吸附式制冷原理

第四章吸附式制冷循环AdsorptionRefrigeration§4.1吸附制冷基本理论一、气固相平衡吸附质与吸附剂的平衡吸附量为：xfpT,吸附体系关于特定体系表示如下：xfpTxfTppfTx等温吸附线等压吸附线等量吸附线这三种吸附曲线从本质是一致的，但它们对于研究吸附现象各有长处：吸附等温线主要用于工业装置的微量吸附等压吸附线主要用于解吸的操作设计等量吸附线主要用于进行吸附热的计算和吸附工质对的选择二、吸附理论与吸附率方程吸附势理论(Polanyi理论)是从固体表面存在吸附势能场出发，描述多分子层吸附的理论模型，D-A、D-R方程0)(SVT(2-82)其中称为特征吸附函数sVf离吸附表面L处摩尔气体吸附势能lRTppln()0（4-1)xMMVMacscfVfxs12()()xf()吸附达到平衡时吸附率或D—R方程：xxk02exp(4-2)在实验中存在三种与式(4-2)偏离的形式xxkxk01120222expexp(4-3)准高斯分布型方程(D-A方程)xxEn0exp(4-3)这种方程还存在一些缺点：(1)在压力低时，吸附量不能自动地转化为Henry定律(2)特性曲线与温度无关的假说在吸附质为极性物质时，其误差较大(3)对表面孔径分布不均匀的情况没有给出很好的解释三、描述气固相平衡的p-T-x图图2-135示出了活性炭-甲醇吸附等量线，其中(a)为活性炭纤维、(b)为活性炭。四、工质对的热质传递过程1、蒸发与冷凝过程在吸附式制冷循环中，制冷剂的蒸发或冷凝过程是在恒定的蒸发温度或冷凝温度下进行的。02040608010012014010001001010.050.10.602040608010012014010001001010.020.26(a)活性炭纤维-甲醇吸附制冷p-T-x图(b)活性炭-甲醇吸附制冷p-T-x图图2-135在蒸发过程中:制冷剂吸收蒸发潜热，由液体蒸发成气体在冷凝过程中:制冷剂排放冷凝潜热，由蒸气冷凝成液体2、吸附与解吸过程在吸附式制冷系统中吸附和解吸从理论上来说是恒压过程图2-136所示，固体吸附剂受热解吸出制冷剂，在制冷剂压力达到冷凝压力时即开始解吸-冷凝过程，制冷剂被冷凝成液体ACEQdQcACEQaQe图2-136:吸附和解吸过程。A-吸附器；C-冷凝器；E-蒸发器；Qd-加热显热及脱附热；Qc-冷凝热；Qa-冷却显热及吸附热,Qe-制冷量PePcxT,oCxconcxdilTaTg图2-137:吸附与解吸状态在吸附等压线上的表示吸附状态：吸附温度Ta、蒸发压力Pe;解吸状态：解吸温度Tg、冷凝压力Pc§4.2吸附制冷循环（1）基本型吸附式制冷循环图2-154间歇式吸附式制冷系统（太阳能制冷机）lnPPcPeQcondQgQevaQadQhQc561423TeTcTa2Tg1Ta1Tg2-1/T(1/K)饱和制冷剂XconcXdil图2-155吸附式制冷循环热力图（2）基本型循环热力计算与分析如图2-155所示，基本循环涉及7种热量，分述如下：1）Qh——吸附床等容升压过程中吸收的显热)()(1221TgTaavaTgTacvchdTMTCdTMTCQ(2-107)2）Qg——脱附过程吸收的热量dxHM)()(desc212121ggTgTTTgapaTgTgcpcgdTMTCdTMTCQ(2-108)3）Qc—冷却吸附床带走的显热)()(2121TgTaavaTgTacvccdTMTCdTMTCQ(2-109)4）Qad—吸附过程中带走的热量)()()(21212120eaaaTTcpagadscTTTaTaapaTaTacpcadxdTMTCdxHMdTMTCdTMTCQ(2-120)5）Qref——制冷量xLMQecref(2-121)6）Qcond—冷凝过程放出的热量)(21TgTgcpageccondxdTMTCxLMQ(2-122)7）Qco——液态制冷剂从Tc降至蒸发温度Te放出的显热。)(xdTMTCQcTcTevfco(2-123)对循环的评价可以用COP表示，它在吸附式循环中的表达式为：QQhgrefghcorefQQQQCOP(2-124)脱附热和吸附热可由Clausius-Clapeyron求得eadscdesTTARHTTARH(2-127)LnPABPcbQgcbQgcQregQhQcQcQhQregPeadadQadQadTa2Tg1Ta1Tg2Ta2Tg1Ta1Tg2-1/T图2-155连续回热循环系统图（3）连续回热型吸附式制冷循环WTTpTTTTTTpTTTTTTTTPPTTTTTTTT冷凝器风机盘管节流阀蒸发器加热器贮液器冷却水冷却水冷却器Cooler泵泵吸附器A吸附器B至冷却塔水泵图2-156一典型的吸附式空调系统在连续回热循环中，可采用以下方法计算回热量TTTTTTggcdespacpcchgggTTTdxmHdTTxcmdTTcmQTQ111)()()()(211TTTTgavaconccvccggTTTdTTcxmdTTcmTQ11)()()()(12h1111)()()()()(122aaaaTTTTTTaaTTcpagcadspacpcccTTTdxmTcdxmHdTTxcmdTTcmQTQ11)()()()(21caaTTTTgavadilcvccTTTdTTcxmdTTcmTQ解方程QTQT12()()便可得理想回热情况下的回热温度Treg。而理想回热量QQTQTregregreg12()()若定义回热率为回热量与加热过程所需热量的比值，则连续回热循环的回热率A和制冷系数COP分别为AQQreghgCOPQQQCOPArefhgregB1我们可以把吸附床冷却过程放出的热量分为三部分：1）一部分是吸附床从最高解析温度Tg2降低到回热温度Treg的过程中被回收2）一部分在此过程中由于温差传热而损失3）一部分则在吸附床由回热温度Treg降低到冷却温度Ta2中被冷却水带走吸附式制冷的应用太阳能的介绍太阳能是世界上分布最广、最丰富的资源之一。每年到达地球表面的太阳能辐射能为5.57X1018MJ，相当于190万吨标准煤，约为目前全世界一次能源消费总量的1.56X104倍。近年来为了减少空调等制冷设备的耗电量，利用太阳能进行制冷引起了国内外学者的广泛的兴趣，并取得了一些初步的成果。§4.3太阳能吸附式制冷技术吸附式制冷的应用应用系统1978年，美国沸石动力公司建成第一台以沸石－水为工质对的间歇式太阳能吸附制冷冰箱。吸附式制冷的应用太阳能吸附式制冷技术可以利用低品位热源驱动，通过工质对的吸附和解析过程来达到制冷效果应用：吸附式制冷冰箱、冷藏柜、汽车空调，渔船制冰机吸附式制冷的工作原理吸附式制冷技术的基本工作过程由于吸附式制冷是由加热—解吸—冷凝与冷却—吸附—蒸发制冷两个过程交替进行，因而它是一种间隙式制冷方式。图1所示，固体吸附剂受热解吸出制冷剂，如图1左侧所示；在制冷剂压力达到冷凝压力时即开始解吸-冷凝过程，制冷剂被冷凝成液体；反之当吸附剂受到冷却时，当吸附床压力低于蒸发压力时即能开始吸附蒸汽，制冷剂液体蒸发，实现吸附-制冷过程。吸附式制冷的工作原理定压解吸过程定压吸附过程可看成压缩机定容加热过程定容冷却过程基本吸附式制冷循环图吸附式制冷的工作原理吸附器冷凝器蒸发器QdQc吸附器冷凝器蒸发器QaQe图:吸附和解吸过程。A-吸附器；C-冷凝器；E-蒸发器；Qd-加热显热及脱附热；Qc-冷凝热；Qa-冷却显热及吸附热,Qe-制冷量吸附式制冷的工质对吸附式制冷能否得到工业应用很大程度上取决于所选用的工质对，工质对的热力性质对系统性能系数、设备材料、一次性投资等影响很大。一切固体物质的表面都具有一定的吸附作用，但作为良好的吸附剂应满足下列条件：（1）比表面积大，内部具有网格结构的微孔通道；（2）吸附容量大，而且在30-50摄氏度间对温度比较敏感；（3）再生温度低，活化后吸附量的残余量较少；（4）吸附热小，循环的经济性高；（5）与吸附物质间无破坏作用。即吸附剂与吸附质接触后，吸附剂本身晶格不遭破坏，吸附物也不分解；（6）吸附速度快，较易达到吸附平衡；（7）比热容小，热传导性好。可加速吸附脱附过程；（8）耐压，耐磨，使用中不产生粉末，与水接触后不破碎；（9）气流阻力小；（10）能再生和多次使用；（11）来源充足；（12）价格便宜。吸附式制冷的工质对§4.4吸附制冷工质对吸附剂-吸附质（在制冷中称为制冷剂）工质对的选择是吸附式制冷中最重要的因素之一以活性炭、分子筛（沸石）、硅胶、氯化钙等为吸附剂，以甲醇、氨、水等为制冷剂相应构成几组吸附工作对。比较成熟的吸附工质对有活性炭/甲醇，沸石/水，活性炭/氨，金属氢化物/氢（物理吸附）和氯化钙/氨、氯化锶－氨（化学吸附）吸附式制冷的工质对活性炭/甲醇是太阳能吸附制冷中应用最广的工质对。以活性炭为吸附剂、甲醇为制冷剂是目前研究较多的工质对，吸附解析量较大，所需的解吸温度不高（100℃左右），吸附热也较低（约1800~2000kJ/kg）,甲醇的低熔点(-98℃),使得系统可用于制冰,活性炭—甲醇工质对的最高解吸温度不能超过150℃，否则甲醇将分解，另外甲醇有毒，不利于其广泛应用。采用活性炭/甲醇作为制冷工质对时，最大的缺点是甲醇与金属接触时，对其分解有催化作用。甲醇的分解，会导致系统真空度降低。因此，这类系统在试制和运行初期性能非常好，但运行一段时间后，性能会变差。吸附式制冷的工质对沸石---水沸石—水工质对的解吸温度范围较宽（70~250℃），吸附热（3200~4200kJ/kg）、蒸发潜热（2400~2600kJ/kg）均较大;沸石—水性质稳定，在高温下不起反应，且经多次吸附—解吸后，吸附性能基本不变，沸石的吸附等温线在超过一定压力后基本水平，随压力变化不大，这样，冷凝温度升高对制冷量和系统COP的影响不大，能使吸附制冷系统在较大的温度范围内冷凝散热而保持高性能，对环境的适应能力强，但该系统蒸发温度大于0℃，不能用于制冰;另外系统是真空系统，对真空密封性要求很高，而蒸发压力低也使得吸附过程较慢。吸附式制冷的工质对硅胶—水硅胶—水工质对的解吸温度较低，如超过120℃硅胶将被烧毁，且系统的制冷能力低，与氟石相比，硅胶需要三倍的体积.吸附式制冷的工质对氨盐氯化钙－氨工质对的吸附机理属于化学吸附，其最大的特点是吸附量大，氯化钙和氨有良好的亲合性，1molCaCl2可与8molNH3发生反应生成CaCl2.8NH3，在不同的温度和压力下，CaCl2.8NH3能分别脱去4NH3、6NH3、8NH3生成CaCl2.4NH3、CaCl2.2NH3、CaCl2，同时放出热量，而氨的沸点低,可用于制冰。系统工作压力较高。氯化钙－氨化学反应机理由于CaCl2和NH3在一定的温度、压力条件下发生如下化学反应：CaCl2+NH3——CaCl2·NH3+ΔH01(1)CaCl2·NH3+NH3——CaCl2·2NH3+ΔH12(2)CaCl2·2NH3+2NH3——CaCl2·4NH3+ΔH24(3)CaCl2·4NH3+4NH3——CaCl2·8NH3+ΔH48(4)缺点：化学吸附经过多次循环使用后吸附性能将会有所降低。吸附式制冷的工质对G.Cacciola和G.Restuccia综合各工质对的性能后得出适合不同温区的“研究最成熟的”工质对（如表2-22）。表2-22比较成熟的工质对及其使用范围吸附式制冷的工作循环§4.5吸附式制冷循环的分类吸附式制冷的工作循环一、基本型吸附式制冷循环V2冷凝器V蒸发器1吸附器节流阀储液器