吸附制冷工質(zhì)對在太陽能固體吸附式

1、吸附制冷工質(zhì)對在太陽能固體吸附式制冷技術(shù)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀何見明(華南師范大學(xué) 廣東 廣州 510006)摘要 太陽能固體吸附式制冷技術(shù)是一種新型節(jié)能環(huán)保技術(shù)，本文主要講述了吸附制冷工質(zhì)對在太陽能吸附式制冷技術(shù)的應(yīng)用，以及其研究現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞 吸附制冷工質(zhì)對1 前言新能源和可再生能源經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)開始在世界能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中占據(jù)一席之地,受到各國政府的廣泛重視 1。資源、環(huán)境是人類面臨的共同問題,由于氟利昂制冷劑的大量使用對大氣臭氧層的破壞和大量化石燃料燃燒所造成的溫室效應(yīng)已開始威脅人類的生存和發(fā)展。研究開發(fā)出對臭氧層無損耗、無溫室效應(yīng)而且可以利用低品位能源作為動力已成為當(dāng)今制冷空調(diào)領(lǐng)域的研究熱點

2、。太陽能固體吸附式制冷技術(shù)是一種新型節(jié)能環(huán)保技術(shù),采用對環(huán)境友好的自然工質(zhì)對,能有效利用太陽能等低品位能源驅(qū)動,具有結(jié)構(gòu)簡單,操作維修方便,運行費用低,無運動部件、無噪音、抗震性好,能用于振動、旋轉(zhuǎn)等場所22。吸附制冷工質(zhì)對的性能是影響固體吸附式制冷系統(tǒng)性能、效率和成本的重要因素之一，是固體吸附制冷走向市場的關(guān)鍵。2 太陽能固體吸附式制冷工作原理太陽能固體吸附式制冷原理:以某種具有多孔性的固體作為吸附劑,某種氣體作為制冷劑,形成吸附制冷工質(zhì)對,其中固體吸附劑是不流動的,而吸附介質(zhì)是流動的。在固體吸附劑對氣體吸附物吸附的同時,流體吸附物不斷地蒸發(fā)成可供吸附的氣體,蒸發(fā)過程對外界吸熱實現(xiàn)制冷;吸附

3、飽和后利用太陽能加熱使其解吸。按照被吸附物與吸附劑之間吸附力的不同,吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是分子間范德華力所引起的,而化學(xué)吸附是吸附劑與被吸附物之間通過化學(xué)鍵起作用的結(jié)果,吸附與脫附過程都伴隨有化學(xué)反應(yīng)。圖1 為太陽能吸附式制冷系統(tǒng)示意圖,一個基本的太陽能吸附式制冷系統(tǒng)主要包括吸附床(集熱器) 、冷凝器、蒸發(fā)器和閥門。其基本工作過程由吸熱解吸和吸附制冷組成。白天吸附床被太陽能加熱，制冷工質(zhì)開始脫附，當(dāng)制冷工質(zhì)壓力達到飽和壓力時，進入冷凝器冷凝，冷凝下來的液體進入蒸發(fā)器。晚上吸附床1被冷卻，壓力下降到蒸發(fā)溫度下的飽和壓力。蒸發(fā)器中的液體因壓力驟降而沸騰，開始蒸發(fā)制冷直到第二天早晨

4、。33 吸附制冷工質(zhì)對在制冷技術(shù)中的應(yīng)用吸附制冷工質(zhì)對的選擇直接影響吸附制冷性能,對此,工質(zhì)對的選擇及性能對吸附制冷系統(tǒng)性能有非常重要的影響。通過優(yōu)化選擇吸附制冷工質(zhì)對可以增大單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量,提高系統(tǒng)的制冷系數(shù),減小設(shè)備尺寸,縮短循環(huán)時間,使整機的性能有較大的提高,還可以配合不同的熱源、制冷工況、設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊要求。因此制冷工質(zhì)對的選擇也是吸附式制冷的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是研究的熱點。涂傳毅等根據(jù)所做實驗,選擇吸附工質(zhì)對應(yīng)符合以下要求:1.相對低的吸附劑解吸溫度;2.相對高的吸附溫度;3.高解吸速度和吸附速度;4.吸附劑導(dǎo)熱性能好;5.吸附熱和解吸熱相對少；6. 在解吸溫度和吸收溫度間吸附量

5、對溫度敏感性大；7. 吸附量受壓力變化影響要小,等溫吸附曲線要平坦 525。2目前已經(jīng)開發(fā)出的吸附制冷工質(zhì)對主要有:活性炭甲醇、分子篩水、分子篩氨、硅膠水、活性炭纖維甲醇和氯化鈣氨、氯化鍶氨等。研究的多為沸石水、活性炭甲醇和氯化鈣氨?；钚蕴考状紤?yīng)用最廣，但甲醇有毒，影響了它的使用。沸石水的溫度解吸范圍廣，在70250之間，但它只能用于0以上的工況限制了它的進一步應(yīng)用 3。分子篩水也是一種理想的工質(zhì)對,常用于開式除濕冷卻系統(tǒng)和閉式吸附系統(tǒng)。分子篩水工質(zhì)對的性質(zhì)穩(wěn)定,所需的解吸穩(wěn)定較高,吸附熱也較大,適合于高溫余熱回收場合,而且分子篩水的吸附等溫線在超過一定壓力后基本水平,隨壓力的變化不大,這樣能

6、使系統(tǒng)在較大的溫度范圍內(nèi)冷凝而保持高性能,對環(huán)境的適應(yīng)能力強。硅膠水的解吸溫度較低,常用于100 以下的低溫余熱吸附制冷。CaCl2 -NH3 、SrCl2 - NH3 是其中性能較優(yōu)越的工質(zhì)對,其制冷量大,制冷系數(shù)高。氯化鈣和氨有良好的親合性,1molCaCl2 可與8molNH3 發(fā)生反應(yīng)生成CaCl28NH3 ,在不同的溫度和壓力下,CaCl28NH3 能分別脫去4NH3 、6NH3 、8NH3 生成CaCl2 4NH3 、CaCl22NH3 、CaCl2 ,同時放出熱量,而氨的沸點低,所以人們將氯化鈣氨工質(zhì)對用于吸附式制冷/ 熱泵系統(tǒng),尤其是用于太陽能吸附式制冷系統(tǒng)的研究相當(dāng)熱門。另外

7、，無機鹽的導(dǎo)熱系數(shù)都比較低, 傳熱性能較差,而且反應(yīng)速度較慢, 系統(tǒng)循環(huán)周期長, 在加入一定的石墨或者金屬等添加劑后, 導(dǎo)熱系數(shù)可以提高很多。 此外, 吸附床的結(jié)構(gòu)是否合理將直接影響到吸附量以及吸附速度的大小?；瘜W(xué)吸附工質(zhì)對的使用壽命比物理吸附短一些, 吸附性能的可逆性差一些。 624 混合吸附劑的研究目前研究最多的是CaCl2-NH3 和CoCl2-NH3 ,而且研究的趨勢都集中在混合吸附劑上。 比如Aristov 的CaCl2 和硅膠或者氧化鋁,它通過核磁共振微縮成相技術(shù)(HNMR) 測試吸附床、加固層以及單個吸附劑顆粒的制冷劑的空間和時間分布濃度, 然后對這些數(shù)據(jù)處理得到關(guān)于吸水量的有效

8、擴散率,另外測試出吸附劑顆粒大小、粘結(jié)劑和添加劑對工質(zhì)吸附性能的影響。黃志華通過測試發(fā)現(xiàn)CaCl2 和活性炭組成的混合吸附劑的整體性能好于單個的化學(xué)吸附劑和物理吸附劑,并且從理論上作出了說明。采用CaCl2 和硅膠(MCM-41) 組成的混合吸附劑(SWSs) ,它是將MCM-41 顆粒在293K溫度下浸泡在CaCl2 的水溶液中,然后在423K的溫度下烘干至重量保持不變,測量得到CaCl2 占混合物質(zhì)量的37.7%,然后通過GT 方法測得實驗數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)水和混合吸附劑(SWSs) 組成一個雙變量系統(tǒng),它介于固體吸附和液體吸附之間,所以它克服了它們各自的缺點,尤其是防止了結(jié)晶和腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。另

9、外其吸附率也達到了0.75,能量儲量為2.1kJ/g ,解吸溫度在343K到393K之間, 這樣的溫度適于利用低品位的能量(如工業(yè)廢熱、地?zé)?、太陽? 。結(jié)果表明這種吸附劑比單純的沸石、硅膠等物質(zhì)跟水組成的工質(zhì)對更有競爭力。BaCl2 - NH3 和SrCl2 - NH3 工質(zhì)對組成的復(fù)合熱機驅(qū)動系統(tǒng)的實驗結(jié)果非常樂觀。NiCl2 - NH3 在多效吸附吸收制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用也引起了科研工作者的興趣。245 吸附劑燒結(jié)和膨脹的解決辦法在實驗中發(fā)現(xiàn)純粹的化學(xué)吸附雖然有較大的吸附量,但是存在有較嚴重的膨脹和燒結(jié)現(xiàn)象,這對于吸附劑的長期使用是十分不利的, 也是化學(xué)吸附式制冷走向市場所必須解決的關(guān)鍵問題

10、。因此必須采取一定的措施來克服化學(xué)吸附劑的傳熱傳質(zhì)差、顆粒強度小、容易出現(xiàn)膨脹粉化及粉末結(jié)塊等缺陷。在所有的方法中,有人提到了在CaCl2中加入一定的粘結(jié)劑(如CaSO4 或水泥等) ,用以固定吸附劑顆粒來防止結(jié)塊聚集等問題。此外采用較高強度的多孔吸附顆粒作為骨架,使有效成分附著在其表面也是一種常用手段。陳礪等人對浸漬在石墨骨架上的化學(xué)吸附的傳熱強化進行了較為初步的研究。黃志華對以活性炭為骨架,活性炭本身也作為吸附劑和氯化鈣形成一定的配比進行研究,結(jié)果是氯化鈣和活性炭的質(zhì)量配比低于1/ 3 以后,化學(xué)吸附所引起的吸附劑結(jié)塊和膨脹現(xiàn)象得到了有效的緩解。46 結(jié)束語太陽能固體吸附式制冷技術(shù)較傳統(tǒng)的壓縮