吸附制冷工質(zhì)對(duì)在太陽能固體吸附式

1、吸附制冷工質(zhì)對(duì)在太陽能固體吸附式制冷技術(shù)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀 摘要 太陽能固體吸附式制冷技術(shù)是一種新型節(jié)能環(huán)保技術(shù)，本文主要講述了吸附制冷工質(zhì)對(duì)在太陽能吸附式制冷技術(shù)的應(yīng)用，以及其研究現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞 吸附制冷工質(zhì)對(duì)1 前言新能源和可再生能源經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)開始在世界能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中占據(jù)一席之地,受到各國(guó)政府的廣泛重視 1。資源、環(huán)境是人類面臨的共同問題,由于氟利昂制冷劑的大量使用對(duì)大氣臭氧層的破壞和大量化石燃料燃燒所造成的溫室效應(yīng)已開始威脅人類的生存和發(fā)展。研究開發(fā)出對(duì)臭氧層無損耗、無溫室效應(yīng)而且可以利用低品位能源作為動(dòng)力已成為當(dāng)今制冷空調(diào)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)2。太陽能固體吸附式制冷技術(shù)是一種新型節(jié)能環(huán)保

2、技術(shù),采用對(duì)環(huán)境友好的自然工質(zhì)對(duì),能有效利用太陽能等低品位能源驅(qū)動(dòng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作維修方便,運(yùn)行費(fèi)用低,無運(yùn)動(dòng)部件、無噪音、抗震性好,能用于振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等場(chǎng)所 2。吸附制冷工質(zhì)對(duì)的性能是影響固體吸附式制冷系統(tǒng)性能、效率和成本的重要因素之一，是固體吸附制冷走向市場(chǎng)的關(guān)鍵。2 太陽能固體吸附式制冷工作原理太陽能固體吸附式制冷原理:以某種具有多孔性的固體作為吸附劑,某種氣體作為制冷劑,形成吸附制冷工質(zhì)對(duì),其中固體吸附劑是不流動(dòng)的,而吸附介質(zhì)是流動(dòng)的。在固體吸附劑對(duì)氣體吸附物吸附的同時(shí),流體吸附物不斷地蒸發(fā)成可供吸附的氣體,蒸發(fā)過程對(duì)外界吸熱實(shí)現(xiàn)制冷;吸附飽和后利用太陽能加熱使其解吸。按照被吸附物與

3、吸附劑之間吸附力的不同,吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是分子間范德華力所引起的,而化學(xué)吸附是吸附劑與被吸附物之間通過化學(xué)鍵起作用的結(jié)果,吸附與脫附過程都伴隨有化學(xué)反應(yīng)。圖1 為太陽能吸附式制冷系統(tǒng)示意圖,一個(gè)基本的太陽能吸附式制冷系統(tǒng)主要包括吸附床(集熱器) 、冷凝器、蒸發(fā)器和閥門。其基本工作過程由吸熱解吸和吸附制冷組成1。白天吸附床被太陽能加熱，制冷工質(zhì)開始脫附，當(dāng)制冷工質(zhì)壓力達(dá)到飽和壓力時(shí)，進(jìn)入冷凝器冷凝，冷凝下來的液體進(jìn)入蒸發(fā)器。晚上吸附床被冷卻，壓力下降到蒸發(fā)溫度下的飽和壓力。蒸發(fā)器中的液體因壓力驟降而沸騰，開始蒸發(fā)制冷直到第二天早晨3。3 吸附制冷工質(zhì)對(duì)在制冷技術(shù)中的應(yīng)用圖1

4、 為太陽能吸附式制冷系統(tǒng)示意圖吸附制冷工質(zhì)對(duì)的選擇直接影響吸附制冷性能,對(duì)此,工質(zhì)對(duì)的選擇及性能對(duì)吸附制冷系統(tǒng)性能有非常重要的影響5。通過優(yōu)化選擇吸附制冷工質(zhì)對(duì)可以增大單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量,提高系統(tǒng)的制冷系數(shù),減小設(shè)備尺寸,縮短循環(huán)時(shí)間,使整機(jī)的性能有較大的提高,還可以配合不同的熱源、制冷工況、設(shè)備結(jié)構(gòu)的 特殊要求。因此制冷工質(zhì)對(duì)的選擇也是吸附式制冷的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是研究的熱點(diǎn)2。涂傳毅等根據(jù)所做實(shí)驗(yàn),選擇吸附工質(zhì)對(duì)應(yīng)符合以下要求:1.相對(duì)低的吸附劑解吸溫度;2.相對(duì)高的吸附溫度;3.高解吸速度和吸附速度;4.吸附劑導(dǎo)熱性能好;5.吸附熱和解吸熱相對(duì)少；6. 在解吸溫度和吸收溫度間吸附量對(duì)溫

5、度敏感性大；7. 吸附量受壓力變化影響要小,等溫吸附曲線要平坦 5。目前已經(jīng)開發(fā)出的吸附制冷工質(zhì)對(duì)主要有:活性炭甲醇、分子篩水、分子篩氨、硅膠水、活性炭纖維甲醇和氯化鈣氨、氯化鍶氨等2。研究的多為沸石水、活性炭甲醇和氯化鈣氨?；钚蕴考状紤?yīng)用最廣，但甲醇有毒，影響了它的使用。沸石水的溫度解吸范圍廣，在70250之間，但它只能用于0以上的工況限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用 3。分子篩水也是一種理想的工質(zhì)對(duì),常用于開式除濕冷卻系統(tǒng)和閉式吸附系統(tǒng)。分子篩水工質(zhì)對(duì)的性質(zhì)穩(wěn)定,所需的解吸穩(wěn)定較高,吸附熱也較大,適合于高溫余熱回收?qǐng)龊?而且分子篩水的吸附等溫線在超過一定壓力后基本水平,隨壓力的變化不大,這樣能使系統(tǒng)在

6、較大的溫度范圍內(nèi)冷凝而保持高性能,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。硅膠水的解吸溫度較低,常用于100 以下的低溫余熱吸附制冷。cacl2 -nh3 、srcl2 - nh3 是其中性能較優(yōu)越的工質(zhì)對(duì),其制冷量大,制冷系數(shù)高。氯化鈣和氨有良好的親合性,1molcacl2 可與8molnh3 發(fā)生反應(yīng)生成cacl28nh3 ,在不同的溫度和壓力下,cacl28nh3 能分別脫去4nh3 、6nh3 、8nh3 生成cacl2 4nh3 、cacl22nh3 、cacl2 ,同時(shí)放出熱量,而氨的沸點(diǎn)低,所以人們將氯化鈣氨工質(zhì)對(duì)用于吸附式制冷/ 熱泵系統(tǒng),尤其是用于太陽能吸附式制冷系統(tǒng)的研究相當(dāng)熱門2。另外，無機(jī)

7、鹽的導(dǎo)熱系數(shù)都比較低, 傳熱性能較差,而且反應(yīng)速度較慢, 系統(tǒng)循環(huán)周期長(zhǎng), 在加入一定的石墨或者金屬等添加劑后, 導(dǎo)熱系數(shù)可以提高很多。 此外, 吸附床的結(jié)構(gòu)是否合理將直接影響到吸附量以及吸附速度的大小。化學(xué)吸附工質(zhì)對(duì)的使用壽命比物理吸附短一些, 吸附性能的可逆性差一些6。4 混合吸附劑的研究目前研究最多的是cacl2-nh3 和cocl2-nh3 ,而且研究的趨勢(shì)都集中在混合吸附劑上。比如aristov 的cacl2 和硅膠或者氧化鋁,它通過核磁共振微縮成相技術(shù)(hnmr) 測(cè)試吸附床、加固層以及單個(gè)吸附劑顆粒的制冷劑的空間和時(shí)間分布濃度, 然后對(duì)這些數(shù)據(jù)處理得到關(guān)于吸水量的有效擴(kuò)散率,另外

8、測(cè)試出吸附劑顆粒大小、粘結(jié)劑和添加劑對(duì)工質(zhì)吸附性能的影響。黃志華通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)cacl2 和活性炭組成的混合吸附劑的整體性能好于單個(gè)的化學(xué)吸附劑和物理吸附劑,并且從理論上作出了說明。采用cacl2 和硅膠(mcm-41) 組成的混合吸附劑(swss) ,它是將mcm-41 顆粒在293k溫度下浸泡在cacl2 的水溶液中,然后在423k的溫度下烘干至重量保持不變,測(cè)量得到cacl2 占混合物質(zhì)量的37.7%,然后通過gt 方法測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)水和混合吸附劑(swss) 組成一個(gè)雙變量系統(tǒng),它介于固體吸附和液體吸附之間,所以它克服了它們各自的缺點(diǎn),尤其是防止了結(jié)晶和腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。另外其吸附率也

9、達(dá)到了0.75,能量?jī)?chǔ)量為2.1kj/g ,解吸溫度在343k到393k之間, 這樣的溫度適于利用低品位的能量(如工業(yè)廢熱、地?zé)?、太陽? 。結(jié)果表明這種吸附劑比單純的沸石、硅膠等物質(zhì)跟水組成的工質(zhì)對(duì)更有競(jìng)爭(zhēng)力4。bacl2 - nh3 和srcl2 - nh3 工質(zhì)對(duì)組成的復(fù)合熱機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常樂觀。nicl2 - nh3 在多效吸附吸收制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用也引起了科研工作者的興趣2。5 吸附劑燒結(jié)和膨脹的解決辦法在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)純粹的化學(xué)吸附雖然有較大的吸附量,但是存在有較嚴(yán)重的膨脹和燒結(jié)現(xiàn)象,這對(duì)于吸附劑的長(zhǎng)期使用是十分不利的, 也是化學(xué)吸附式制冷走向市場(chǎng)所必須解決的關(guān)鍵問題。因此必須采

10、取一定的措施來克服化學(xué)吸附劑的傳熱傳質(zhì)差、顆粒強(qiáng)度小、容易出現(xiàn)膨脹粉化及粉末結(jié)塊等缺陷。在所有的方法中,有人提到了在cacl2中加入一定的粘結(jié)劑(如caso4 或水泥等) ,用以固定吸附劑顆粒來防止結(jié)塊聚集等問題。此外采用較高強(qiáng)度的多孔吸附顆粒作為骨架,使有效成分附著在其表面也是一種常用手段。陳礪等人對(duì)浸漬在石墨骨架上的化學(xué)吸附的傳熱強(qiáng)化進(jìn)行了較為初步的研究。黃志華對(duì)以活性炭為骨架,活性炭本身也作為吸附劑和氯化鈣形成一定的配比進(jìn)行研究,結(jié)果是氯化鈣和活性炭的質(zhì)量配比低于1/ 3 以后,化學(xué)吸附所引起的吸附劑結(jié)塊和膨脹現(xiàn)象得到了有效的緩解4。6 結(jié)束語太陽能固體吸附式制冷技術(shù)較傳統(tǒng)的壓縮式制冷技術(shù)還不是很成熟，但由于節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，決定了它具有廣闊的應(yīng)用前景。開發(fā)出理想的吸附工質(zhì)對(duì)將對(duì)太陽能固體吸附制冷民用商業(yè)化的實(shí)現(xiàn)有很大的幫助，從而為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)做貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)1 彭愛華,高國(guó)珍,杜海存.淺析太陽能固體吸附式制冷技術(shù)的研究與應(yīng)用.江西能源.2005 (2);2 李軍,朱冬生,張立志,趙朝暉.固體吸附式制冷在太陽能利用中的研究與展望.制冷與空調(diào)，2004（6）;