（环境工程专业论文）太阳能驱动的固体吸附式转轮制冷机的理论研究.pdf

摘要 太阳能是一种可持续利用、既清洁又到处都有的能源，太阳能制冷因热量的供 给和冷量的需求在季节和数量上的高度匹配而受到普遍的重视。吸附制冷所具有的 与环境协调和节能等特性，使其成为传统的压缩式制冷最有前途的替代技术之一， 在低品位能源利用和环境保护方面有着显著的优势，并受到国内外科技工作者的关 注。 本文对以活性炭纤维一乙醇为工质对的太阳能固体吸附式转轮制冷系统进行 了初步研究。考虑到在目前已知的太阳能固体吸附式制冷系统中，选用活性炭纤维 一乙醇作为工质对的系统具有相对较多的工程应用优点，因此从实用化的角度出 发，设计了一套活性炭纤维一乙醇为工质对的太阳能驱动的固体吸附式转轮制冷系 统，并建立了转轮吸附床圆柱结构的数学模型。吸附床的数学模拟采用沿吸附床周 向的一维均匀压力场模型。用a n s y s 对所建模型进行网格划分，并对转轮吸附床温 度场进行了静态模拟，其结果表明，系统最高c o p 值可达0 1 2 6 ，单位质量制冷量 为5 7 8 8 k w 。 利用所建立的数学模型，针对所研究的活性炭纤维一乙醇太阳能驱动的固体吸 附式转轮制冷系统，从吸附床的内部特性参数及外部特性参数出发，较为全面而系 统地分析了这些参数的改变对系统性能( c o p ) 、平衡脱附率以及吸附量的影响。 结果表明：在转轮吸附床的内部参数中，转轮吸附床的转速、吸附剂的填充密度对 系统的性能有着较大的影响；在外部参数中，冷却气体入口流速、蒸发温度对系统 影响较大。这为以后转轮吸附器的进一步设计与优化起到了积极的指导作用。同时， 本文为吸附式制冷的深入研究提供了基础数据和理论依据。 关键词：太阳能吸附制冷转轮活性炭纤维乙醇 a b s t r a c t s o l a re n e r g yi sn o to n l yak i n do fs u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o na n dc l e a ne n e r g y , b u ta l s oi t c a l lb eu s e de v e r y w h e r e ，a n dt h es o l a re n e r g yr e f r i g e r a t i o nh a sb e e np a i dc o m m o n a t t e n t i o nb e c a u s eo f i t sh e a ts u p p l ya n dr e f r i g e r a t i o nd e m a n db e i n gm a t c h e dg r e a t l yw e l l w i t ht h es e a s o na n dt h eq u a n t i t y t h ea d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h e p r o m i s i n gs u b s t i t u t i v et e c h n o l o g i e sa m o n gt h et r a d i t i o n a lc o m p r e s s i n gr e f r i g e r a t i o na si t h a st h ef e a t u r e si nh a r m o n yw i t l le n v i r o n m e n ta n de n e r g ys a v i n ga n ds oo n i th a st h e r e m a r k a b l es u p e r i o r i t yi nt h ea s p e c t so ft h eu t i l i z a t i o no fl o w g r a d e e n e r g ya n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，f u r t h e r m o r e ，i th a sb e e na t t r a c t e dm u c hc l o s ea t t e n t i o nf r o m w o r k e r so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yb o t ha th o m ea n da b r o a dr e c e n t l y t h es o l i da d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e md r i v e nb ys o l a re n e r g yw i t l lr o t a t i n gw h e e l a d o p t i n ga c t i v a t e dc a r b o n - e t h a n o la si t sr e f r i g e r a t i n gw o r k i n gf l u i dp a i rh a sb e e ns t u d i e d p r e l i m i n a r i l yi nt h i sp a p e r c o n s i d e r i n gt h i sk n o w ns y s t e ma tp r e s e n t ，t h e r ea r eal o to f a d v a n t a g e sr e l a t i v e l y i nt h e e n g i n e e r i n g u t i l i z a t i o nw h e n s e l e c t i n g a c t i v a t e d c a r b o n e t h a n o la si t sr e f r i g e r a t i n gw o r k i n gf l u i dp a i r , t h e r e f o r e ，i no r d e rt os a t i s f yt h e d e m a n do fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，as o l i da d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw i t hr o t a t i n g w h e e ld r i v e nb yt h es o l a r e n e r g ya d o p t i n ga c t i v a t e dc a r b o nf i b e r - e t h a n o ! h a sb e e n d e s i g n e d ，m o r e o v e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fr o t a t i n gw h e e la d s o r p t i o nb e dw i t h c y l i n d e rs t r u c t u r eh a sb e e ne s t a b l i s h e dt o o t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa d s o r b e n tb e dh a sa d o p t e do n e d i m e n s i o n a lu n i f o r m p r e s s u r ef i e l dm o d e la l o n gt h ec i r c u m f e r e n c e u s i n ga n s y s t od i v i d et h em o d e li n t o g r i d s ，a n dh a sc a r d e do u tas t a t i cs i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ea d s o r p t i v e w h e e lb e d ，a sar e s u l t ，t h em a x i m u mc o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ( c o p ) o f t h i ss y s t e mc a n r e a c h0 1 2 6 ，t h er e f r i g e r a t i o ne f f e c ti s5 7 8 8 k w u t i l i z i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lt ob ee s t a b l i s h e d ，f o rt h es o l a rp o w e r e ds o l i d a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m w i t l l r o t a t i n g w h e e la n d u s i n g a c t i v a t e dc a r b o n f i b e r - e t h a n o la si t sp a i r , c o n s i d e r i n gt h ei n t e r n a la n de x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f t h ea d s o r b e n tb e d ，a n dt h ei n f l u e n c ef r o mt h e s ep a r a m e t e r sc h a n g i n gb e i n go nc o pa n d t h eb a l a n c ed e s o r b i n gr a t i oa n da d s o r b i n ge f f e c th a sb e e na n a l y z e ds y s t e m i c a l l ya n d c o m p l e t e l y ，t h er e s u l t ss h o wt h a ta m o n gt h e s ei n t e r n a lp a r a m e t e r so ft h ea d s o r b e n tb e d ， t h er o t a t i n gs p e e da n dt h ed e n s i t yo ft h ea d s o r b e n ts t u f f e dh a sg r e a t e re f f e c to nt h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ；a m o n gt h ee x t e r n a lp a r a m e t e r s ，t h ec o o l i n gg a ss p e e df r o m t h ei n l e ta n dt h ee v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r eh a sm u c hg r e a t e re f f e c to nt h es y s t e m ，w h i c h w i l lp l a yap o s i t i v ea n dl e a d i n gr o l ei nt h ef u t u r ef o rf 斌h e rd e s i g n i n ga n do p t i m i z i n go f t h ea d s o r b e n ti m p l e m e n to f t h er o t a t i n gw h e e l m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ro f f e r e dt h eb a s i cd a t aa n dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rf u r t h e r i n v e s t i g a t i o no f a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n k e y w o r d ：s o l a re n e r g y , a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ，r o t a t i n gw h e e l ，a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r , e t h a n o l 第一牵前言 磷究营景 随着世界经济的发展和技术的进步以及人口的增长，石油、煤炭、天然气等常 麓藐源己不能满足目盏增长静需要。源危梳鞠环境繇纯请凝基益明显。入霸、能 源与环境的和谐发展，是全人炭共同的追求。从历史的发展可以看如，伴随经济增 长的能源消耗增加与环境保护并未做剃两全其美。目前，经济、能源与环境( e c o n o m y , e n e r g y , e n v i r o n m e n t 掰谡3 e ) 的枢互协调发疑已成必备屋政瘸积人民豹共谈。 保护臭氧层是一个迫切的问题。传统制冷机广泛采用的氯氟烃( 即c f c s ) 类 期冷裁，壶予它们对炱氧瑶戆漫著耗数捧薅，交薄熬嶷氧层涮弱了辩太辍竞紫多 线 的阻挡，直接威胁人类健康。针对这种情况，国际上采取了一系列措施。根据哥本 洽裰会议对蒙特琴j 尔协定书酶修订意见，对c f c 物质，过渡物麓h c f c 等提 出了禁用期限，我国政府也于1 9 9 1 华6 月在蜘定书上签字，并于1 9 9 3 年2 月制定 了中圆消耗舆氧层物质逐步淘汰国家方案。 瀑室效应阚题不褰忽视，气候变化框鬃公约要求缔约匿采取严格的攒旌减 少二氧化碳的排放量。每年用于取暖的大量燃油和燃煤所释放的二氧化碳，嫩一个 琴容慈筏夔翘戆，嚣c f c 迄强属于滋塞效痤息毛傣。 能源问题是人类发展面临的另一个重大问题。随麓人们生活水平的提高，对舒 适性空调豹需求量不断增热，褥作为耗麓墅产品，对电力豹供应将是严竣静考验。 据统计【1 1 ，美国每年约2 3 的电力用于生活制冷空调，这种比例在我耀也将迅速增 加。制冷，空调领域的节能研究意义重大。与此同时，馓界范围内的热能利用率约为 4 0 ，大部分啦7 0o 2 - - 2 0 0 。c 的废热形式排放掉。我黧，每年1 0 0 c 2 0 0 。c 的废热 排放量折合标准煤达上千万吨；此外，还有大嚣的太阳能、地热能等低品位可再生 性能源寒能缳磐铡月。魏楚霞牧裂震邃部分憝爨，拜疑骧苇熊为嚣憝瓣技本潋造已 成为一个非常现实而重要的课题。因1 掰，寻找新的制冷方式，以减少对环境的破坏， 降低常勰能源豹消耗，并减轻温室效藏成为当前潮冷行垃所嚣对酌严竣挠茂。 在这种国际太环境下，吸附式制冷技术作为一种完金不用c f c 类物质的制冷技 术在国内外深深吸引了许多研究工作者。在最近几年来自法箧、德国、日本和意大 利的报道中，其结构与控制简单，运行费用低、无噪音、无环境污染且可有效利用 低品位热源等优点被不断证实，而且吻合了当前经济、能源、环境协调发展的总趋 势，是一种很有潜力的制冷方式。吸附式制冷系统的迅速发展提高了太阳能在制冷 领域的利用水平。太阳能是一种人类所能利用的最丰富、最清洁和最有希望的未来 能源。太阳能制冷因热量的供给和冷量的需求在季节和数量上的高度匹配而受到普 遍的重视。因此，在我国目前加强西部开发，增强环保意识的国内环境下，继续深 入研究太阳能吸附式制冷技术，在强化传热传质的基础上提高系统性能系数c o p 毫无疑问具有极为重要的发展意义。 1 2 太阳能制冷的研究展望 1 2 1 概述 随着传统常规能源的大量消费，天然资源条件更加恶化，石油、天然气将在二 本世纪消耗殆尽。同时，随着科学技术的进步和社会经济的发展，对能源的需求不 断扩大。常规能源对全球环境产生的严重危害，直接影响到人类的生存环境。尤其 是在本世纪科技日益高速发展的时代，人类越来越关注臭氧层的破坏和全球气候变 化等严峻的环境问题。一直以来，在冰箱、空调、热泵行业中广泛采用的c f c 和 h c f c 类物质对臭氧层的破坏作用以及温室效应严重威胁着地球的生态环境。这种 严峻的形势迫使人类发动一场新的“能源革命”。寻求新的制冷方式，其核心是开 发利用新的绿色能源和能源的清洁、高效利用。 太阳能的开发和利用是本世纪社会发展中的最具有决定性影响的5 项技术之 一，也是各国政府可持续发展战略的能源决策。太阳能是一种可持续利用、既清洁 又到处都有的能源。到达地面的太阳能远大于人类所需的能量。它具有无污染及运 行费用低等特点，在矿物燃料己存量不多和环境污染日益严重之时，太阳能的研究 和利用工作愈来愈受到世人的关注和重视，其实际应用也将得到推广。 1 2 2 太阳能制冷的发展前景 太阳能是世界上分布最广泛、最丰富的资源之一。我国在全球范围内属太阳能 资源较丰富的地区，每年到达地球表面的太阳辐射能为5 5 7x1 0 1 s m j ，相当于1 9 1 0 1 4 吨标准煤，约为目前全世界一次能源消费总量的1 5 6 1 0 4 倍。我国幅员广阔， 有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为 2 5 0 1 0 1 8 k j ，全国各地太阳年辐射总量达3 3 5 8 3 7 k j ( c m 2 a ) 。具有发展太阳能事业 的优越条件。太阳内部极端高温条件下氢聚变成氦的热核反应是太阳能的来源，按 照目前消耗的速率计算，还足以维持6 1 0 1 0 年计，可谓取之不尽，用之不竭。 世界上有许多国家都在作这方面的研究。我国7 0 年代开始对太阳能制冷技术 进行研究。1 9 7 8 年，美国沸石动力公司的d 1 t c h e m e v 建成了第一台以沸石一水 为工质对的间歇式太阳能吸附式制冷装置。随后，世界各国的学者发展了多种太阳 能制冷方式。随着对太阳能制冷技术研究的不断深入，太阳能制冷技术已经逐步向 实用化推进，发挥其节能、环保的优势，有着广阔的应用前景和价值。如北航利用 氯化钙一氨工质对等吸附式制冰机。华中理工大学、上海交通大学等采用活性炭一 甲醇工质对的固体吸附式制冷系统进行了深入研究。上海交大还研制了一种吸附式 制冰机，可实现典型条件下，每平米集热面积每天制冰5 7 k g ，还开展了利用太阳 能的低温干燥储量技术。另外，将太阳能吸附式制冷技术应用于家庭中央冷热联供 便是一个很好的选择，避免了家用分体式空调机无法提供新风，造成室内空气品质 很差的缺点。 近几年来，太阳能热水器在国内市场迅猛发展，全国太阳能热水器的使用量已 超过1 0 0 0 万平方米，每年增长超过2 0 0 万平方米，由此可见，太阳能热水器的市 场前景非常好。另外，随着经济的发展和人们生活水平的提高，空调的需求量也越 来越大。在一般民用建筑物中，空调的能耗占了一半以上，这给能源、电力和环境 带来了很大的压力。而火电的发展同时也带来废气排放，温室效应和酸雨等环境问 题；空调机的制冷剂( c f c 。) 还会对大气臭氧层造成破坏。而太阳能空调用的是清 洁的太阳能，无需开采和运输，制冷过程也没有污染环境的危险，系统本身符合环 境保护要求，同时也节省了电力和燃料，间接地减轻了环境的压力。太阳能空调的 应用完全符合可持续发展战略的要求。 另外，日照高峰期与冷量需求高峰期的一致性，日照丰富的地区与制冷空调需 求量的统一性，使人们对太阳能制冷的研究热情高涨。尤其是分散、缺电而夏天炎 热的地区，太阳能制冷空调更具有竞争性。所以说太阳能制冷的应用完全符合可持 续发展战略的要求。太阳能制冷成为一个极为诱人的研究领域，在节能、环保、绿 色制冷方面显示出无与伦比的优越性，展现出光明的应用前景。 1 3 固体吸附式制冷的研究进展 13 1 发展历程 最早记录的吸附制冷现象足在1 8 4 8 年f a r a d a y 发现氯化银吸附氨产生制冷。有 正式报道的吸附式制冷系统于上个世纪2 0 年代就己出现，h u l s e 成功地将以燃气为 热源、以硅胶- - s 0 2 为工质对的吸附式制冷系统应用于铁路运输冷藏车。当时这些 系统囚从效率和功率上无法与蒸气压缩式制冷系统竞争而未受到足够的重视。 ，0 年代的能源危机为吸附式制冷提供了个很好的发展契机，吸附制冷的理论 和实验研究进入了一个新的阶段。除了对多种吸附剂一吸附质工质对的性能进行研 究外，在强化吸附床传热传质和利用回热的多床连续制冷循环和多效复叠循环等方 面也进行了探讨。 自1 9 9 2 年巴黎首届国际吸附式制冷大会召开之后，吸附制冷的研究受到了国 际制冷界的普遍关注，进展较快。一些先进的连续吸附制冷循环，如连续回热型循 环、热波循环、对流热波循环和复叠式循环等被提出，并有详尽的热力性能分析， 使吸附制冷循环的效率得到了大幅度的提高；除了试验研究外，基于计算机的数值 模拟越来越多地被用于吸附制冷循环分析，并发展了多种计算模型；对非平衡条件 下的动态循环过程的研究正不断地深入；此外多用途( 热泵、储能等) 和多结构形 式的吸附制冷技术的发展等，开辟了吸附制冷更广阔的研究和应用领域。 近几年来，以太阳能或废气、废水余热为热源的热泵系统在冷藏、空调等方面 得到发展。在世界范围内，有大量的研究人员和机构投入到固体吸附制冷的理论和 实验研究工作之中。研究工作主要包括如下几个方面： ( 1 ) 吸附工质对的研究； ( 2 ) 循环方式的研究； ( 3 ) 对某一具体系统的制冷循环和性能的研究 ( 4 ) 吸附制冷实用性的研究： ( 5 ) 吸附床传热传质强化技术。 1 3 ，2 固体吸附制冷基本循环原理 英国的c i i t o p h 【2 1 对固体吸附制冷的基本原理作了清晰的论述。对于间断、简单 的基本循环，太阳能吸附制冷系统的工作过程可分为四个阶段，即等容加热过程、 的基本循环，太阳能吸附制冷系统的工作过程可分为四个阶段，即等容加热过程、 1 3 固体吸附式制冷的研究进展 1 3 1 发展历程 最早记录的吸附制冷现象是在1 8 4 8 年f a r a d a y 发现氯化银吸附氨产生制冷。有 正式报道的吸附式制冷系统于上个世纪2 0 年代就己出现，h u l s e 成功地将以燃气为 热源、以硅胶- - s 0 2 为工质对的吸附式制冷系统应用于铁路运输冷藏车。当时这些 系统因从效率和功率上无法与蒸气压缩式制冷系统竞争而未受到足够的重视。 ，o 年代的能源危机为吸附式制冷提供了一个很好的发展契机，吸附制冷的理论 和实验研究进入了一个新的阶段。除了对多种吸附剂一吸附质工质对的性能进行研 究外，在强化吸附床传热传质和利用回热的多床连续制冷循环和多效复叠循环等方 面也进行了探讨。 自1 9 9 2 年巴黎首届国际吸附式制冷大会召开之后，吸附制冷的研究受到了国 际制冷界的普遍关注，进展较快。一些先进的连续吸附制冷循环，如连续回热型循 环、热波循环、对流热波循环和复叠式循环等被提出，并有详尽的热力性能分析， 使吸附制冷循环的效率得到了大幅度的提高；除了试验研究外，基于计算机的数值 模拟越来越多地被用于吸附制冷循环分析，并发展了多种计算模型；对非平衡条件 下的动态循环过程的研究正不断地深入；此外多用途( 热泵、储能等) 和多结构形 式的吸附制冷技术的发展等，开辟了吸附制冷更广阔的研究和应用领域。 近几年来，以太阳能或废气、废水余热为热源的热泵系统在冷藏、空调等方面 得到发展。在世界范围内，有大量的研究人员和机构投入到固体吸附制冷的理论和 实验研究工作之中。研究工作主要包括如下几个方面： ( 1 ) 吸附工质对的研究： ( 2 ) 循环方式的研究； ( 3 ) 对某一具体系统的制冷循环和性能的研究； ( 4 ) 吸附制冷实用性的研究； ( 5 ) 吸附床传热传质强化技术。 1 3 ，2 固体吸附制冷基本循环原理 英国的c 舶p h 口1 对固体吸附制冷的基本原理作了清晰的论述。对于间断、简单 的基本循环，太阳能吸附制冷系统的工作过程可分为四个阶段，即等容加热过程、 定压加热脱附过程、等容冷却过程和定压冷却吸附过程。如图1 一l 【3 】，太阳能吸附制 冷系统的组成部分主要有吸附发生器、冷凝器、蒸发器以及一些相应的阀门和管道。 在晚上，吸附床被冷却时吸附蒸发器内的制冷剂，制冷剂蒸发带走热量产生制冷效 果。吸附饱和后，白天太阳能加热吸附床，使吸附床解吸。解吸出的制冷剂经过冷 凝器流入蒸发器。如此反复完成循环制冷过程。具体的工作过程简述如下( 性能参 数可见热力循环状态图l 一2 ) ： ( 1 ) 等容加热阶段循环从早上开始。关闭连接吸附发生器与冷凝器的阀门。 处于环境温度t 赴的吸附床在太阳辐射加热下升温，此时只有少量的工质脱附出来， 吸附率近似不变。由于整个吸附发生器处于密闭状态，吸附床内的压力随着温度上 升而不断升高，直至达到制冷工质在冷凝温度下的饱和压力p 。对应图1 2 中的过 程a - b 。 ( 2 ) 定压加热脱附阶段打开连接吸附发生器与冷凝器的阀门，在定压条件下 制冷剂不断的脱附出来，在冷凝器中冷凝，而后进入蒸发器。与此同时，吸附床温 度继续上升直到到达最高值1 也。对应图1 - 2 中的过程b - c 。 ( 3 ) 等容冷却过程傍晚时分，太阳辐射能减少，吸附床被冷却。关闭连接阀 门，吸附床在等容状态下冷却。内部的压力相应下降，到达蒸发温度下制冷剂的饱 和压力p e 。此过程中吸附率近似不变。对应图1 2 中的过程c d 。 蜘啪o r a t o r 图1 - 1 太阳能吸附式制冷机工作简图 f i g u r e1 - 1 t h e p r i n c i p l ed i a g r a mo f t h es i m p l es o l a ra d s o r p t i o nc y c l e 1 0 哕眦x zl 、 7 1 ，下 图卜2 循环热力图 f i g u r e1 - 2 p - t - xd i a g r a mo f t h es i m p l ea d s o r p t i o nc y c l e ( 4 ) 定压冷却吸附阶段再次打开阀门，蒸发器内的制冷剂因压强骤减而沸腾， 开始蒸发制冷过程。蒸发出来的气体被吸附床吸附。此过程一直进行到第二天早晨。 吸附过程会产生大量的热量，它们由冷却水或外界空气带走，吸附床最终回复到环 境温度t a 2 。从而开始新一轮循环。对应图1 - 2 中的过程d _ a 。 1 3 3 吸附方程 目前，绝大多数实用的吸附剂都是多微孔结构。1 9 4 4 年d u b i n i n 和 r a d u s h k e v i t e h 3 1 在p o l a n y i 吸附势能理论基础上，把微孔吸附视为体积填充过程，同 时假定孔径是高斯型分布，得到了著名的d r 方程。随后的近半个世纪，d - r 方程 被广泛地用于描述微孔固体对气体的吸附。但由于d - r 方程比较适用于同性或均匀 微孔结构的微孔固体，对于有很宽的微孔分布的吸附剂误差较大。同时由于d - r 方 程在描述微孔填充度或吸附量趋于零时存在不足，所以在低压下根据其得出的等温 线不符合h e n r y 定律( 吸附量与吸附压力成正比) 。 随后吸附方程的研究主要集中在对d r 方程的扩展和给出方程应用的理论基 础解释。d u b i n i n a s t a k h o v 进一步扩展了d r 方程”，提出了更通用的形式，得到 了d a 方程： 。酬x p 警门 ( 1 1 ) 式中x 为吸附量，是平衡吸附率，r 为吸附质气体常数，p 和p ，分别为压力和吸 附剂温度对应的饱和压力，e 。为吸附势，为亲和系数，由吸附剂和吸附质共同决 定。此处n 反映了吸附剂微孔直径的分布情况，r u d z i n s b 指出其涉及“异质因素”。 实际计算时可采用d - - a 方程的简略形式： x = x 。e x p t k ( ；一， “， c - 一z ， k 为常数，r 为吸附剂温度。t 为饱和压力对应的温度，吸附时等于蒸发温度 e ，解吸时等于冷凝温度疋。c r i t o p h 等使用此方程来进行吸附制冷模拟仿真【4 l ，取 得较理想的效果。 w a n g 等在d - a 吸附方程的基础上，以气体逸度代替压力对吸附势进行修正， 同时考虑了吸附质的极性和吸附剂表面孔径的分布，提出了适合于活性炭甲醇、分 子筛水等吸附制冷工质对的改进型吸附方程： x = x oe x p ( 一b o y ) - e x p ( y 2 a 2 2 ) - b e 矿( z ) 】2 ( 1 - 3 ) 其中z = ( ) ，一b o a 2 ) a 2 ，e 矿为误差函数。式中常数、b o 、可由吸附工质对 的实验确定。 该式所反映的是将吸附剂孔径假设成高斯分布形式所建立的吸附方程，并用一 系列实验数据进行比较验证，证明方程与实验数据吻合。而且，只需一条测试过的 吸附等压线就能较完美地应用于气体等压线和各种等温线。 1 3 4 吸附工质对 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。要根据实际热源温度 的高低选择适用的工质对，并根据实际的要求选择合适的制冷循环方式，才能有效 地发挥系统的作用。常用的吸附制冷工质对有：活性炭甲醇、活性炭乙醇、沸石 分子筛水、硅胶水、金属氢化物氢( 物理吸附) 和氯化钙氨( 化学吸附) 等。 活性炭甲醇是太阳能吸附制冷中应用最广泛的工质对，吸附解吸量较大，所需 的解吸温度不高( 1 0 0 。c 左右) ，吸附热也较低( 约1 8 0 0 2 0 0 0 k j k g ) ，甲醇的低熔 点( - - 9 8 ) ，使得系统可用于制冰，活性炭一甲醇工质对的最高解吸温度不能超过 1 5 0 c ，否则甲醇将分解，另外甲醇有毒，不利于其广泛应用。 沸石一水工质对的解吸温度范围较宽( 7 0 2 5 0 ) ，吸附热( 3 2 0 0 4 2 0 0k j k g ) 、 蒸发潜热( 2 4 0 0 2 6 0 0k j k g ) 均较大，沸石一水性质稳定，在高温下不起反应， 且经过多次吸附解吸后，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，这样，冷凝温度升高对制冷量和系统c o p 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 统的蒸发温度大于0 * c ，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。 1 3 5 吸附床传热传质的强化技术 吸附制冷与传统的压缩制冷最显著的区别是以吸附床代替了压缩机，它是影响 吸附制冷系统性能的最关键因素，因此对吸附床的研究是吸附制冷研究的重点。吸 附床的性能主要是由吸附床的传热传质特性决定的。吸附床中的传热强化，可以从 改善吸附介质的传热性能和采用先进的吸附床结构这两个方面来考虑。前者的主要 研究内容是研制具有高导热性能的复合吸附剂，后者则研究采用具有更好换热效果 的换热器。 还有一种大幅度提高吸附剂导热系数的方法是将颗粒状的吸附剂嵌入膨化的 石墨板中得到高导热吸附剂。如沸石颗粒与石墨复合吸附剂( s z a r y n s k i ，1 9 9 8 ) 的导 热系数达到了5w ( m - k ) ，硅胶与石墨复合吸附剂( e u u ，2 0 0 0 ) 的导热系数达到了 1 0 1 6w ( m k ) ，而硅胶颗粒床导热系数仅为0 1 4 o 2 6w ( m k ) 。 在换热器方面，近年来人们已对多种采用不同换热器的吸附床结构进行了分 析，如板翅式换热器、螺旋管式换热器、壳管式换热器、热管换热器等，目前还很 难说哪一种换热器更适用于吸附床，只能根据具体条件进行选择。 在吸附式制冷系统中，吸附床内传热传质强化包括改善吸附介质的传热性能和 设计先进的吸附床结构这两个方面。主要是通过提高吸附器金属壁与吸附剂的接触 程度，增强吸附剂的导热能力，改进吸附器结构来增加有效换热面积，达到强化吸 附床传热传质性能的目的。近年来，关于吸附床内传热传质强化的研究主要有以下 几方面： ( 1 ) 吸附剂导热性能的强化 1 ) 提高吸附床层堆积密度 吸附剂颗粒之间的空隙率比较大，不利于吸附剂之间的传热。提高吸附床层堆 积密度，降低床层空隙率，可提高床层的有效导热系数。g u i l l e m i n o t j j 将大小不均 匀的吸附剂颗粒放于吸附器内，经过测定，分子筛导热系数提高2 2 ，活性炭导热 系数提高3 5 。朱冬生等将沸石复合物和粘接剂按一定的比例混合压制，得到堆积 密度不同的块状吸附剂，研究其组成的吸附床的导热系数变化情况。研究表明： 随着堆积密度的增加，有效导热系数随之提高；有效导热系数比自然堆积状态提 高3 0 。 2 ) 添加金属导热物质 金属的导热能力远远大于非金属导热能力，在吸附床内将吸附剂颗粒与导热性 能较好的金属粉末或石墨混合，可使床层的有效导热系数提高。g r o l l 首先将导热性 能良好的铝粉和石墨加入吸附介质中，增强导热性能。g u i l l e i n o tj j 等用镍薄片或铜 薄片与x 型沸石分子筛混合，使导热系数提高1 倍。e l t o m i m 在吸附床内加热铜粉 后，活性炭的导热系数提高了2 2 5 。 3 ) 形成固化的复合吸附剂。 将粉状或颗粒状的沸石或活性炭与粘接剂复合成块状复合吸附剂。如朱冬生将 沸石粉与导热良好的高分子材料聚苯胺复合加热沸石制成复合吸附剂的导热系数 为0 2 4 w ( m k ) ，比沸石颗粒( 九= o 0 9w ( m k ) 、x o = 2 5 ) 提高了3 倍；最大 体积吸附率为3 0 。方利国等将聚苯胺等高导热性材料与沸石制成聚苯胺沸石 复合物，测得由其制备的吸附剂的导热性能较沸石提高了8 1 6 倍。 4 ) 降低接触热阻 在吸附床内，球形或柱状颗粒吸附剂与金属壁面之间的接触热阻对吸附床的传 热过程影响很大。为了减小这种热阻，除了尽可能使吸附换热器表面光洁外，应该 设法使吸附剂与换热器表面紧密接触。c a c c i o l ag 根据吸附床内真空特性，将金属 管壁牢牢地压在吸附剂上，强化吸附剂与管壁接触的程度，减小接触热阻。 t a m i n o t t i l t o 将吸附剂直接固化在管壁上，提高传热性能。r e s t u c e i a 等研制了紧贴 于金属肋片的沸石与a i ( o h ) 。的复合薄层，其导热系数九= o 4 3 w ( m k ) ，最大体 积吸附率而= 2 2 ，薄层厚度为2 m m 。m a u r a ns 等在c a c l 2 中添加石墨并经固结 处理后，使吸附床的导热系数由0 1 o 3w ( m 2 k k ) 提高到4 0w ( m 2 k ) 。 ( 2 ) 吸附床结构传热强化 固体吸附式制冷系统要求吸附床具有良好传热能力和较短循环周期，同时还要 考虑吸附器制造成本与加工技术。吸附器的结构对吸附床传热传质特性有很大影 响。吸附床传热过程的强化主要通过强化吸附换热器的传热面积( 如使用翅片、肋、 板式换热器等) 来实现。目前用于吸附制冷系统研究的吸附器主要有以下几种类型。 1 ) 翅片管式吸附器翅片管式吸附器是由大量很薄的翅片及穿插在其中的蛇 形管组成。它的优点是结构简单，造价低廉，在空调中使用广泛。它最大的缺陷就 是翅片和吸附器之间难以很好接触，故换热系数不高；由于进出加热( 冷却) 流体 存在较大温差，吸附器温度很难均匀分布。 2 ) 管式吸附器板式吸附器能够利用金属壁两侧加热或冷却流体与吸附剂之 间的压力差使吸附剂与金属壁面接触良好，在一定程度上降低了接触热阻，还具有 较大的换热面积。常用的有平板式、蛇形板式和螺旋板式。 3 ) 管翅式吸附器在管翅式吸附器中，用粘接剂将吸附剂对称地涂敷在管外 金属翅片两侧。它的优点是吸附质的蒸发潜热主要由金属翅片传导，大大降低了接 触热阻，加快吸附剂解吸速率。 4 ) 热管式吸附器将热管换热器置于吸附器中心来加热( 冷却) 吸附剂，并 在热管上安装肋片，大大提高了传热传质性能，使吸附器内温度场尽可能均匀一致。 热管换热器与传统换热器( 板式换热器、管翅式换热器等) 相比，其具有结构紧凑， 金属耗用量小，传热传质优良等特点。 由此可见，通过改变换热器结构可在不同程度上强化吸附床的传热传质。目前 还很难说哪一种换热器更适用于吸附床，应根据工质对性质和制冷循环方式等具体 条件进行选择。 1 3 6 高效吸附制冷循环 在吸附式制冷技术的开发和研究过程中，为实现连续循环，尽可能回收吸附剂 脱附热，提高系统的能量利用率，人们提出了多种较为先进的循环方式。研究比较 多的主要有连续回热式、热波式、对流热波式、双效或三效复叠式等 j 】。 ( 1 ) 级联循环 级联循环是回热循环的方式之一，回热循环依靠吸附床之间的能量交换来实现 1 0 显热和吸附热等热量的回收，不仅可以实现连续制冷，而且可以提高系统的c o p 。 级联循环的理论基础是假定循环过程中，整个床的温度分布均匀，即吸附床温度只 与时间有关。级联循环采用多个床串联，实现能量的梯级利用，降低吸附床间的平 均传热温差，提高回热效率。它要求吸附换热器具有足够大的换热系数。这种循环 系统的c o p 随吸附床数增加而提高，d o u s sn 通过计算指出，采用无穷多个吸附床 的级联循环吸附制冷系统，其c o p 可达到1 8 5 ，相当于6 5 的理想卡诺循环效率。 m e u n i e r f 使用了不同的工质对，进行了级联吸附制冷循环研究。经测试，系统c o p 为1 0 6 ，制冷功率为6 7 w k g 吸附剂。v i c h a nt k 等采用板式吸附床建立了连续回 热型系统，其工质对为硅胶一水，每只吸附床中吸附剂为1 5 0 k g ，循环时间1 2 m i n 左右，计算c o p 为0 6 6 ，计算制冷功率1 5 0 m j h 。 ( 2 ) 热波循环 热波循环也是回热循环方式之一，其理论基础是假设吸附床的温度是不均匀 的，在热媒流动方向上形成一个温度梯度，称之为热波。s h e l t o ns v 认为，在吸附 床中，如果能使床温在与热媒流动方向相垂直的方向上保持一致，而在热媒流动方 向上产生一热波，则能大大地提高回热效率。设法使处于冷却阶段的吸附床中的高 温热量储存下来，提供给需要热量加热的吸附床使用。计算表明：加热吸附床所需 能量的8 0 都可由回收另一吸附床的热量获得。s h e l t o n sv 还分别以方波法和斜波 法研究了采用沸石一氨为工质对的双床回热系统，c o p 达0 6 o 8 。法国c n r s 研 究所最近报道，热波循环系统c o p 的试验值已达到了0 9 1 0 ，其吸附器直径 5 0 m m ，内含1 7 k g 沸石石墨复合吸附剂，循环时间为1 0 7 m i n 。f u u e r t a 等采用 螺旋板式吸附床对热波循环作了传热学和热力学分析。 t c h e m e vdi 提出了双床回热热波循环。两个吸附床的操作步骤正好相反，一 个吸附床冷却时另一个吸附床正好加热，两床交替工作于吸附与解吸之间。可逆泵 驱动油在吸附床中流动。处于冷却过程的吸附床的热量被油移出，去加热处于加热 过程的吸附床，从而构成回热。t c h e m e vdi 实验测得此热波回热循环系统c o p 达 到1 2 ，前提是采用了高效的发生器。 ( 3 ) 对流热波循环 对流热波循环是采用吸附床内强迫对流，改善吸附床传热传质性能的循环方 式。利用制冷剂气体和吸附剂间的强制对流，例如：使用循环泵将氨等高压制冷剂 蒸汽直接加热、冷却吸附剂可获得较高的热流密度。因吸附床内的传热条件良好， 在较短时间内就可将吸附床加热或冷却到预定温度。英国c r i t o p h 对该循环研究表 明：其制冷循环c o p 可达到0 9 0 ( 吸附床直径2 5 0 m m ，长5 0 0 m m ，蒸发、冷凝和 脱附温度分别为5 c 、4 0 和2 0 0 ) 。c r i t o p h 自提出对流热波循环后系统地进行了理 论分析，并于1 9 9 9 年建成了试验样机。虽然离他的理论分析还有很大距离，但基 本上证明了对流热波循环的可行性。他的试验结果表面，对流热波型吸附式空调系 统样机c o p 达到了0 5 7 0 7 9 的水平，他所设计的系统预计制冷量为5 k w ，然而 目前为止尚只实现了1 0 7 1 4 9 k w 。 ( 4 ) 吸附一吸收联合制冷循环 由高温热源驱动吸附制冷系统，利用其回热与低温余热驱动吸收式制冷系统， 而形成两级或三级的联合制冷循环。如以n i c l 2 - n h 3 吸附式制冷( c o p = 0 2 7 ) 与 沸石一水双床吸附式制冷( c o p = 0 5 0 ) 为高级循环，以溴化锂一水吸收式制冷( c o p = o 7 5 ) 为基极循环的联合制冷循环，总理论c o p 可到1 5 2 ；以金属氢化物吸附 制冷为高级循环，以硅胶一水或溴化锂一水为基极循环理论效率可望达到1 5 以上。 1 4 本论文研究的意义及主要内容 1 4 1 研究的意义 太阳能是一种可持续利用、既清洁又到处都有的能源。太阳能制冷因热量的供 给与冷量的需求在季节上和数量上的高度匹配而受到普遍的重视。太阳能驱动的固 体吸附式转轮制冷机就是在固体吸附制冷技术和吸附床传热传质技术的基础上提 出的一种兼有级联循环和对流热波循环的优点，可实现高效热回收和连续制冷过程 的制冷方式，在国际上具有首创性。采用太阳能驱动，这不仅对电力的紧张供应可 起到减缓作用，而且能有效利用太阳能。另外，该吸附式制冷系统不采用氟氯烃类 制冷剂，无c f c s 问题，也无温室效应作用，其结构简单、运行费用低、无噪音、 无