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吸附制冷技术研究概况及在空调领域应用的前景分析

2017年2月25日 上午7:28

1 引言吸附制冷系统以太阳能、工业余热等低品位能源作为驱动力,采用非氟氯烃类物质作为制冷剂,系统中很少使用运动部件,具有节能、环保、结构简单、无噪音、运行稳定可靠等突出优点,因此受到了国内外制冷界人士越来越多的关注。
吸附制冷的基本原理是:多孔固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用,吸附能力随吸附剂温度的不同而不同。周期性的冷却和加热吸附剂,使之交替吸附和解吸。解吸时,释放出制冷剂气体,并在冷凝器内凝为液体;吸附时,蒸发器中的制冷剂液体蒸发,产生冷量。图1是吸附制冷的理想基本循环系统示意图,图2是理想基本循环热力图。
图1中、为切换系统吸附/解吸状态的控制阀门,为节流阀;图2中、分别为吸附态吸附率和解吸态吸附率,、为吸附起始和终了温度,、为解吸起始和终了温度。吸附制冷理想基本循环的由四个过程组成:(1)1→2,等容升压;(2)2→3,等压解吸;(3)3→4,等容降压;(4)4→1,等压吸附。(1)(2)过程需要加热,(3)(4)过程需要冷却,1→2→5→6→1为制冷剂循环过程,当吸附床处于4→1阶段时,系统产生冷量。
2 吸附制冷技术研究进展吸附制冷工作原理最早是由Faraday提出的[1],而后在20世纪20年代才真正开始了吸附制冷系统的相关研究,由于当时提出的吸附制冷系统系统在商业上根本无法与效率高得多、功率大得多的系统竞争,因而并未受到足够的重视。20世纪70年代的能源危机为吸附式制冷技术的发展提供了契机,因为吸附制冷系统可用低品位热源驱动,在余热利用和太阳能利用方面具有独到的优点。进入20世纪90年代,随着全球环境保护的呼声越来越高,不使用氟氯烃作为制冷剂的吸附制冷技术引起了制冷界人士的广泛兴趣,从而使得吸附制冷技术的研究得以蓬勃的发展起来[2]。
吸附制冷吸附研究主要包括工质对性能、吸附床的传热传质性能和系统循环与结构等几个方面的工作,无论哪一个方面的研究都是以化工和热工理论为基础的,例如传热机理、传质机理等等,限于篇幅,本文仅从技术发展的角度来概括吸附制冷的研究进展。
  2.1 吸附工质对性能研究
吸附制冷技术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、初投资等影响很大,要根据实际热源的温度选择合适的工质对。从20世纪80年代初到90年代中期,研究人员为吸附工质对的筛选做了大量的工作,逐渐优化出了几大体系的工质对。按吸附剂分类的吸附工质对可分为:硅胶体系、沸石分子筛体系、活性炭体系(物理吸附)和金属氯化物体系(化学体系)[2, 3]。由于化学吸附在经过多次循环后吸附剂会发生变性,因而对几种物理吸附类吸附体系的研究较多。几种常用工质体系的工作特性总结于表1[4]。
表1 固体吸附制冷工质对的工作特性和应用范围 工质对
制冷剂
毒性
真空度
系统耐压强度
解吸温度

驱动热能
标准沸点

汽化潜热
kJ/kg
沸石-水
100
2258



>150
高温余热
硅胶-水
100
2258



100
太阳能、低温余热
活性炭-甲醇
65
1102


适中
110
太阳能、低温余热
活性炭-乙醇
79
842

适中
适中
100
太阳能、低温余热
活性炭纤维-甲醇
65
1102


适中
120
太阳能、低温余热
氯化钙-氨
-34
1368



95
太阳能、低温余热

近几年来,研究人员在吸附工质对方面的研究始终没有停止,从理论和实验两个方面对各种工质对的工作特性进行了广泛的研究。综合考虑强化吸附剂的传热传质性能,开发出较为理想的、环保型吸附工质对,从根本上改变吸附制冷工业化过程中所面临的实际困难,是推动固体吸附式制冷工业技术早日工业化的关键。
  2.2 吸附床的传热传质性能研究
吸附床的传热传质特性对吸附式制冷系统有较大的影响。一方面,吸附床的传热效率和传质特性直接影响制冷系统对热源的利用;另一方面,传热传质越快,循环周期越短,则单位时间制冷量越大。因此,提高吸附床的传热传质性能是吸附式制冷效率提高的关键。
传质速率主要取决于吸附解吸速度和吸附剂的传质阻力,吸附剂的传质阻力主要是由其孔隙率决定的,此外制冷剂气体在吸附剂内的流程也对传质阻力有很大影响,合理的吸附剂填充方式和吸附器设计可以有效降低传质阻力。对于传热来讲吸附床主要存在两种热阻[6]:吸附换热器的金属材料(换热管道与翅片)与吸附剂之间的接触热阻;固体吸附剂的传热热阻。因此,改善吸附床的传热特性,主要从减小这两个热阻的角度出发,或者依靠增大换热面积来增加总的换热量,也就是通过合理的吸附器结构设计来增加换热量。
在加强传质性能方面,比较有效的方法是通过改变吸附剂颗粒的形状增加床层孔隙率以及在吸附床设计时设置制冷剂气体的流动通道。
吸附器传热性质的加强首先是对吸附剂的处理,目前比较公认的方法有:采用二元混合物,让小颗粒吸附剂掺杂在大颗粒吸附剂之间以减小吸附床的松散性;在吸附剂中掺入高导热系数材料;通过固结等手段改变颗粒形状,增大相互之间的传热面积,减少颗粒间的接触热阻[5]。减小吸附剂与吸附器翅片或器壁之间接触热阻可采用压实或粘贴等方法。在吸附床的设计上,比较成熟的吸附床结构有翅片管式、板式、螺旋板式等[6]。
传热和传质的加强经常是关联在一起的,二者有时是对立的有时是统一的,例如床层孔隙率的增加会减小传质阻力,但却导致导热热阻的增加;而一个结构设计良好的吸附器往往会同时对传热和传质起到促进作用,例如Melkon[7]所采用的将沸石粉末以极薄的厚度粘附在换热管表面上的做法。因此,在具体实施传热传质强化措施时必须综合全面的考虑,选取最佳的方案。
  2.3 系统循环与结构的研究
从工作原理来看,吸附制冷循环可分为间歇型和连续型,间歇型表示制冷是间歇进行的,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。如果吸附制冷单纯由加热解吸和冷却吸附过程构成,则对应的制冷循环方式为基本型吸附制冷循环。如果对吸附床进行回热,则根据回热方式不同,可有双床回热、多床回热、热波与对流热波等循环方式。下面简单阐述一下几种循环的基本原理。
基本循环在吸附制冷基本原理中已作介绍,其制冷过程是间歇进行的,增加床数并通过阀门的切换可实现连续制冷,但床与床之间无能量的交换。
20世纪80年代后期,Tchernev[8]、Meunier和Douss[9]等构建了双床回热循环,所谓回热即利用一个吸附床吸附时放出的吸附热和显热作为另一个吸附床的解吸热量,回热的利用率将随着床数的增加而增加。回热循环依靠床与床之间能量的交换来实现显热、吸附热等热量的回收,不仅可实现连续供冷,而且可大大提高系统COP。
热波循环也是回热利用的一种循环方式,是由Shelton[10]提出的。普通回热循环中吸附床的温度随时间逐渐下降,同时解吸床的温度逐渐上升,当两床温度达到同一温度后,便无法继续利用回热而需采用外部热源继续解吸过程。Shelton认为,在吸附床中,如果能使床温在与热媒流动相垂直的方向上保持一致,而在热媒流动方向上产生一陡坡(热波),则能大大提高回热效率。这一概念所描述回热效率很高,但其实现尚有一定困难。
对流热波循环是由Critoph[11]提出的,这种循环方式利用制冷剂气体和吸附剂间的强制对流,采用高压制冷剂蒸汽直接加热、冷却吸附剂而获得较高的热流密度。
根据吸附式系统的特点和温度源的选择,还可构筑多级和复叠循环制冷系统[2]。
从系统结构来看上述循环目前都是采用固定床方式实现的,因此在此有必要提及一种旋转式吸附制冷系统,这种系统形式最早在20世纪80年代出现在美国的一些专利文献中,但直到2000年左右才有比较系统的研究见诸报道[12, 13]。这种系统结构采用旋转方式使多个吸附制冷单元联合运行,有效地利用了回热,并在冷量输出的连续性、稳定性和系统可控性等方面远远的优于以往的系统结构方式。
3 吸附制冷技术在空调领域的应用前景 目前投入实用的吸附制冷系统主要集中在制冰和冷藏两个方面,用于空调领域的实践很少,只有少量在车辆和船舶上应用的报道。这主要是因为吸附制冷系统暂时尚无法很好的克服COP值偏低、制冷量相对较小、体积较大等固有的缺点,此外其冷量冷输出的连续性、稳定性和可控性较差也使其目前不能满足空调用冷的要求。赵加宁[14]提出在现有的技术水平下,可以结合冰蓄冷或作为常规冷源补充两种方式将吸附制冷用于建筑空调。本文认为吸附制冷技术在空调领域的应用应立足于本身特殊的优势,扬长避短,在特殊应用场合占据自己的位置。
吸附制冷与常规制冷方式相比,其最大的优势在于利用太阳能和废热驱动,极少耗电,而与同样使用热量作为驱动力的吸收式制冷相比,吸附式制冷系统的良好抗震性又是吸收系统无法相比的。在太阳能或余热充足的场合和电力比较贫乏的偏远地区,吸附制冷具有良好的应用前景。
  3.1 可用于吸附制冷的热力资源
我国太阳能资源很丰富,年平均日照量为5.9GJ/(m2•a) [14]。利用太阳能制冷是非常合理的,因为太阳能辐射最强的地区,通常是最需要能量制冷的地区,并且太阳辐射最强的时候也是最需要制冷的时候。
我国工业余热资源的量很大,分布面很广,温度范围也很宽,1990年的工业余热统计数据[15]表明:我国工业余热资源的回收率仅为33.5%,即2/3的余热资源尚未被利用。
吸附制冷的良好抗震性使其在汽车和船舶等振动场合的应用成为可能。虽然吸收式制冷系统的工艺比较成熟,也可直接利用排气废热,COP值相对于吸附式制冷来说也较高,但在车船这样的运动平台上,吸收式系统的溶液容易从发生器进入冷凝器以及从吸收器进入蒸发器,从而污染制冷剂以致不能正常运行。而吸附制冷系统结构简单、可靠性高、运行维护费用低,能满足车船的特殊要求。
常规汽车空调中使用的压缩机要消耗大量的机械功,通常开动空调后,汽车发动机功率要降低10~12%,耗油量增加10~20%。汽车发动机的效率一般为35%~40%左右,约占燃料发热量1/2以上的能量被发动机排气及循环冷却水带走,其中排气带走的能量占燃料发热量的30%以上,在高速大负荷时,汽车发动机排气温度都在400℃~500℃以上[16]。
船舶柴油机的热效率一般只有30%~40%,约占燃料发热量1/2的能量被柴油机的气缸冷却水及排气等带走。其中柴油机冷却水温度约为60℃~85℃,所带走的热量约占燃料总发热量的25%;而柴油机排气余热的特点是温度高,所带走的热量约占燃料总发热量的35%[17]。
  3.2 吸附制冷系统自身的改进
吸附制冷系统能否最终在空调领域取得自己稳固的地位,最主要还要依靠吸附制冷系统自身性能的提高。在COP、单位质量吸附剂制冷量、单位时间制冷量的提高等研究方向上,许多研究者已取得了很多的成就并仍在辛勤的努力着。
此外,空调负荷对冷量的要求与制冰和冷藏系统不同,在实际中无论是建筑物还是车船的空调负荷都是动态变化的,这就要求冷源能够及时响应空调系统的冷量要求,并且能够保证连续的在一定时间内平稳供应冷量。吸附式制冷由于本身固有的特点,使其在试图进行连续供冷时制冷量以波的形式出现。而且目前吸附式制冷系统运行的控制手段比较单一,公认的途径有两个:一是通过改变解吸阶段的加热速率以及吸附阶段的冷却速率来改变循环周期;二是强行改变等压吸附时间,利用吸附过程中不同阶段的吸附速度不同来调节冷量。由于吸附制冷系统的慢响应特性,这样的控制手段无法使系统的冷量输出满足空调冷负荷经常变化的要求。冷量供应的连续性、稳定性和可控性可以统称为冷量品质,目前这方面的研究尚未引起足够的重视,如何有效地改善冷量品质是吸附制冷系统走向空调领域亟待解决的重要课题。
4 结论本文简要介绍了吸附式制冷的基本原理,并从吸附工质对性能、吸附床传热传质性能和系统循环几个方面介绍了吸附制冷技术的研究概况。吸附制冷技术目前在空调领域的应用较少,本文认为吸附制冷凭借自身以太阳能和废热为驱动力、节能环保、运行可靠等优势,将来很有希望在特殊场合的空调应用中找到自己稳固的立足点。
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