吸附制冷工质对在太阳能固体吸附式.doc

吸附制冷工质对在太阳能固体吸附式制冷技术的应用和研究现状 摘要 太阳能固体吸附式制冷技术是一种新型节能环保技术，本文主要讲述了吸附制冷工质对在太阳能吸附式制冷技术的应用，以及其研究现状。关键词 吸附制冷工质对1 前言新能源和可再生能源经过多年的发展已经开始在世界能源供应结构中占据一席之地,受到各国政府的广泛重视 1。资源、环境是人类面临的共同问题,由于氟利昂制冷剂的大量使用对大气臭氧层的破坏和大量化石燃料燃烧所造成的温室效应已开始威胁人类的生存和发展。研究开发出对臭氧层无损耗、无温室效应而且可以利用低品位能源作为动力已成为当今制冷空调领域的研究热点2。太阳能固体吸附式制冷技术是一种新型节能环保技术,采用对环境友好的自然工质对,能有效利用太阳能等低品位能源驱动,具有结构简单,操作维修方便,运行费用低,无运动部件、无噪音、抗震性好,能用于振动、旋转等场所 2。吸附制冷工质对的性能是影响固体吸附式制冷系统性能、效率和成本的重要因素之一，是固体吸附制冷走向市场的关键。2 太阳能固体吸附式制冷工作原理太阳能固体吸附式制冷原理:以某种具有多孔性的固体作为吸附剂,某种气体作为制冷剂,形成吸附制冷工质对,其中固体吸附剂是不流动的,而吸附介质是流动的。在固体吸附剂对气体吸附物吸附的同时,流体吸附物不断地蒸发成可供吸附的气体,蒸发过程对外界吸热实现制冷;吸附饱和后利用太阳能加热使其解吸。按照被吸附物与吸附剂之间吸附力的不同,吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是分子间范德华力所引起的,而化学吸附是吸附剂与被吸附物之间通过化学键起作用的结果,吸附与脱附过程都伴随有化学反应。图1 为太阳能吸附式制冷系统示意图,一个基本的太阳能吸附式制冷系统主要包括吸附床(集热器) 、冷凝器、蒸发器和阀门。其基本工作过程由吸热解吸和吸附制冷组成1。白天吸附床被太阳能加热，制冷工质开始脱附，当制冷工质压力达到饱和压力时，进入冷凝器冷凝，冷凝下来的液体进入蒸发器。晚上吸附床被冷却，压力下降到蒸发温度下的饱和压力。蒸发器中的液体因压力骤降而沸腾，开始蒸发制冷直到第二天早晨3。3 吸附制冷工质对在制冷技术中的应用图1 为太阳能吸附式制冷系统示意图吸附制冷工质对的选择直接影响吸附制冷性能,对此,工质对的选择及性能对吸附制冷系统性能有非常重要的影响5。通过优化选择吸附制冷工质对可以增大单位质量工质的制冷量,提高系统的制冷系数,减小设备尺寸,缩短循环时间,使整机的性能有较大的提高,还可以配合不同的热源、制冷工况、设备结构的 特殊要求。因此制冷工质对的选择也是吸附式制冷的关键技术之一,也是研究的热点2。涂传毅等根据所做实验,选择吸附工质对应符合以下要求:1.相对低的吸附剂解吸温度;2.相对高的吸附温度;3.高解吸速度和吸附速度;4.吸附剂导热性能好;5.吸附热和解吸热相对少；6. 在解吸温度和吸收温度间吸附量对温度敏感性大；7. 吸附量受压力变化影响要小,等温吸附曲线要平坦 5。目前已经开发出的吸附制冷工质对主要有:活性炭甲醇、分子筛水、分子筛氨、硅胶水、活性炭纤维甲醇和氯化钙氨、氯化锶氨等2。研究的多为沸石水、活性炭甲醇和氯化钙氨。活性炭甲醇应用最广，但甲醇有毒，影响了它的使用。沸石水的温度解吸范围广，在70250之间，但它只能用于0以上的工况限制了它的进一步应用 3。分子筛水也是一种理想的工质对,常用于开式除湿冷却系统和闭式吸附系统。分子筛水工质对的性质稳定,所需的解吸稳定较高,吸附热也较大,适合于高温余热回收场合,而且分子筛水的吸附等温线在超过一定压力后基本水平,随压力的变化不大,这样能使系统在较大的温度范围内冷凝而保持高性能,对环境的适应能力强。硅胶水的解吸温度较低,常用于100 以下的低温余热吸附制冷。cacl2 -nh3 、srcl2 - nh3 是其中性能较优越的工质对,其制冷量大,制冷系数高。氯化钙和氨有良好的亲合性,1molcacl2 可与8molnh3 发生反应生成cacl28nh3 ,在不同的温度和压力下,cacl28nh3 能分别脱去4nh3 、6nh3 、8nh3 生成cacl2 4nh3 、cacl22nh3 、cacl2 ,同时放出热量,而氨的沸点低,所以人们将氯化钙氨工质对用于吸附式制冷/ 热泵系统,尤其是用于太阳能吸附式制冷系统的研究相当热门2。另外，无机盐的导热系数都比较低, 传热性能较差,而且反应速度较慢, 系统循环周期长, 在加入一定的石墨或者金属等添加剂后, 导热系数可以提高很多。 此外, 吸附床的结构是否合理将直接影响到吸附量以及吸附速度的大小。化学吸附工质对的使用寿命比物理吸附短一些, 吸附性能的可逆性差一些6。4 混合吸附剂的研究目前研究最多的是cacl2-nh3 和cocl2-nh3 ,而且研究的趋势都集中在混合吸附剂上。比如aristov 的cacl2 和硅胶或者氧化铝,它通过核磁共振微缩成相技术(hnmr) 测试吸附床、加固层以及单个吸附剂颗粒的制冷剂的空间和时间分布浓度, 然后对这些数据处理得到关于吸水量的有效扩散率,另外测试出吸附剂颗粒大小、粘结剂和添加剂对工质吸附性能的影响。黄志华通过测试发现cacl2 和活性炭组成的混合吸附剂的整体性能好于单个的化学吸附剂和物理吸附剂,并且从理论上作出了说明。采用cacl2 和硅胶(mcm-41) 组成的混合吸附剂(swss) ,它是将mcm-41 颗粒在293k温度下浸泡在cacl2 的水溶液中,然后在423k的温度下烘干至重量保持不变,测量得到cacl2 占混合物质量的37.7%,然后通过gt 方法测得实验数据。发现水和混合吸附剂(swss) 组成一个双变量系统,它介于固体吸附和液体吸附之间,所以它克服了它们各自的缺点,尤其是防止了结晶和腐蚀现象的产生。另外其吸附率也达到了0.75,能量储量为2.1kj/g ,解吸温度在343k到393k之间, 这样的温度适于利用低品位的能量(如工业废热、地热、太阳能) 。结果表明这种吸附剂比单纯的沸石、硅胶等物质跟水组成的工质对更有竞争力4。bacl2 - nh3 和srcl2 - nh3 工质对组成的复合热机驱动系统的实验结果非常乐观。nicl2 - nh3 在多效吸附吸收制冷系统中的应用也引起了科研工作者的兴趣2。5 吸附剂烧结和膨胀的解决办法在实验中发现纯粹的化学吸附虽然有较大的吸附量,但是存在有较严重的膨胀和烧结现象,这对于吸附剂的长期使用是十分不利的, 也是化学吸附式制冷走向市场所必须解决的关键问题。因此必须采取一定的措施来克服化学吸附剂的传热传质差、颗粒强度小、容易出现膨胀粉化及粉末结块等缺陷。在所有的方法中,有人提到了在cacl2中加入一定的粘结剂(如caso4 或水泥等) ,用以固定吸附剂颗粒来防止结块聚集等问题。此外采用较高强度的多孔吸附颗粒作为骨架,使有效成分附着在其表面也是一种常用手段。陈砺等人对浸渍在石墨骨架上的化学吸附的传热强化进行了较为初步的研究。黄志华对以活性炭为骨架,活性炭本身也作为吸附剂和氯化钙形成一定的配比进行研究,结果是氯化钙和活性炭的质量配比低于1/ 3 以后,化学吸附所引起的吸附剂结块和膨胀现象得到了有效的缓解4。6 结束语太阳能固体吸附式制冷技术较传统的压缩式制冷技术还不是很成熟，但由于节能和环保优势，决定了它具有广阔的应用前景。开发出理想的吸附工质对将对太阳能固体吸附制冷民用商业化的实现有很大的帮助，从而为经济建设和环境保护做贡献。参考文献1 彭爱华,高国珍,杜海存.浅析太阳能固体吸附式制冷技术的研究与应用.江西能源.2005 (2);2 李军,朱冬生,张立志,赵朝晖.固体吸附式制冷在太阳能利用中的研究与展望.制冷与空调，2004（6）;