（化工过程机械专业论文）吸附式制冷系统中肋板式吸附床性能研究.pdf

硕士学位论文 摘要 吸附式制冷是一种环境友好的绿色制冷技术，在低品位能源利用和环境保护方面 有着显著的优势，受到学术界的广泛重视，研究不断深化。吸附床是吸附式制冷系统 中核心部件，设计简便及高效率的吸附床是吸附式制冷的关键。本文针对吸附床传热 传质性能差等缺点，研制了肋板式吸附床，并对该吸附床进行了系统的理论分析、数 值模拟和实验研究。具体内容包括： ( 1 ) 综述了吸附式制冷系统的发展现状；从常用的吸附工质对的性能、吸附制 冷系统的循环方式和吸附床的结构等方面总结了吸附制冷技术的研究进展；讨论几种 强化技术和方法。 ( 2 ) 从常用的吸附工质对的性能进行比较分析，选取活性炭氨为本装置的最佳 的制冷工质对。分析了几种典型的结构吸附床，指出了吸附床设计应解决的关键问题， 并总结出吸附床设计的约束条件，在此基础上，设计了一种新型结构的吸附床。该吸 附床的结构紧凑，承压能力好，传热传质效率高，吸附剂装填量大，床内温度场均匀。 ( 3 ) 本文对活性炭氨为工质对的固体吸附式制冷循环进行了热力学的探讨，对 吸附床内的传热传质过程进行了分析，建立了吸附床动态传热过程的数学模型。利用 有限差分法对无因次传热方程进行求解，利用m a t l a b 编程语言，编写了模型的计算 程序。 ( 4 ) 采用c f d 软件f l u e n t 对肋片通道的传热和流动进行数值模拟。在不考 虑吸附质的解吸或吸附，只考虑吸附床和加热水或冷却水的显热交换，研究其加热和 冷却效果。通过数值模拟，获得了吸附床温度分布在解吸过程中随不同工况的变化曲 线，分析了吸附床结构、吸附剂的传热系数对系统性能的影响，为进行吸附床内传热 的优化分析提供了依据。 ( 5 ) 建立了吸附式制冷实验系统，对肋板式吸附床在不同热源条件下的基本性 能参数进行了测试，得出了一些制冷工况参数对吸附床传热性能及c o p 影响的关系 曲线，这些曲线的确立对今后系统的设计和试验具有指导意义。测试结果表明，在冷 却水温度为2 8 ，热水温度8 5 ，冷冻水温度1 4 的条件下，c o p 为0 2 7 2 8 。 关键词：吸附制冷肋板式吸附床数值模拟强化传热试验研究 a b s t r a c t a b s t r a c t a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ni s ak i n d o fe n v i r o n m e n t a lf r i e n d l yg r e e nr e f r i g e r a t i o n t e c h n o l o g y i t sm a j o rs u p e r i o r i t yi st h ec a p a b i l i t yo fu s i n gl o w - g r a d et h e r m a le n e r g ya n d e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，s o i th a sb e e ng e n e r a l l yr e g a r d e da so n eo ft h ep r i m a r y t e c h n o l o g i e sf o ra l t e r n a t et oc o n v e n t i o n a lc f c sc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m si nt h e 21s t c e n t u r y ，w h i c hh a sa t t a c h e di m p o r t a n c et oa c a d e m i ca r e aa n dt h er e s e a r c hi s d e v e l o p e dd e e p l y a d s o r b e n tb e di s t h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h ea d s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，i ti sc r i t i c a lt ot h ea 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 mt h a td e s i g no f p o r t a b l ea n dh i g h - e f f i c i e n c ya d s o r b e n tb e d a st ot h ep r o b l e m so fl o wh e a tt r a n s f e ro f a d s o r b e n tb e d ，t h ef i n - p l a t ea d s o r b e n tb e dw a sd e v e l o p e da n dt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ， n u m e r i c a ls i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a l l ys t u d i e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t e n t sw e r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h es t a t e o f - a r to fa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nw a sr e v i e w e d ；t h ep r o g r e s so f r e s e a r c h e so na d s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o nw a sp r e s e n t e d ，e s p e c i a l l yt h es t u d i e so nt h e p e r f o r m a n c eo fs o m eu s u a l l yu s e dw o r k i n gp a i r s ，c y c l e so fa 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 a n dt h es t r u c t u r eo fa d s o r p t i o nb e d s ；s o m ee f f e c t i v e t e c h n i q u e sa n dm e t h o d sw e r e d i s c u s s e d ( 2 ) c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs o m eu s u a l l yu s e dw o r k i n gp a i r s ，t h e a c t i v ec a r b o n a m m o n i aw a ss e l e c t e da st h eb e s tr e f r i g e r a t i o nw o r k i n gp a i r si nt h i st h e s i s s e v e r a lt y p i c a ls t r u c t u r ea d s o r b e n tb e d sh a db e e na n a l y z e d ，t h ek e y p r o b l e m sw h i c hs h o u l d b es o l v e di nd e s i g n i n ga d s o r b e n tb e dh a db e e ni n d i c a t e da n dt h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n so f d e s i g n i n ga d s o r b e n tb e dh a db e e ng e n e r a l i z e d b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，an e ws t y l e s t r u c t u r ea d s o r b e n tb e dh a db e e nd e s i g n e d ，w h i c hh a ss o m ec h a r a c t e r sa sf o l l o w s ：c o m p a c t s t r u c t u r e ，g o o dp e r f o r m a n c ei nb e a r i n gs t r e n g t h ，h i g he f f i c i e n c yi nh e a t & m a s st r a n s f e r ， g r e a tp a c k i n ga m o u n to fa d s o r b e n t ，a n du n i f o r mt e m p e r a t u r ef i e l di nt h eb e d ( 3 ) i nt h i st h e s i s ，t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c e sa n dt h e r m o d y n a m i c m e c h a n i s mo fs o l i da d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i n gs y s t e mu s i n ga c t i v ec a r b o n - a m m o n i aa s w o r k i n gp a i r sw e r ei n v e s t i g a t e d t h em a t h e m a t i cm o d e lf o rt h ed y n a m i co p e r a t i o no ft h e h e a tt r a n s f e rw a sb u i l t t h en o n d i m e n s i o n a lh e a tt r a n s f e re q u a t i o nw a ss o l v e db yu s i n g i i 硕士学位论文 f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dt h ec a l c u l a t i o np r o g r a mo ft h em o d e lw a sm a d eb yu s i n g p r o g r a m m i n gl a n g u a g e m a t l a b ( 4 ) t h eh e a tt r a n s f e ra n df l o wo fp l a t e - f i nc h a n n e lw a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e db y a d o p t i n gc f ds o f t w a r ef l u e n t w i t h o u tr e g a r d i n gt ot h ed e s o r p t i o na n da d o p t i o no f a d s o r b a t e ，a n do n l yc o n s i d e r i n gt h es e n s i b l eh e a tt r a n s f e ro fa d s o r b e n tb e d ，h e a t i n gw a t e r o rc o o l i n gw a t e r ，t h ep e r f o r m a n c eo fh e a t i n ga n dc o o l i n go fa d s o r b e n tb e d w a ss t u d i e d t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ec u r v eo ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc h a n g i n ga sd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n s i n d e s o r p t i o nw a so b t a i n e d ；t h e e f f e c t so ft h ea d s o r b e n tb e d c o n f i g u r a t i o n ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h ea d s o r b e n to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m w e r ea n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e dt h ef o u n d a t i o nf o ro p t i m i z a t i o na n a l y s i so ft h eh e a tt r a n s f e r i na d s o r b e n tb e d ( 5 ) a ne x p e r i m e n t a la 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 a se s t a b l i s h e d t h eb a s i c p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ff i n - p l a t ea d s o r p t i o nb e dd r i v e nb yd i f f e r e n th e a ts o u r c ew e r e t e s t e d s o m ec u r v e sa b o u tt h ei n f l u e n c eo fr e f r i g e r a t i o no p e r a t i n gp a r a m e t e r so nt h e p e r f o r m a n c eo fa d s o r b e n tb e da n dt h ec o pw e r eo b t a i n e d ，w h i c hw o u l dh a v et h e s i g n i f i c a n ti n s t r u c t i o nt ot h ef u t u r ed e s i g n sa n dt h ee x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ec o p ( c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ) o ft h ec h i l l e ri s0 2 7 2 8u n d e rt h ec o n d i t i o n s o f8 5 0 ch o tw a t e rt e m p e r a t u r e 2 8 0 cc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r ea n d14 。cc h i l l e dw a t e r i n l e tt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ；f i n - p l a t ea d s o r b e n tb e d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i i i 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 吸附式制冷的发展历史2 1 3固体吸附式制冷的研究现状4 1 3 1 吸附制冷工质对4 1 3 2 吸附式制冷循环9 1 3 3 吸附床传热传质的研究1 1 1 3 4 非平衡吸附问题1 2 1 4 本文的主要工作1 2 参考文献“1 3 第二章吸附式制冷循环的研究及吸附单元的数值模拟2 1 2 1 基本型吸附式制冷循环2 1 2 2 单级吸附式制冷循环的热力学计算2 3 2 3多孔介质传热传质理论2 6 2 3 1 吸附方法2 6 2 3 2 吸附过程的质量和热量传递过程2 7 2 4 吸附单元数学模型的建立- - 一2 9 2 4 1 数学模型建立的方法2 9 2 4 2 吸附床的传热模型一31 2 4 3 肋板式吸附床传热的数学模型3 3 2 5 吸附单元模型的数值求解3 5 2 5 1 方程的无因次化处理3 5 2 5 2 离散化方法3 6 2 6 计算结果与讨论分析3 6 目录 2 7 本章小结3 7 参考文献一3 7 第三章吸附床传热性能的数值模拟4 1 3 1 吸附床的设计4 1 3 1 1 设计依据和基础数据4 1 3 1 2 吸附床的选型4 2 3 2 肋板式吸附床传热性能的数值模拟4 5 3 2 1 多孔介质传热传质过程的表述4 5 3 2 2 肋板式吸附床传热与流动控制方程4 5 3 2 3 几何模型4 7 3 2 4 理论假设4 8 3 2 5 边界条件和初始条件4 8 3 2 6 数值模拟结果与分析4 9 3 3 多种吸附床的性能数值模拟5 4 3 3 1 几何模型5 4 3 3 2 吸附床数学模型5 4 3 3 3 边界条件5 5 3 3 4 计算结果分析5 6 3 4 本章小结5 9 参考文献”5 9 第四章吸附式制冷系统设计及试验研究6 1 4 1 系统设计参数的确定及主要部件的设计- 6 1 4 1 1 系统设计参数的确定6 1 4 1 2 系统主要部件的设计6 1 4 2 吸附式制冷系统的系统描述6 4 4 2 1 系统组成6 5 4 2 2 制冷系统回路的描述6 8 4 3 试验前的准备工作6 8 4 3 1 试验设备的安装与检漏6 8 硕士学位论文 4 3 2 吸附剂的填装6 9 4 3 3 充灌氨气6 9 4 4 试验步骤7 0 4 4 1 加热再生7 0 4 4 2吸附制冷7 0 4 5 试验结果讨论与分析7 0 4 5 1 实际循环的c l a p e r y o n 图7 0 4 5 2 换热流体温度对系统的影响7 1 4 5 3 换热流体流速对吸附床传热的影响7 3 4 5 4 蒸发温度对系统性能的影响7 4 4 5 5 系统制冷功率和c o p 的修正7 4 4 6 试验结果与数值计算比较7 6 4 7 本章小结7 7 参考文献一7 8 第五章结论与展望8 0 5 1 论文主要结论8 0 5 2 论文工作创新之处8 1 5 3 前景展望81 在读期间发表的论文8 3 致谢8 4 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 吸附操作是通过多孔固体物质与某一混合组分体系( 气体或液体) 接触，有选择 地使体系中的一种或多种组分附着于固体表面，从而实现特定组分分离的操作过程。 吸附过程发生在“气固”或“液固非均相界面。由于吸附过程伴随着能量的传递， 因此在吸附制冷和吸附热泵，太阳能和余热等低品位能量的利用，以及蓄热等领域中 得到了广泛应用。 随着世界经济的发展和全球工业化的影响，能源危机和环境恶化情况日益明显， 人们对环境保护和能源有效利用的认识有了进一步的提高。寻求经济发展、能源及环 境消耗的相互协调，实现可持续发展战略的观念，正成为各国政府和人民的共识，发 展节能和环保的新技术也成为学术界研究的新热点。 在环境保护方面，保护臭氧层是一个迫切的问题。制冷机中广泛采用的氯氟烃类 制冷剂( 简称c f c 和h c f c ) ，由于对臭氧层的显著耗散作用，削弱了对太阳光紫外 线的阻挡，直接威胁人类健康。根据哥本哈根会议对蒙特利尔协议书的修订意见， c f c 和h c f c 物质对臭氧层有破坏作用以及产生温室效应而正面临这逐步禁用的严 峻挑战，我国政府也于1 9 9 3 年2 月制定了中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案。 因此，为了解决这一迫切问题，制冷学界正致力于寻找c f c s 的替代物以及新型的制 冷系统。 能源问题是人类发展面临的另一个重大问题。从热力系统经济性和社会性来看， 在化工、石油、化肥等工业领域以及移动式交通工具上，动力设备热效率大多低于 3 5 ；废热的排放不仅浪费了能源还造成了环境的热污染。与此同时，世界范围内的 热能利用率约为4 0 ，大部分以7 0 , - - , 5 0 0 。c 的废热形式排放掉。在我国，每年1 0 0 - - 2 0 0 。c 的废热排放量折合标准煤达上千万吨。自7 0 年代中东战争引起石油危机以来， 能源问题成为举世瞩目的重大问题。解决世界能源问题的重要途径是开源节流：开发 新能源，特别是各种可再生能源( 包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能等) 的开发和利用，同时，也更加注意提高能源的有效利用率，如各种余热的回收利用。 国家中长期科技发展规划中已经明确将余热与余压的利用和发展冷热电联产的分布 式能源系统作为未来能源高效利用的重要途径。从制冷与空调行业来看，更重视余热 1 第一章绪论 利用系统、中低温能源利用新技术研究以及太阳能、风能、地热能等可再生能源的合 理开发利用。 作为一种绿色的制冷技术，吸附式制冷吻合了当前能源、环境协调发展的总趋势。 从能源利用角度讲，吸附制冷系统的驱动力可以利用较低温度的太阳能、工业废热等 低品位能源，从而实现了能源的梯级利用，提高了热机的能量利用效率。从环保的角 度讲，固体吸附式制冷系统密封。可以使用水、甲醇、氨等无公害自然工质为制冷剂， 臭氧层破坏系数( o d p ) 和温室效应系数( g w p ) 均为零，消除了对生态环境的不良影响， 适合当前环保要求，是一种环境友好型制冷方式。从2 0 世纪7 0 年代中期以来，吸附 式制冷受到重视，研究不断深化。 吸附式制冷技术正是在这种背景下，近年来得到了广泛的重视和大力的发展。它 具有结构简单、无运动部件、运行费用低、噪音低、寿命长等优点，同时具有使用范 围广，可用于振动、倾颠或旋转等场所，能有效地利用低品位热源的优点。在最近几 年来自法国、德国、日本和意大利的报道中，其优点被不断证实。但与压缩式及吸收 式制冷相比，吸附式制冷还不太成熟，主要问题在于：固体吸附剂为多孔介质，比表 面积大，导热系数很低，因而吸附解吸所需时间长，单位质量吸附剂的制冷功率较 小，使得吸附制冷机尺寸较大；吸附制冷虽然可以采用回热，然而仍有大量的热量损 失，使得系统的c o p ( c o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e 性能系数) 不够高。从目前的研 究来看，吸附式制冷是太阳能利用和其他低品位热源利用的最有效工具，随着对吸附 式制冷认识的深入，以及各种新型工质对的出现和工艺的创新，新型高效循环的提出 和系统的优化，吸附式制冷作为一种很有潜力的制冷方式将在2 l 世纪制冷技术中发 挥重要作用。 1 2 吸附式制冷的发展历史 1 8 4 8 年，f a r a d a y 发现氯化银吸附n h 3 产生制冷，这是最早记录的吸附制冷现象。 2 0 世纪2 0 年代，h u l s e 提出了硅胶二氧化硫系统( 用于火车制冷) 。这个系统以燃 烧丙烷为热源，采用空气冷却，可以达到一1 2 。c 的制冷温度【l 】；p l a n k 和k u p r i a n o f f 在 1 9 2 9 年也曾介绍了活性炭甲醇吸附式制冷系统。自从1 9 3 0 年起的一些技术创新和进 步改变了人工制冷的进程，例如氟利昂制冷剂的出现、全封闭压缩机的研制成功等， 使压缩式制冷得到了迅猛的发展，吸附式制冷技术在商业上根本无法与高效的c f c s 系统相竞争，因而其发展在一段时期内没有得到足够的重视。 硕士学位论文 2 0 世纪7 0 年代的能源危机为吸附式制冷技术的发展提供了契机，吸附制冷的理 论和实验研究进入了一个新的阶段。吸附式制冷因为可利用低品位热源，在余热利用 和太阳能利用方面具有独到的优点。2 0 世纪9 0 年代，氟利昂对大气臭氧层的破坏及 二氧化碳所造成的温室效应这两个问题严重地威胁着人类的生存与发展。c f c s 问题 困扰着传统的蒸汽压缩式制冷技术并且对其造成的压力越来越大，这为无氟制冷技术 吸附式制冷技术的发展再次提供了良好的机会。吸附式制冷技术在热泵、船舶制冷、 汽车空调等场合的应用得到了广泛研究【2 刮。 自1 9 9 2 年巴黎首届国际固体吸附式制冷大会召开后，吸附式制冷的研究受到了 国际制冷界的普遍关注，研究进展迅速加快，研究力量也更加集中。国外的研究由于 起步早，总体研究水平比较高。典型的如法国的m e u n i e r 、p o n s 7 1 0 1 及意大利的 c a c c i o l a 1 1 1 4 】、英国的c r i t o p h 1 5 17 1 、美国的s h e l t o n 1 8 2 1 1 ，还有白俄罗斯的v a s i l i e v 2 2 , 2 3 】 等。国内的研究相对起步较晚，跟国外的研究水准相比也还有一定得差距。华南理工 大学的谭盈科2 4 2 7 1 、南京大学的严爱珍等，在2 0 世纪8 0 年代就开始对吸附式制 冷进行了研究，是国内比较早的吸附式制冷研究者。上海交通大学的王如竹自1 9 9 3 年以来在吸附式制冷研究方面作了大量工作，也取得了一些标志性成果，引起了国内 外学术界的普遍关注2 9 训】。 早期的研究工作发现，基于基本循环的吸附式制冷系统存在着许多需要改进的地 方，主要是吸附式制冷过程是非连续的，吸附剂对制冷剂的吸附和解吸容量、速度与 系统内部尤其是吸附床的传热传质特性等相关。这些问题正是导致吸附式制冷系统的 c o p 不高、制冷功率不大的主要原因。因此，其后的研究工作主要围绕这些问题的 解决而展开。至1 9 9 2 年的大多数文献，从理论上对各种循环进行了分析和模拟，着 重研究了各种循环参数对循环特性的影响关系【3 2 3 4 1 。在为数不多的先进循环系统中， 一些先进循环得以实现，其优越性、可行性及巨大的潜力得到证实【3 5 3 7 1 。在系统设 计中，传热传质的改善一直受到很大的重视，也有不少文献从理论上对此问题作了分 析3 8 枷】，但多数研究者侧重于实际应用，因此对各种有利于提高传热传质性能和更 好实现连续循环的吸附床的设计也是这一研究阶段的重要内容【4 1 州】。理论分析与实 验研究相结合是这一研究阶段的特点。2 0 0 3 年日本的前川公司生产硅胶水吸附式制 冷机组，该机组利用7 5 的热水驱动，生产1 4 的冷水，c o p 可以达到0 6 。2 0 0 5 年在美国丹佛召开的国际吸附、吸收热泵会议上，吸附式制冷的工业化应用已经出现。 德国克曼斯的马尔特斯医院首次安装了一个冷热电三联供的吸附系统，系统中热量收 3 第一章绪论 集器收集燃料电池的废热及太阳能的热量，通过吸附式制冷机实现冷热联供，其中吸 附式制冷设备的制冷量为1 0 5 k w 。上海交通大学在2 0 0 5 年成功研制了采用分离热管 型低温热源驱动的吸附式制冷机。该机组采用6 5 。c 热水驱动，可以获得6 k w 制冷量， 御可以达到0 3 5 。 1 3固体吸附式制冷的研究现状 吸附式制冷技术研究的主要内容为吸附剂制冷剂工质对的性能研究、各种循环 的热力特性研究、系统内的传热传质研究以及吸附床的设计和改进研究。从吸附式制 冷系统的适用对象来看，研究工作主要围绕余热利用和太阳能利用进行。在研究方法 上，分为理论方法和实验方法。 1 3 1 吸附制冷工质对 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，吸附制冷工质 对的热力性质对系统性能、设备材料、一次性投资等影响颇大，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。 1 3 1 1吸附剂 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3 0 1 0 0 间对温度比较敏感；( 3 ) 吸附力小，再生温度低，活化后吸附物的残余量较少：( 4 ) 吸附热小，循环的经济性高；( 5 ) 吸附速度快，较易达到吸附平衡；( 6 ) 比热容小， 可以降低系统显热，提高热量的利用率；热传导性好，可以缩短循环周期；( 7 ) 能再 生和多次使用，来源充足，价格便宜。工业上采用的物理吸附剂大致有分子筛、活性 炭、硅胶和活性碳纤维等一些多孔性物质；化学吸附剂目前以氯化钙、氯化锶为最佳。 4 硕士学位论文 其中分子筛的吸附解吸热较高，解吸温度较高，可达2 5 0 3 0 0 ，而且可以加热 到5 0 0 以上而不破坏它的吸附能力。分子筛一水吸附工质对常用于中高温余热的回 收。活性炭的性能很稳定，在无氧时可加热到1 0 0 0 以上而不会变性。活性炭具有 非极性的表面，为疏水性亲有机物质的吸附剂，其吸附热相对于其他的吸附剂较低， 而且吸附剂再生时的耗能也比较低。活性炭的比表面积可达到6 0 0 2 0 0 0 m 2 g ，而制 成的活性炭纤维比表面积可达到1 0 0 0 3 0 0 0 m 2 g 。硅胶对水具有极强的吸附作用，被 大量用于脱水和干燥方面。硅胶的使用温度限制在1 2 0 以下，因为当温度过高时， 硅胶中的结合水蒸发掉以后，硅胶就失去了吸附作用。 1 3 1 2 制冷剂 温度范围、工作环境( 工业用、商业用、家用) 、输出功率等对制冷剂有不同的 要求。一般来说，对制冷剂的要求是：单位容积汽化潜热大、热稳定性好、无污染、 无毒、分子量小、不易燃、压力范围为0 1 0 5 m p a ( 最好在2 6 3 k 到3 5 3 k 的温度范 围内其蒸气压力接近l a t m ) 。常用的制冷剂包括：水、甲醇、氨。表1 2 是一些常见 的制冷剂的物理特性。 第一章绪论 表1 - 2 常用制冷剂及其物性 t a b l e1 - 2p r o p e r t yo fc o m m o n l yu s e dr e f r i g e r a n t 表1 2 中制冷剂可以按正常沸点在1 0 以下和1 0 以上分为高压制冷剂和低压 制冷剂两类。甲醛的热稳定性差，因此高压制冷剂中只有二氧化硫和氨性能最好。氨 是目前应用最为广泛的一种制冷剂，主要用于制冰和冷藏制冷。氨作为制冷剂的优点 是单位容积制冷量大，蒸发压力和冷凝压力适中，当冷却水温度高达3 0 时，冷凝 压力仍不超过1 5 m p a ，只要蒸发温度不低于3 3 4 ，蒸发压力总大于1 个大气压， 蒸发器内不会形成真空。低压制冷剂中，氰化氢有剧毒；乙醇和甲醇相似但性能不如 甲醇好，因而不予考虑，因此，低压制冷剂中只有甲醇、二氧化氮、氰甲烷和甲胺的 性能好。甲胺有剧毒，相比之下，水是比较优良的制冷剂，无毒、无味，不会燃烧和 爆炸，但是单位体积的制冷量小，水的凝固点高，只适用于蒸发温度o 以上的情况。 在吸附式空调系统中，水是使用最多的工质之一。 从这些制冷剂的比较可以发现，性能相对较好的制冷剂是氨、甲醇和水。目前这 三种制冷剂在吸附式制冷系统中用的最多。表1 3 是这三种制冷剂的性能比较。 6 硕士学位论文 表1 - 3 常用制冷剂的性能比较 t a b l e1 - 3c o m p a r i s o no fp e r f o r m a n c eo fc o m m o n l yu s e dr e f r i g e r a n t 1 3 1 3 吸附制冷工质对 ( 1 ) 分子筛水 分子筛水大量应用于开式除湿冷却系统和闭式的吸附系统。沸石分子筛水工质 对的分子间作用力较强，所需的解吸温度较高，吸附热也较高，大约为 3 3 0 0 4 2 0 0 k j k g 。分子筛水的性质稳定，适合于解吸温度较高的场合，另外，分子筛 水的吸附等温线随压力的变化不大，能使制冷系统在较大的冷凝温度范围内冷凝而 保持稳定的性能，对环境的适应能力强，目前在余热回收中常用于2 0 0 左右或更高 的热源能量回收。分子筛水工质对的缺点之一是其蒸发温度不能低于0 ，不能制冰； 缺点之二是由于分子筛水系统是负压系统，传质速度慢，再加上所需解吸热及解吸 温度较高，造成系统循环时间较长。 1 9 8 8 年美国沸石动力公司采用分子筛水研制了回热型吸附式热泵样机，采用蛇 型管热交换器回热，能回收7 0 8 0 的吸附热，制冷系数达1 2 ，热泵系数达1 8 以上； f p o y e l l e t 4 5 】利用分子筛水建立的空调系统在蒸发温度大于4 时，c o p 为0 6 8 ，s c p 为1 3 5 w k g ；上海交大的卢允庄【4 6 】等研制的烟气余热驱动的分子筛水吸附式蓄能系 统在机车空调上得到了成功的应用。c a c c i o l a 4 7 1 等将沸石分子筛一水工质对应用于热泵 系统进行了热动力学分析并对双吸附床系统进行了数值模拟；常士楠m 8 1 、卢允庄【4 9 】、 朱瑞琪5 0 1 、姜周曙叫等都对分子筛水系统进行了研究。从以上学者的研究情况看， 分子筛水是吸附式制冷系统性能良好的高温吸附工质对。 第一章绪论 ( 2 ) 活性炭甲醇 活性炭甲醇是一种使用广泛、较为理想的吸附工质对，具有吸附解吸量较大， 解吸温度不高( 1 0 0 。c 左右) ；吸附热较小( 1 8 0 0 - 2 0 0 0 k j k g ) 以及甲醇的蒸发潜热较 高等优点。英国的c r i t o p h 5 2 1 和法国的m o 砌e r 等人的研究结果表明，活性炭与各 种制冷剂的配对中活性炭甲醇具有最高的c o p ( 性能系数) 。上海交通大学以王如竹 教授为首的热环境研究室成功建立了以活性炭甲醇为工质对的多个吸附式制冷样 机；王树刚嘲采用固化的活性炭块吸附甲醇，制成了使用渔船尾气作为动力的吸附式 制冰系统，冰产量达1 8 2 0 k g h 。南京航空航天大学的李保官5 6 1 、德国的k n o c k e 5 7 1 、 意大利的r e s t u c c i a 5 8 1 、澳大利亚的e r i cj h u 5 9 1 等学者也对活性炭甲醇工质对的性能 做了大量的研究。各种研究结果表明，活性炭甲醇是实用化前景较为广阔的吸附工 质对之一。活性炭甲醇系统也有缺点，首先是不适合高温，在温度高于1 5 0 。c 时甲醇 会分解生成二甲醚，因此，活性炭一甲醇吸附式制冷系统适用于1 2 0 以下的低温余热 利用和太阳能利用；其次是甲醇有剧毒；另外，系统是真空系统，工作可靠性比压力 系统差。 ( 3 ) 活性炭氨 活性炭氨也是常用的物理吸附工质对之一，活性炭氨系统压力较高( 在冷凝温 度为4 0 。c 时对应的饱和压力为1 6 m p a ) ，有助于传热传质，可以有效缩短循环周期， 从而有利于提高系统的s c p ，这是真空系统无法比拟的。压力系统中的轻微泄露不会 导致系统失灵，相对不怕振动。活性炭一氨系统中循环吸附量较大，s c p 较高、系统 传质性能良好、可以适用于较高温度的热源等优点，引起了人们的研究兴趣。英国的 t a m a i n o t t e l t o 和c r i t o p h 6 0 “2 1 、美国的j o n e s 6 3 1 白俄罗斯的v a s i l i e v i 删对活性炭氨吸 附式制冷系统的性能进行了较为深入的研究。根据t a m a i n o t t e l t o 的研究结果，在解 吸温度1 0 0 。c 、冷凝温度3 0 。c 、蒸发温度0 * c 的工况下，s c p 超过4 0 0 w k g ；j o n e s 采用新型高级回热加热技术后，在环境温度3 5 的情况下，一个四床系统c o p 可达 1 o 。 ( 4 ) 硅胶水 硅胶水工质对在1 2 0 。c 以下的温度工作，高于1 2 0 。c 时硅胶会被烧毁，失去吸附 j i l t - 厶匕i ：j 匕, ，吸附热大约为2 5 0 0k j k g 。硅胶一水工质对适合于较低温度的热源驱动，成为近 年来研究热点的一个重要原因。韩国的s o o n h a e n g 6 5 1 研制出了制冷能力为1 2 r t 生 产4 7 冷冻水的硅胶水吸附式制冷样机；s a h a 、b o e l m a n 6 6 , 6 7 1 等人对硅胶水吸附式 r 硕士学位论文 系统进行了数值和实验研究；日本早在上世纪九十年代就实现了双吸附床连续回热制 冷的硅胶水吸附式制冷机的商业化6 8 1 ，该制冷机可利用的最低热源温度为7 0 。c ，在 冷却水温度为3 0 、热源温度为8 5 、冷冻水出口温度为9 1 4 的工况下，系统c o p 为0 3 4 。19 9 2 年日本m a y e k a w am f g 公司的h y a n a g i 6 9 , 7 0 1 等建立了硅胶水作为工质 对的连续回热型吸附式制冷机，吸附床是由铝板制成的板翅式换热器。该样机最大制 冷量达到3 0 k w , 循环时间为2 7 m i n 。 1 3 2 吸附式制冷循环 固体吸附制冷的循环方式可分为基本循环( 见图1 1 ) 和先进循环( 见图1 2 ) 两大类。单床循环的制冷过程是间隙进行的，由于吸附床处于冷热交变的情况，温度 波动大，这种系统的c o p 一般都小于o 5 。增加吸附床的数量并通过阀门的切换可实 现连续制冷，但吸附床之间无热量的交换。连续循环主要依靠吸附床之间能量的交换 来实现显热、吸附热等热量的回收，不仅可实现连续制冷，而且从理论上讲可大大提 高系统的c o p 。缺点是由于匹配问题、控制问题、变热源问题的存在增加了系统复 杂性，降低了可靠性。这种循环主要用于直接消耗油、气、电等高品位能源的大型空 调、热泵系统。 图1 1 基本吸附制冷循环