吸附式制冷

吸附式制冷主讲人：郝方园目录•1.吸附式制冷的基本原理•2.常用的吸附剂•3.常用的制冷剂•4.常用的吸附式制冷工质对•5.吸附式制冷循环的分类•6.太阳能吸附式制冷•7.吸附式制冷在余热中的利用•8.吸附式制冷系统的展望吸附式制冷的基本原理•某些固体物质在一定的温度及压力下，能吸附某种气体或水蒸气，在另一温度及压力下，又能将它释放出来。这种吸附与解吸过程引起的压力变化，相当于制冷压缩机的作用。固体吸附制冷就是根据这一原理来实现的。•固体吸附式制冷主要由吸附器、冷凝器、蒸发器、节流装置等部件组成吸附与解吸过程•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•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;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，实现制冷。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，有蒸气冷凝成液体常用吸附剂应具备的条件较强的吸附能力，即要求较大的比表面积不与吸附质及其它相接触的介质发生化学反应有良好的机械强度和热强度易再生不易劣化具有商业性生产规模和比较低廉的价格常用吸附剂硅胶活性氧化铝活性炭另外常用的吸附剂有分子筛，硅藻土，吸附树脂，黏土等硅胶（silicagel）分子式为SiO2·xH2O，是胶体氧化硅脱水后的固体颗粒，典型的多孔极性吸附剂，平均孔径2-20nm，不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定。值得注意的是，当温度过高而使硅胶中的结合水蒸发掉以后，硅胶就失去了吸附作用，因此硅胶的使用温度被限制在120°以下。硅胶的物理结构硅胶的孔结构由组成硅胶的胶态SiO2质点的大小及其堆积方式决定的。硅胶的骨架（SiO2)是以硅原子为中心，氧原子为顶点的Si-O四面体在空间不太规则的堆积而成的无定形体硅胶的性能硅胶的性能是亲水性，其孔径单一而狭窄，由于硅胶表面烃基产生一定的极性，所以对极性的氧化物如水，醇等均能形成氢键，其吸附力大，并随极性的增强而增强。硅胶结构中的烃基是它的吸附中心，一个烃基吸附一个分子的水。其对水的吸附量大，但缺点是它吸附水分时，放出的吸附热很大，在常温下吸附能使硅胶的温度上升到100°，并使硅胶粉碎。A型硅胶，孔径2-3nm,可用于各种干燥场合B型硅胶，孔径0.7nm，仅用于相对湿度大于50%的场合硅胶制成的产品活性氧化铝（activatedaluminumoxide)活性氧化铝•活性氧化铝是具有吸附和催化性能的多孔大表面氧化铝。通常氧化铝按晶型可以分为8种类型：α型、β型、γ型、θ型、η型、χ型、κ型、ρ型。•是一种多孔性、高分散度的固体材料，平均孔径40-50nm影响活性氧化铝吸附性能的主要因素颗粒粒径原水PH值原水初始氟浓度原水碱度砷的影响活性炭(activatedcarbon)（活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢以及少量灰分。）木质柱状活性炭木质活性炭蜂窝活性炭活性炭纤维椰壳活性炭活性炭的吸附行为气体吸附溶液吸附当气体的相对压力适宜时，在活性炭的中孔内可发生毛细凝结，大孔则是单层或多层吸附，微孔的吸附机制是微孔填充。对活性炭吸附起主要作用的是由微孔提供的巨大表面积。活性炭就主体而言为非极性吸附剂，极易从水溶液中吸附非极性和长链有机物。但活性炭表面有含氧基团，所以对某些极性物（特别非水体系中）也有吸附能力有机物的分子结构和被吸附的关系常用的制冷剂的要求•单位容积汽化潜热大•热稳定性好•无污染•不易燃•无毒•分子量小•压力范围0.1-0.5MPa(最好在263K到353K的温度范围内其蒸汽压力接近大气压)常用制冷剂•1.水(R-718)•水无毒、无污染，不可燃、来源丰富。是一种天然制冷剂.它能很好的满足上述制冷剂的要求•但它对于蒸发温度低于0°的场合是不适用的，因为低于0°后水会结冰，造成管路破坏。•2.二氧化碳(CO2)(R-744)•二氧化碳(CO2)是一种天然制冷剂.它在19世纪末20世纪初停止使用，现在正在研究重新对它的使用。用于蒸气压缩循环正位移压缩机。在32℃时CO2的冷凝压力超过6MPA，这是一个挑战。而且，CO2的临界点很低，能效差。尽管如此，仍可能有一些应用，如复叠制冷，CO2将是有用的。•3.氨(NH3)(R-717)•氨(NH3)被认为是一种效率最高的天然制冷剂。它是一种今天仍在使用的“原始”制冷剂。它属于天然工质，不破坏环境。氨有轻微的毒性，在空气中有燃爆的危险，但它的刺激性气味使人可以及时发现并处理泄露问题。在吸附制冷中，主要在制冰场合。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。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.氯化钙-氨•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循环的分类•按工作原理分，吸附式制冷可分为间隙型和连续型，间隙型表示制冷是间隙进行的，往往采用一台吸附器；连续型则采用二台或二台以上的吸附器交替运行，可保障连续吸附制冷。基本型间歇式吸附式制冷循环V2冷凝器V蒸发器1吸附器节流阀储液器基本型连续循环的吸附式制冷系统•连续型固体吸附式制冷系统有两只吸附床，两床交替处于吸附状态和解吸状态。•运行时，其中一个处于解吸状态，吸收热量，另一个处于吸附状态，释放热量。吸附式制冷的工作循环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太阳能吸附式制冷技术•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。间歇式太阳能吸附式制冷系统该单元的工作过程简述如下：1．循环早上开始。关闭阀门，处于环境温度(丁一30℃)的吸附床被太阳能加热，此时只有少量工质脱附出来，吸附率近似常数，而吸附床内压力不断升高，直至制冷工质在冷凝温度下的饱和压力，此时温度为L．2．打开阀门，在恒压条件下嗣冷工质气体不断脱附出来，并在冷凝器中冷凝，冷凝下来的液体进入蒸发器，与此同时．吸附床温度继续升高至最大值7。3．关闭阀门，此时已是傍晚，吸附床被冷却，内部压力下降直至相当于蒸发温度下工质的饱和压力，该过程中吸附率也近似不变，最终温度。4．打开阀门，蒸发器中液体因压强骤减而沸腾起来，从而开始蒸发嗣冷的过程，同时蒸发出来的气体进入吸附床被吸附。该过程一直进行到第二天早晨。吸附过程要放出大量的热量，它们由冷却水或外界空气带走。平板式太阳能吸附式制冷技术•平板式吸附制冷系统的特点是吸附床为平板式吸附集热器结构，吸附器和集热器的功能合二为一。平板式吸附集热器耐压能力较差，通常不适用于在较高的压力下工作，因此平板式吸附制冷系统多选用真空状态下工作的吸附工质对，如活性炭-甲醇，分子筛-水等。•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，渔船制冰机太阳能吸附制冷技术的总结和展望太阳能制冷的效率比较低，难以与其它形势的制冷相比。因此，商业化利用仍有较大的差距。为加快商业化进程，如下工作必须进一步加强：保持吸附制冷的稳定性；提高发生器的集热效率；优化设计太阳能驱动的吸附式制冷系统的主要部件，以实现系统的最优匹配；深入制冷材料的研究。吸附式制冷在余热利用中应用汽车发动机工作时，用于动力输出的功一般只占燃油燃烧总热量的的30％～42％（柴油机）或25％～30％（汽油机）。以废热形式排除车外的能量占燃烧总能量的58％～70％（柴油机）或70％～75％（汽油机）。发动机排气温度一般达到450～550℃，考虑露点腐蚀问题，最终排气温度不低于180℃，一般可以利用的废热量为总热量的16％左右。工厂排除的废水或废气的温度也一般在150℃以上，能合理的利用这些废热也是一种节能的好途径。吸附式制冷系统的展望•吸附式制冷是一种环境友好的节能制冷方式。虽然目前还处在理论研究阶段，随着工业的发展和研究的深入，必将会得到广泛的应用。•整个吸附制冷系统而言，影响最主要的就是吸附床的传热传质的好坏；并且吸附床的体积比较大也很难使吸附式制冷系统小型化；以后应该在选用优良的吸附工质对和设计新型的吸附床的结构和新的制冷循环方面来进一步研究。•技术的发展需要经济的支持，为使吸附式制冷得到更快的发展，政府部门必须引起重视并且给予支持。