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吸附制冷技術在空調領域的應用前景

 

1 引言

吸附制冷系統以太陽能、工業余熱等低品位能源作為驅動力,采用非氟氯烴類物質作為制冷劑,系統中很少使用運動部件,具有節能、環保、結構簡單、無噪音、運行穩定可靠等突出優點,因此受到了國內外制冷界人士越來越多的關注。

吸附制冷的基本原理是:多孔固體吸附劑對某種制冷劑氣體具有吸附作用,吸附能力隨吸附劑溫度的不同而不同。周期性的冷卻和加熱吸附劑,使之交替吸附和解吸。解吸時,釋放出制冷劑氣體,并在冷凝器內凝為液體;吸附時,蒸發器中的制冷劑液體蒸發,產生冷量。圖1是吸附制冷的理想基本循環系統示意圖,圖2是理想基本循環熱力圖。

圖1中為切換系統吸附/解吸狀態的控制閥門,為節流閥;圖2中分別為吸附態吸附率和解吸態吸附率,為吸附起始和終了溫度,為解吸起始和終了溫度。吸附制冷理想基本循環的由四個過程組成:(1)1→2,等容升壓;(2)2→3,等壓解吸;(3)3→4,等容降壓;(4)4→1,等壓吸附。(1)(2)過程需要加熱,(3)(4)過程需要冷卻,1→2→5→6→1為制冷劑循環過程,當吸附床處于4→1階段時,系統產生冷量。

2 吸附制冷技術研究進展

吸附制冷工作原理最早是由Faraday提出的[1],而后在20世紀20年代才真正開始了吸附制冷系統的相關研究,由于當時提出的吸附制冷系統系統在商業上根本無法與效率高得多、功率大得多的系統競爭,因而并未受到足夠的重視。20世紀70年代的能源危機為吸附式制冷技術的發展提供了契機,因為吸附制冷系統可用低品位熱源驅動,在余熱利用和太陽能利用方面具有獨到的優點。進入20世紀90年代,隨著全球環境保護的呼聲越來越高,不使用氟氯烴作為制冷劑的吸附制冷技術引起了制冷界人士的廣泛興趣,從而使得吸附制冷技術的研究得以蓬勃的發展起來[2]

吸附制冷吸附研究主要包括工質對性能、吸附床的傳熱傳質性能和系統循環與結構等幾個方面的工作,無論哪一個方面的研究都是以化工和熱工理論為基礎的,例如傳熱機理、傳質機理等等,限于篇幅,本文僅從技術發展的角度來概括吸附制冷的研究進展。

  2.1 吸附工質對性能研究

吸附制冷技術能否得到工業應用很大程度上取決于所選用的工質對,工質對的熱力性質對系統性能系數、初投資等影響很大,要根據實際熱源的溫度選擇合適的工質對。從20世紀80年代初到90年代中期,研究人員為吸附工質對的篩選做了大量的工作,逐漸優化出了幾大體系的工質對。按吸附劑分類的吸附工質對可分為:硅膠體系、沸石分子篩體系、活性炭體系(物理吸附)和金屬氯化物體系(化學體系)[2, 3]。由于化學吸附在經過多次循環后吸附劑會發生變性,因而對幾種物理吸附類吸附體系的研究較多。幾種常用工質體系的工作特性總結于表1[4]

表1 固體吸附制冷工質對的工作特性和應用范圍

工質對

制冷劑

毒性

真空度

系統耐壓強度

解吸溫度

驅動熱能

標準沸點

汽化潛熱

kJ/kg

沸石-水

100

2258

>150

高溫余熱

硅膠-水

100

2258

100

太陽能、低溫余熱

活性炭-甲醇

65

1102

適中

110

太陽能、低溫余熱

活性炭-乙醇

79

842

適中

適中

100

太陽能、低溫余熱

活性炭纖維-甲醇

65

1102

適中

120

太陽能、低溫余熱

氯化鈣-氨

-34

1368

95

太陽能、低溫余熱

近幾年來,研究人員在吸附工質對方面的研究始終沒有停止,從理論和實驗兩個方面對各種工質對的工作特性進行了廣泛的研究。綜合考慮強化吸附劑的傳熱傳質性能,開發出較為理想的、環保型吸附工質對,從根本上改變吸附制冷工業化過程中所面臨的實際困難,是推動固體吸附式制冷工業技術早日工業化的關鍵。

  2.2 吸附床的傳熱傳質性能研究

吸附床的傳熱傳質特性對吸附式制冷系統有較大的影響。一方面,吸附床的傳熱效率和傳質特性直接影響制冷系統對熱源的利用;另一方面,傳熱傳質越快,循環周期越短,則單位時間制冷量越大。因此,提高吸附床的傳熱傳質性能是吸附式制冷效率提高的關鍵。

傳質速率主要取決于吸附解吸速度和吸附劑的傳質阻力,吸附劑的傳質阻力主要是由其孔隙率決定的,此外制冷劑氣體在吸附劑內的流程也對傳質阻力有很大影響,合理的吸附劑填充方式和吸附器設計可以有效降低傳質阻力。對于傳熱來講吸附床主要存在兩種熱阻[6]:吸附換熱器的金屬材料(換熱管道與翅片)與吸附劑之間的接觸熱阻;固體吸附劑的傳熱熱阻。因此,改善吸附床的傳熱特性,主要從減小這兩個熱阻的角度出發,或者依靠增大換熱面積來增加總的換熱量,也就是通過合理的吸附器結構設計來增加換熱量。

在加強傳質性能方面,比較有效的方法是通過改變吸附劑顆粒的形狀增加床層孔隙率以及在吸附床設計時設置制冷劑氣體的流動通道。

吸附器傳熱性質的加強首先是對吸附劑的處理,目前比較公認的方法有:采用二元混合物,讓小顆粒吸附劑摻雜在大顆粒吸附劑之間以減小吸附床的松散性;在吸附劑中摻入高導熱系數材料;通過固結等手段改變顆粒形狀,增大相互之間的傳熱面積,減少顆粒間的接觸熱阻[5]。減小吸附劑與吸附器翅片或器壁之間接觸熱阻可采用壓實或粘貼等方法。在吸附床的設計上,比較成熟的吸附床結構有翅片管式、板式、螺旋板式等[6]

傳熱和傳質的加強經常是關聯在一起的,二者有時是對立的有時是統一的,例如床層孔隙率的增加會減小傳質阻力,但卻導致導熱熱阻的增加;而一個結構設計良好的吸附器往往會同時對傳熱和傳質起到促進作用,例如Melkon[7]所采用的將沸石粉末以極薄的厚度粘附在換熱管表面上的做法。因此,在具體實施傳熱傳質強化措施時必須綜合全面的考慮,選取最佳的方案。

  2.3 系統循環與結構的研究

從工作原理來看,吸附制冷循環可分為間歇型和連續型,間歇型表示制冷是間歇進行的,往往采用一臺吸附器;連續型則采用二臺或二臺以上的吸附器交替運行,可保障連續吸附制冷。如果吸附制冷單純由加熱解吸和冷卻吸附過程構成,則對應的制冷循環方式為基本型吸附制冷循環。如果對吸附床進行回熱,則根據回熱方式不同,可有雙床回熱、多床回熱、熱波與對流熱波等循環方式。下面簡單闡述一下幾種循環的基本原理。

基本循環在吸附制冷基本原理中已作介紹,其制冷過程是間歇進行的,增加床數并通過閥門的切換可實現連續制冷,但床與床之間無能量的交換。

20世紀80年代后期,Tchernev[8]、Meunier和Douss[9]等構建了雙床回熱循環,所謂回熱即利用一個吸附床吸附時放出的吸附熱和顯熱作為另一個吸附床的解吸熱量,回熱的利用率將隨著床數的增加而增加。回熱循環依靠床與床之間能量的交換來實現顯熱、吸附熱等熱量的回收,不僅可實現連續供冷,而且可大大提高系統COP。

熱波循環也是回熱利用的一種循環方式,是由Shelton[10]提出的。普通回熱循環中吸附床的溫度隨時間逐漸下降,同時解吸床的溫度逐漸上升,當兩床溫度達到同一溫度后,便無法繼續利用回熱而需采用外部熱源繼續解吸過程。Shelton認為,在吸附床中,如果能使床溫在與熱媒流動相垂直的方向上保持一致,而在熱媒流動方向上產生一陡坡(熱波),則能大大提高回熱效率。這一概念所描述回熱效率很高,但其實現尚有一定困難。

對流熱波循環是由Critoph[11]提出的,這種循環方式利用制冷劑氣體和吸附劑間的強制對流,采用高壓制冷劑蒸汽直接加熱、冷卻吸附劑而獲得較高的熱流密度。

根據吸附式系統的特點和溫度源的選擇,還可構筑多級和復疊循環制冷系統[2]

從系統結構來看上述循環目前都是采用固定床方式實現的,因此在此有必要提及一種旋轉式吸附制冷系統,這種系統形式最早在20世紀80年代出現在美國的一些專利文獻中,但直到2000年左右才有比較系統的研究見諸報道[12, 13]。這種系統結構采用旋轉方式使多個吸附制冷單元聯合運行,有效地利用了回熱,并在冷量輸出的連續性、穩定性和系統可控性等方面遠遠的優于以往的系統結構方式。

3 吸附制冷技術在空調領域的應用前景

目前投入實用的吸附制冷系統主要集中在制冰和冷藏兩個方面,用于空調領域的實踐很少,只有少量在車輛和船舶上應用的報道。這主要是因為吸附制冷系統暫時尚無法很好的克服COP值偏低、制冷量相對較小、體積較大等固有的缺點,此外其冷量冷輸出的連續性、穩定性和可控性較差也使其目前不能滿足空調用冷的要求。趙加寧[14]提出在現有的技術水平下,可以結合冰蓄冷或作為常規冷源補充兩種方式將吸附制冷用于建筑空調。本文認為吸附制冷技術在空調領域的應用應立足于本身特殊的優勢,揚長避短,在特殊應用場合占據自己的位置。

吸附制冷與常規制冷方式相比,其最大的優勢在于利用太陽能和廢熱驅動,極少耗電,而與同樣使用熱量作為驅動力的吸收式制冷相比,吸附式制冷系統的良好抗震性又是吸收系統無法相比的。在太陽能或余熱充足的場合和電力比較貧乏的偏遠地區,吸附制冷具有良好的應用前景。

  3.1 可用于吸附制冷的熱力資源

我國太陽能資源很豐富,年平均日照量為5.9GJ/(m2·a) [14]。利用太陽能制冷是非常合理的,因為太陽能輻射最強的地區,通常是最需要能量制冷的地區,并且太陽輻射最強的時候也是最需要制冷的時候。

我國工業余熱資源的量很大,分布面很廣,溫度范圍也很寬,1990年的工業余熱統計數據[15]表明:我國工業余熱資源的回收率僅為33.5%,即2/3的余熱資源尚未被利用。

吸附制冷的良好抗震性使其在汽車和船舶等振動場合的應用成為可能。雖然吸收式制冷系統的工藝比較成熟,也可直接利用排氣廢熱,COP值相對于吸附式制冷來說也較高,但在車船這樣的運動平臺上,吸收式系統的溶液容易從發生器進入冷凝器以及從吸收器進入蒸發器,從而污染制冷劑以致不能正常運行。而吸附制冷系統結構簡單、可靠性高、運行維護費用低,能滿足車船的特殊要求。

常規汽車空調中使用的壓縮機要消耗大量的機械功,通常開動空調后,汽車發動機功率要降低10~12%,耗油量增加10~20%。汽車發動機的效率一般為35%~40%左右,約占燃料發熱量1/2以上的能量被發動機排氣及循環冷卻水帶走,其中排氣帶走的能量占燃料發熱量的30%以上,在高速大負荷時,汽車發動機排氣溫度都在400℃~500℃以上[16]

船舶柴油機的熱效率一般只有30%~40%,約占燃料發熱量1/2的能量被柴油機的氣缸冷卻水及排氣等帶走。其中柴油機冷卻水溫度約為60℃~85℃,所帶走的熱量約占燃料總發熱量的25%;而柴油機排氣余熱的特點是溫度高,所帶走的熱量約占燃料總發熱量的35%[17]

  3.2 吸附制冷系統自身的改進

吸附制冷系統能否最終在空調領域取得自己穩固的地位,最主要還要依靠吸附制冷系統自身性能的提高。在COP、單位質量吸附劑制冷量、單位時間制冷量的提高等研究方向上,許多研究者已取得了很多的成就并仍在辛勤的努力著。

此外,空調負荷對冷量的要求與制冰和冷藏系統不同,在實際中無論是建筑物還是車船的空調負荷都是動態變化的,這就要求冷源能夠及時響應空調系統的冷量要求,并且能夠保證連續的在一定時間內平穩供應冷量。吸附式制冷由于本身固有的特點,使其在試圖進行連續供冷時制冷量以波的形式出現。而且目前吸附式制冷系統運行的控制手段比較單一,公認的途徑有兩個:一是通過改變解吸階段的加熱速率以及吸附階段的冷卻速率來改變循環周期;二是強行改變等壓吸附時間,利用吸附過程中不同階段的吸附速度不同來調節冷量。由于吸附制冷系統的慢響應特性,這樣的控制手段無法使系統的冷量輸出滿足空調冷負荷經常變化的要求。冷量供應的連續性、穩定性和可控性可以統稱為冷量品質,目前這方面的研究尚未引起足夠的重視,如何有效地改善冷量品質是吸附制冷系統走向空調領域亟待解決的重要課題。

4 結論

本文簡要介紹了吸附式制冷的基本原理,并從吸附工質對性能、吸附床傳熱傳質性能和系統循環幾個方面介紹了吸附制冷技術的研究概況。吸附制冷技術目前在空調領域的應用較少,本文認為吸附制冷憑借自身以太陽能和廢熱為驅動力、節能環保、運行可靠等優勢,將來很有希望在特殊場合的空調應用中找到自己穩固的立足點。

來源:      時間:2011-11-15 15:44:30
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