜253K）制冷（T=273K）空調(diào)（T=273～288K）采暖（T≈333K）工業(yè)熱泵（T＞373K）沸石-氨氯化鈣-氨活性炭-甲醇活性炭-氨活性炭-甲醇沸石-水硅膠-水活性炭-氨沸石-水沸石-水第四頁(yè)，共33頁(yè)。6.2吸附式制冷系統(tǒng)的組成及

工作過(guò)程

固體吸附式制冷系統(tǒng)由吸附器、冷凝器、蒸發(fā)器以及控制閥等輔助設(shè)備組成。

吸附器里填滿了固體吸附劑，當(dāng)它被加熱時(shí)，已被吸附的吸附質(zhì)，從吸附劑表面脫附出來(lái)，進(jìn)入冷凝器，與冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱量交換，由氣體冷凝為液體，并進(jìn)入蒸發(fā)器。停止對(duì)吸附劑加熱時(shí)，吸附劑開始冷卻，吸附能力逐漸升高，并開始吸附蒸發(fā)器里的制冷劑蒸氣達(dá)到制冷的目的。吸附了大量制冷劑蒸氣的吸附劑為下一次加熱脫附創(chuàng)造了條件。脫附-吸附循環(huán)如此周而復(fù)始，間歇地進(jìn)行著制冷過(guò)程。

固體吸附式制冷原理圖第五頁(yè)，共33頁(yè)。吸附式制冷的工作原理及其制冷循環(huán)的p-T-s圖

第六頁(yè)，共33頁(yè)。

1-2過(guò)程：吸附床定容加熱過(guò)程，吸收的顯熱用Qh表示。

2-3過(guò)程：吸附床定壓脫附過(guò)程，點(diǎn)3表示脫附終了吸附床的狀態(tài)，解吸態(tài)吸附率用Xdil表示，脫附過(guò)程吸收的熱量用Qg表示。

2-5過(guò)程：自吸附床解吸出來(lái)的制冷劑在冷凝器中定壓冷凝過(guò)程，此過(guò)程可以認(rèn)為與2-3過(guò)程同時(shí)發(fā)生，冷凝過(guò)程放出的熱量用Qk表示。7第七頁(yè)，共33頁(yè)。5-6過(guò)程：冷凝液體經(jīng)節(jié)流閥降壓、降溫過(guò)程，釋放出的顯熱用Qc1表示。

6-1過(guò)程：制冷劑液體在蒸發(fā)器中定壓蒸發(fā)過(guò)程，蒸發(fā)過(guò)程吸熱量用Qo表示。

3-4過(guò)程：吸附床定容冷卻過(guò)程，冷卻吸附床帶走的熱量用Qc2表示。4-1過(guò)程：吸附床定壓吸附過(guò)程，吸附過(guò)程中帶走的熱量用Qa表示。此過(guò)程可以認(rèn)為與6-1過(guò)程同時(shí)發(fā)生。8第八頁(yè)，共33頁(yè)。6.3吸附式制冷循環(huán)的熱力計(jì)算（1）吸附床等容加熱過(guò)程吸收的顯熱Qh（kW）

Cva（T）—吸附劑定容比熱容，kJ/kg.K；

Cvr（T）—制冷劑定容比熱容，kJ/kg·K；Ma、Mr—分別表示吸附劑和制冷劑的質(zhì)量（kg），其中Mr=Xconc×Ma。公式中第一部分表示的是吸附劑的顯熱，第二部分表示制冷工質(zhì)的顯熱。第九頁(yè)，共33頁(yè)。（2）吸附床在脫附過(guò)程吸收的熱量Qg

Cpa（T）—吸附劑定壓比熱容，kJ/kg·K；

Cpr（T）—制冷劑定壓比熱容，kJ/kg·K；ΔX—表示溫度從Tg1升高到Tg2時(shí)吸附率的變化量，ΔX=Xconc-XdilHdes—表示脫附熱（kJ）。公式中第一部分表示吸附劑的顯熱，第二部分表示留在吸附床內(nèi)制冷工質(zhì)的顯熱，第三部分表示脫附過(guò)程所需的熱量。（kW）

第十頁(yè)，共33頁(yè)。（3）冷卻吸附床帶走的熱量Qc2公式中第一部分表示吸附劑的顯熱，第二部分表示留在吸附床內(nèi)制冷工質(zhì)的顯熱。（kW）

（4）吸附過(guò)程帶走的熱量Qa

Cprq（T）—自由氣態(tài)工質(zhì)的定壓比熱容，kJ/kg·K；Hads—表示吸附熱（kJ）。公式中第一、二部分表示整個(gè)吸附床的顯熱，第三部分表示吸附過(guò)程放出的熱量，第四部分表示蒸發(fā)的制冷劑蒸氣溫度升至Ta2所吸收的顯熱。第十一頁(yè)，共33頁(yè)。（5）冷凝過(guò)程帶走的熱量Qk

Le—制冷工質(zhì)的汽化潛熱（kJ/kg）。公式中第一部分表示飽和汽化潛熱，第二部分表示制冷蒸氣在冷凝過(guò)程中放出的顯熱。（6）液態(tài)制冷劑從Tk降至蒸發(fā)溫度T0釋放出的顯熱Qc1

Cvrf（T）—液態(tài)制冷劑定容比熱容（kJ/kg·K）。第十二頁(yè)，共33頁(yè)。（7）制冷量Qo（8）循環(huán)的性能系數(shù)COP應(yīng)當(dāng)指出，上述熱力計(jì)算公式是純理論的，實(shí)際上由于工質(zhì)物性復(fù)雜，且存在著各種損失，精確地計(jì)算各個(gè)熱力過(guò)程的熱量確實(shí)比較困難，但可以利用以上公式對(duì)循環(huán)進(jìn)行分析，從理論上加以指導(dǎo)。第十三頁(yè)，共33頁(yè)。6.4.1.吸附式制冷工質(zhì)對(duì)的研究長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)吸附式制冷工質(zhì)對(duì)的研究一直方興未艾。比較成熟的有活性炭-甲醇、活性炭-氨、氯化鈣-氨、沸石-水、金屬氫化物-氫。R.E.Critoph和Voge曾經(jīng)比較了沸石、活性炭分別與R11、R12、R22、R114做工質(zhì)對(duì)的情況，發(fā)現(xiàn)活性炭是一種較為理想的吸附劑。目前用于太陽(yáng)能等低溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)的固體吸附式制冷工質(zhì)對(duì)的工作特性如下表所示。6.4吸附式制冷技術(shù)研究進(jìn)展第十四頁(yè)，共33頁(yè)。工質(zhì)對(duì)T0(OK)Tk(OK)Ta(OK)Tj(OK)x0(kg/kg)ε真空度要求抗壓性要求有無(wú)毒性硅膠-水2783083033730.070.87高低無(wú)活性炭-氨氣2683033033630.150.86高高有活性炭-甲醇2683033033830.1710.84高適中有活性炭-乙醇2683033033730.1450.85適中適中無(wú)固體吸附制冷工質(zhì)對(duì)的工作特性T0為蒸發(fā)溫度；Tk為冷凝溫度；Ta為吸附溫度；Tj為解吸溫度；x0表示吸附率；ε為理論性能系數(shù)，ε=λ/H(λ為TO下的蒸發(fā)潛熱,J/kg;H為平均等量吸附熱J/kg)第十五頁(yè)，共33頁(yè)。基本型吸附式制冷循環(huán)設(shè)置有一個(gè)吸附器，吸附-脫附過(guò)程交替進(jìn)行，沒(méi)有采用回?zé)岽胧?，不但損失了吸附床冷卻放熱及吸附放熱的顯熱量，而且因?yàn)殚g歇式制冷產(chǎn)生切換損失，因此循環(huán)效率比較低。為了連續(xù)制冷，可以采用兩個(gè)或多個(gè)吸附器交替工作。除此而外，在固體吸附式制冷循環(huán)的研究過(guò)程中，人們還提出了連續(xù)回?zé)嵝?、熱波型、?duì)流熱波型和雙效復(fù)疊型等多種更高效的吸附制冷循環(huán)。6.4.2.吸附式制冷循環(huán)的研究

第十六頁(yè)，共33頁(yè)。吸附器1吸附器2蒸發(fā)器冷凝器冷卻水

系統(tǒng)中有兩個(gè)吸附，假定對(duì)吸附器1加熱，對(duì)吸附器2冷卻，當(dāng)吸附器1充分解析，吸附器2吸附飽和后，使吸附器1冷卻，吸附器2加熱，吸附器1、2交替運(yùn)行組成了一個(gè)完整的連續(xù)制冷循環(huán)。（1）連續(xù)回?zé)嵫h(huán)

為了提高熱能的利用率，在兩個(gè)吸附器切換過(guò)程中，可通過(guò)循環(huán)冷卻水將正在吸附的吸附器冷卻時(shí)釋放的顯熱和吸附熱傳遞給正在解析的吸附器，以實(shí)現(xiàn)回?zé)幔瑥亩鴾p少了系統(tǒng)的能量輸入，提高了循環(huán)的效率。17第十七頁(yè)，共33頁(yè)。

多床循環(huán)的吸附床與吸附床之間存在傳熱溫差使系統(tǒng)的回?zé)崂寐什桓?，且投資費(fèi)用隨床數(shù)的增加而成倍增加。熱波循環(huán)中吸附床被設(shè)計(jì)成一系列能獨(dú)立進(jìn)行熱交換的小吸附床組成。沿冷卻（加熱）流體流程存在很大的溫度梯度，以便最大限度地利用吸附過(guò)程放出的熱量，更充分地回?zé)帷＃?）熱波循環(huán)第十八頁(yè)，共33頁(yè)。冷凝器蒸發(fā)器吸附器1吸附器2加熱器冷卻水（2）熱波循環(huán)

多床循環(huán)的吸附床與吸附床之間存在傳熱溫差使系統(tǒng)的回?zé)崂寐什桓撸彝顿Y費(fèi)用隨床數(shù)的增加而成倍增加。熱波循環(huán)中吸附床被設(shè)計(jì)成一系列能獨(dú)立進(jìn)行熱交換的小吸附床組成。沿冷卻（加熱）流體流程存在很大的溫度梯度，以便最大限度地利用吸附過(guò)程放出的熱量，更充分地回?zé)帷?9第十九頁(yè)，共33頁(yè)。

對(duì)流熱波循環(huán)是一種吸附床內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流以改善吸附床傳熱傳質(zhì)性能的循環(huán)方式，即利用制冷劑氣體和吸附劑之間的強(qiáng)制對(duì)流，利用循環(huán)泵將高壓制冷劑直接加熱、冷卻吸附劑而獲得較高的熱流密度。由于吸附床內(nèi)傳熱條件良好，在較短的時(shí)間內(nèi)就可將吸附床加熱或冷卻到預(yù)定溫度。（3）對(duì)流熱波循環(huán)第二十頁(yè)，共33頁(yè)。吸收器蒸發(fā)器冷凝器冷卻器加熱器

如圖所示，吸附床內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流，以改善吸附床傳熱傳質(zhì)性能的循環(huán)方式。氣體循環(huán)泵氣體循環(huán)泵21第二十一頁(yè)，共33頁(yè)。（4）復(fù)疊式循環(huán)復(fù)疊式循環(huán)是

利用兩個(gè)工作在不同溫度范圍內(nèi)的吸附循環(huán)提高吸附熱的利用率的一種雙效循環(huán)

，例如以沸石-水為工質(zhì)對(duì)的高溫循環(huán)來(lái)驅(qū)動(dòng)以活性炭-甲醇為工質(zhì)對(duì)的低溫循環(huán)。

比較理想的復(fù)疊式循環(huán)：高溫級(jí)采用分子篩-水為工質(zhì)對(duì)，在100～200℃高溫區(qū)工作；低溫級(jí)采用硅膠（分子篩）-水為工質(zhì)對(duì)，在30～100℃低溫區(qū)工作。其中100℃為中間溫度，通過(guò)選擇合適的加熱溫度和中間溫度以及兩級(jí)冷凝壓力，可使系統(tǒng)COP值達(dá)到1.2。第二十二頁(yè)，共33頁(yè)。（5）回質(zhì)循環(huán)對(duì)于具有兩個(gè)吸附床的連續(xù)型吸附式制冷循環(huán)，當(dāng)吸附床1加熱解析完畢，處于冷凝壓力Pk下，將被冷卻以實(shí)現(xiàn)吸附過(guò)程時(shí)，吸附床2正處于蒸發(fā)壓力Po下吸附飽和后，將被加熱解析狀態(tài)。如果在吸附床1冷卻之前，或吸附床2加熱之前，將吸附床1和吸附床2連同在一起，在壓差的作用下，吸附床1中的部分吸附質(zhì)氣體將快速轉(zhuǎn)移到吸附床2中，顯然，回質(zhì)過(guò)程增大了循環(huán)解析量。第二十三頁(yè)，共33頁(yè)。吸附器1吸附器2蒸發(fā)器冷凝器冷卻水如圖：

吸附床1解析終了冷卻之前-準(zhǔn)備吸附；吸附床2吸附終了加熱之前-準(zhǔn)備解析；先將它們連通，由于壓差作用，吸附床1中部分氣體快速轉(zhuǎn)移到吸附床2，以至兩床壓力平衡，完成了回質(zhì)過(guò)程，增加了循環(huán)解析量。24第二十四頁(yè)，共33頁(yè)。6.4.3.強(qiáng)化吸附床傳熱的研究

強(qiáng)化吸附床傳熱可以提高吸附/解析速率，縮短循環(huán)周期。一個(gè)有效的增強(qiáng)吸附床傳熱的方法是減少吸附床厚度并增大其與外界的換熱面積。通過(guò)在吸附床中插入薄金屬肋片或金屬管，或者將片狀吸附劑與金屬片粘結(jié)在一起，從而大大減少接觸熱阻，提高吸附床的傳熱效率。但由于金屬與粘結(jié)劑的熱膨脹系數(shù)不同，很難保證在反復(fù)加熱和冷卻條件下粘結(jié)的牢固性。為了增大吸附床的換熱面積，已設(shè)計(jì)出了多種吸附床結(jié)構(gòu)。用得較多的是翅片管式吸附床，這種吸附床的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，但換熱系數(shù)較低

，溫度分布不夠均勻。此外還有板式、板翅式、螺旋板式吸附床，這類吸附床的優(yōu)點(diǎn)是換熱面積大、熱損失小、溫度分布均勻、傳熱傳質(zhì)性能較好，但加工比較復(fù)雜，造價(jià)比較高。第二十五頁(yè)，共33頁(yè)。太陽(yáng)能吸附式制冷以活性碳纖維-乙醇為工質(zhì)對(duì)，由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的固體吸附式制冷裝置簡(jiǎn)介。26第二十六頁(yè)，共33頁(yè)。在太陽(yáng)能吸附式制冷研究領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)輪式活性炭纖維波紋板吸附床，

轉(zhuǎn)輪式吸附床由活性炭纖維氈制成楔型塊狀結(jié)構(gòu)，緊固在沿轉(zhuǎn)輪輪轂周向呈輻射狀的金屬網(wǎng)架之間，每?jī)蓧K楔型結(jié)構(gòu)之間通過(guò)金屬網(wǎng)架留有傳質(zhì)通道。轉(zhuǎn)輪外殼兩端的封頭內(nèi)側(cè)分別焊接著兩塊V型絕熱隔板，以便將低溫低壓制冷劑蒸氣和高溫高壓制冷劑蒸氣分隔開來(lái)。1.活性炭纖維氈制成的楔型塊；2.金屬網(wǎng)架；3.傳質(zhì)通道；4.轉(zhuǎn)輪外殼；5.轉(zhuǎn)動(dòng)軸6.傳動(dòng)鏈條；7.V型絕熱隔板轉(zhuǎn)輪式吸附床的結(jié)構(gòu)第二十七頁(yè)，共33頁(yè)。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)輪式吸附床工作原理第二十八頁(yè)，共33頁(yè)。轉(zhuǎn)輪以緩慢的速度旋轉(zhuǎn)，來(lái)自蒸發(fā)器的低溫低壓制冷劑蒸氣由氣體循環(huán)泵導(dǎo)入轉(zhuǎn)輪式吸附床下部3/5區(qū)域，首先使吸附床溫度下降，繼而被吸附床中的活性炭纖維所吸附，吸附過(guò)程中放出的吸附熱，被未被吸附的制冷劑蒸氣帶走，進(jìn)入太陽(yáng)能加熱器，在太陽(yáng)能加熱器中吸熱升溫，壓力提高后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪式吸附器上部2/5區(qū)域，遇到旋轉(zhuǎn)上來(lái)的吸足了制冷劑的吸附劑床層，由于受到高溫制冷劑蒸氣加熱，被吸附床吸附的那部