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吸附式制冷与热泵
  • http://www.rhvacnet.com
  • 2008/12/27
  • 浏览 8173 次
  •     随着世界经济的发展以及能耗的增加,能源与环境问题目前已经成为全世界所共同关注的一个热点问题,吸附式制冷作为一种低品位热能驱动的绿色制冷技术,已经被认为可能成为能源利用与环境保护的有效中间链。
    推动吸附式制冷研究的原因可分为两个方面,一方面在于探索解决能源紧缺的可能途径。 自1973年中东战争引起世界性石油危机以来,能源问题成为了举世瞩目的重大问题。 解决世界能源问题的一个重要途径是有效利用低品位能源,包括可再生能源的开发利用以及各种余热的回收利用。 另一方面,臭氧层的破坏和全球气候变暖,是当前全球所面临的主要的环境问题,所以寻找CFCs和HCFCs等传统制冷剂的替代物(采用天然制冷剂)以及新型制冷方式已成为制冷技术研究的热点。

        吸附式制冷原理为利用吸附剂对制冷剂的吸附作用造成制冷剂液体的蒸发,相应产生制冷效应。 吸附式制冷通常包含两个阶段:

    (1) 冷却吸附→蒸发制冷: 通过水、空气等热沉带走吸附剂显热与吸附热,完成吸附剂对制冷剂的吸附,制冷剂的蒸发过程实现制冷;
    (2) 加热解吸→冷凝排热: 吸附制冷完成后,再利用热能(如太阳能、废热等)提供吸附剂的解吸热,完成吸附剂的再生,解吸出的制冷剂蒸气在冷凝器中释放热量,重新回到液体状态。 吸附式制冷的驱动热源为50℃以上的工业废热和太阳能等低品位热能,同时吸附制冷所采用的制冷剂都是天然制冷剂,如水、氨、甲醇以及氢等,其臭氧层破坏系数(ODP)和温室效应系数(GWP)均为零。

        与蒸汽压缩式制冷相比,吸附式制冷具有节能、环保、控制简单、运行费用低等优点; 与液体吸收式系统相比,固体吸附式制冷适用的热源温区范围大、不需要溶液泵或精馏装置,也不存在制冷剂的污染、盐溶液结晶以及对金属的腐蚀等问题。 所以相对于吸收式制冷,吸附式制冷具有更为广阔的应用范围。 吸附式制冷可在一些废热可资利用的场合获得应用,例如利用动力装置余热获得空调制冷以及制冰,利用太阳能热水驱动获得夏季太阳能空调。 随着天然气的广泛应用,冷热电联产的分布式能源系统将成为我国能源利用系统的重要发展方向,小型吸附式制冷机组(10~200 kW)尤其适合于冷热电联产系统。

        针对吸附式制冷——这一绿色节能制冷技术,文中首先介绍了吸附式制冷的发展历史,然后重点介绍了吸附制冷的研究进展及其典型研究与应用实例,并指出了今后的主要研究和发展方向。

        吸附制冷系统是以热能为动力的能量转换系统。其道理是:一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用。吸附能力随吸附温度的不同而不同。周期性地冷却和加热吸附剂,使之交替吸附和解析。解析时,释放出制冷剂气体,并使之凝为液体;吸附时,制冷级液体蒸发,产生制冷作用。

    图1 太阳能沸石-水吸附制冷原理

     所以,吸附制冷的工作介质是吸附剂-制冷剂工质对,工质对有多种,按吸附的机理说,有物理吸附与化学吸附之别。

     以常见的沸石-水吸附对为例。沸石是一种铝硅酸盐矿物,它能够吸附水蒸气,且吸附能力的变化对温度特别敏感。因而它们是较理想的吸附制冷工质对之一。图1示出一个利用太阳能驱动的沸石-水吸附制冷系统原理。它包括吸附床、冷凝器和蒸发器,用管道连接成一个封闭的系统。吸附床是充装了吸附剂(沸石)的金属盒;制冷剂液体(水)贮集在蒸发器中。白天,吸附床受到日照加热,沸石温度升高,产生解吸作用。从沸石中脱附出水蒸气,系统内的水蒸气压力上升,达到与环境温度对应的饱和压力时,水蒸气在冷凝器中凝结,同时放出潜热,凝水贮存在蒸发器中。夜间,吸附床冷下来,沸石温度逐渐降低,它吸附水蒸气的能力逐步提高,造成系统内气体压力降低,同时,蒸发器中的水不断蒸发出来,用以补充沸石对水蒸气的吸附。蒸发过程吸热,达到制冷的目的。

     如果采用其它热源,只要保证能够交替地加热和冷却吸附床,使沸石周期性地解析和吸附,同样能达到制冷的目的。

     由上可知,吸附制冷属于液体汽化制冷。与蒸气压缩式制冷机相类比,吸附床起到压缩机的作用。但上述吸附系统只能间歇制冷。吸附器处于吸附过程中产生冷效应,吸附结束后必须有一个解析过程使吸附剂状态还原,这时将停止制冷。为了连续制冷,可以采用两个吸附器。美国学者乔纳斯(Jones)还提出用三个或四个吸附器进行系统循环,不仅实现连续制冷,还可以利用一个吸附床的排热去加热另一个吸附床,从而使热能充分利用。

     现在对吸附制冷的研究正在不断深入和发展。为了使吸附制冷成为一种使用话的制冷方式,人们在吸附工质对及其吸附机理、改善吸附床传热传质、以及吸附制冷的系统结构方面进行不懈的努力。

     已研究的吸附工质对(吸附剂-制冷剂)主要由:沸石-水;硅胶-水;活性炭-甲醇;金属氢化物-氢;氯化锶-氨。这些是物理吸附的工质对。还有化学吸附的工质对,如氯化钙-氨。各工质对地吸附动力学特性是吸附制冷的基础研究内容。

     吸附制冷的循环速率受吸附床传热传质特性的制约。颗粒状充填的吸附床,其传热过程缓慢,使循环周期拉长。为了提高制冷循环速率,在改善吸附床传热传质方面现采取的主要措施是:

    1。将导热性好的铝粉和石磨加在吸附剂中。
    2。将吸附剂成型加工,并烧结在金属壁面上。这样做一来可以提高吸附剂的充填量,增加单位体积的吸附能力;二来可以降低吸附剂与金属壁面之间吸附剂与吸附剂之间的接触热阻。
    3。增大吸附床金属壁的热交换表面积。




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