第六章固體吸附式制冷

固體吸附式制冷

固體吸附式制冷是通過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)來實現(xiàn)的。相對于同樣利用熱能驅(qū)動的吸收式制冷而言，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，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。

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。

工質(zhì)對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，吸附容量對溫度變化敏感，吸附劑與吸附質(zhì)相容。一般說來，吸附劑的表面積越大，它的吸附能力就越強(qiáng)。對吸附質(zhì)的要求是單位體積蒸發(fā)潛熱大，冰點較低，飽和蒸氣壓適當(dāng)，無毒，不可燃，無腐蝕性，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)對等百余種。吸附式制冷的原理

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，已被吸附的吸附質(zhì)，從吸附劑表面脫附出來，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。停止對吸附劑加熱時，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)行著制冷過程。

固體吸附式制冷原理圖比較成熟的工質(zhì)對及其適用范圍冷凍（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1.吸附式制冷工質(zhì)對的研究

長期以來，人們對吸附式制冷工質(zhì)對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。

目前用于太陽能等低溫?zé)嵩打?qū)動的固體吸附式制冷工質(zhì)對的工作特性如下表所示。工質(zhì)對T0(OK)Tk(OK)Ta(OK)Tj(OK)x0(kg/kg)ε真空度要求抗壓性要求有無毒性硅膠-水2783083033730.070.87高低無活性炭-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適中適中無固體吸附制冷工質(zhì)對的工作特性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)基本型吸附式制冷循環(huán)設(shè)置有一個吸附器，吸附-脫附過程交替進(jìn)行，沒有采用回?zé)岽胧?，不但損失了吸附床冷卻放熱及吸附放熱的顯熱量，而且因為間歇式制冷產(chǎn)生切換損失，因此循環(huán)效率比較低。為了連續(xù)制冷，可以采用兩個或多個吸附器交替工作。除此而外，在固體吸附式制冷循環(huán)的研究過程中，人們還提出了連續(xù)回?zé)嵝?、熱波型、對流熱波型和雙效復(fù)疊型等多種更高效的吸附制冷循環(huán)。吸附式制冷循環(huán)的研究

9吸附器1吸附器2蒸發(fā)器冷凝器冷卻水

系統(tǒng)中有兩個吸附，假定對吸附器1加熱，對吸附器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交替運行組成了一個完整的連續(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，在兩個吸附器切換過程中，可通過循環(huán)冷卻水將正在吸附的吸附器冷卻時釋放的顯熱和吸附熱傳遞給正在解析的吸附器，以實現(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。

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)計成一系列能獨立進(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程放出的熱量，更充分地回?zé)?。?）熱波循環(huán)11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?，且投資費用隨床數(shù)的增加而成倍增加。熱波循環(huán)中吸附床被設(shè)計成一系列能獨立進(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程放出的熱量，更充分地回?zé)帷?/p>

對流熱波循環(huán)是一種吸附床內(nèi)強(qiáng)迫對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，在較短的時間內(nèi)就可將吸附床加熱或冷卻到預(yù)定溫度。（3）對流熱波循環(huán)13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（4）復(fù)疊式循環(huán)復(fù)疊式循環(huán)是

利用兩個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)對的高溫循環(huán)來驅(qū)動以活性炭-甲醇為工質(zhì)對的低溫循環(huán)。

比較理想的復(fù)疊式循環(huán)：高溫級采用分子篩-水為工質(zhì)對，在100～200℃高溫區(qū)工作；低溫級采用硅膠（分子篩）-水為工質(zhì)對，在30～100℃低溫區(qū)工作。其中100℃為中間溫度，通過選擇合適的加熱溫度和中間溫度以及兩級冷凝壓力，可使系統(tǒng)COP值達(dá)到1.2。15吸附器