空調(diào)與制冷技術(shù)方面的職稱(chēng)論文

1、空調(diào)與制冷技術(shù)方面的職稱(chēng)論文 與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)相比，吸附制冷技術(shù)由于具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了制冷界人士的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外在吸附制冷技術(shù)的發(fā)展上進(jìn)行了大量的研究工作。本文簡(jiǎn)要敘述了吸附制冷的工作原理，對(duì)吸附制冷技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。近年投入實(shí)用的吸附制冷系統(tǒng)主要集中在制冰和冷藏兩個(gè)方面，而用于空調(diào)領(lǐng)域的實(shí)踐很少，這是由于現(xiàn)有的吸附制冷技術(shù)上尚不能很好的滿(mǎn)足空調(diào)的用冷要求，本文在分析吸附制冷獨(dú)有特點(diǎn)基礎(chǔ)上分析了其在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞： 吸附制冷 研究概況 空調(diào)應(yīng)用1 引言吸附制冷系統(tǒng)以太陽(yáng)能、工業(yè)余熱等低品位能源作為驅(qū)動(dòng)力，采用非氟氯烴類(lèi)物質(zhì)作為制冷劑，系統(tǒng)中很少使用運(yùn)

2、動(dòng)部件，具有節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪音、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等突出優(yōu)點(diǎn)，因此受到了國(guó)內(nèi)外制冷界人士越來(lái)越多的關(guān)注。吸附制冷的基本原理是：多孔固體吸附劑對(duì)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(shí)，釋放出制冷劑氣體，并在冷凝器內(nèi)凝為液體；吸附時(shí)，蒸發(fā)器中的制冷劑液體蒸發(fā)，產(chǎn)生冷量。圖1是吸附制冷的理想基本循環(huán)系統(tǒng)示意圖，圖2是理想基本循環(huán)熱力圖。圖1 理想基本循環(huán)系統(tǒng)示意圖圖2 理想基本循環(huán)熱力圖圖1中、為切換系統(tǒng)吸附解吸狀態(tài)的控制閥門(mén)，為節(jié)流閥；圖2中、分別為吸附態(tài)吸附率和解吸態(tài)吸附率，、為吸附起始和終了溫度，、為解吸起始和終了

3、溫度。吸附制冷理想基本循環(huán)的由四個(gè)過(guò)程組成：(1)12，等容升壓；(2)23，等壓解吸；(3)34，等容降壓；(4)41，等壓吸附。(1)(2)過(guò)程需要加熱，(3)(4)過(guò)程需要冷卻，12561為制冷劑循環(huán)過(guò)程，當(dāng)吸附床處于41階段時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生冷量。2 吸附制冷技術(shù)研究進(jìn)展吸附制冷工作原理最早是由Faraday提出的1，而后在20世紀(jì)20年代才真正開(kāi)始了吸附制冷系統(tǒng)的相關(guān)研究，由于當(dāng)時(shí)提出的吸附制冷系統(tǒng)系統(tǒng)在商業(yè)上根本無(wú)法與效率高得多、功率大得多的系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)，因而并未受到足夠的重視。20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)為吸附式制冷技術(shù)的發(fā)展提供了契機(jī)，因?yàn)槲街评湎到y(tǒng)可用低品位熱源驅(qū)動(dòng)，在余熱利用和太陽(yáng)能

4、利用方面具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著全球環(huán)境保護(hù)的呼聲越來(lái)越高，不使用氟氯烴作為制冷劑的吸附制冷技術(shù)引起了制冷界人士的廣泛興趣，從而使得吸附制冷技術(shù)的研究得以蓬勃的發(fā)展起來(lái)2。吸附制冷吸附研究主要包括工質(zhì)對(duì)性能、吸附床的傳熱傳質(zhì)性能和系統(tǒng)循環(huán)與結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面的工作，無(wú)論哪一個(gè)方面的研究都是以化工和熱工理論為基礎(chǔ)的，例如傳熱機(jī)理、傳質(zhì)機(jī)理等等，限于篇幅，本文僅從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)概括吸附制冷的研究進(jìn)展。2.1 吸附工質(zhì)對(duì)性能研究吸附制冷技術(shù)能否得到工業(yè)應(yīng)用很大程度上取決于所選用的工質(zhì)對(duì)，工質(zhì)對(duì)的熱力性質(zhì)對(duì)系統(tǒng)性能系數(shù)、初投資等影響很大，要根據(jù)實(shí)際熱源的溫度選擇合適的工質(zhì)對(duì)。從20世紀(jì)

5、80年代初到90年代中期，研究人員為吸附工質(zhì)對(duì)的篩選做了大量的工作，逐漸優(yōu)化出了幾大體系的工質(zhì)對(duì)。按吸附劑分類(lèi)的吸附工質(zhì)對(duì)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(xué)體系）2, 3。由于化學(xué)吸附在經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后吸附劑會(huì)發(fā)生變性，因而對(duì)幾種物理吸附類(lèi)吸附體系的研究較多。幾種常用工質(zhì)體系的工作特性總結(jié)于表14。表1 固體吸附制冷工質(zhì)對(duì)的工作特性和應(yīng)用范圍 工質(zhì)對(duì)制冷劑毒性真空度系統(tǒng)耐壓強(qiáng)度解吸溫度驅(qū)動(dòng)熱能標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)汽化潛熱kJ/kg沸石水1002258無(wú)高低150高溫余熱硅膠水1002258無(wú)高低100太陽(yáng)能、低溫余熱活性炭甲醇651102有高適中110太陽(yáng)能、低溫

6、余熱活性炭乙醇79842無(wú)適中適中100太陽(yáng)能、低溫余熱活性炭纖維甲醇651102有高適中120太陽(yáng)能、低溫余熱氯化鈣氨341368有低高95太陽(yáng)能、低溫余熱近幾年來(lái)，研究人員在吸附工質(zhì)對(duì)方面的研究始終沒(méi)有停止，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)各種工質(zhì)對(duì)的工作特性進(jìn)行了廣泛的研究。綜合考慮強(qiáng)化吸附劑的傳熱傳質(zhì)性能，開(kāi)發(fā)出較為理想的、環(huán)保型吸附工質(zhì)對(duì)，從根本上改變吸附制冷工業(yè)化過(guò)程中所面臨的實(shí)際困難，是推動(dòng)固體吸附式制冷工業(yè)技術(shù)早日工業(yè)化的關(guān)鍵。2.2 吸附床的傳熱傳質(zhì)性能研究吸附床的傳熱傳質(zhì)特性對(duì)吸附式制冷系統(tǒng)有較大的影響。一方面，吸附床的傳熱效率和傳質(zhì)特性直接影響制冷系統(tǒng)對(duì)熱源的利用；另一方面，傳熱傳

7、質(zhì)越快，循環(huán)周期越短，則單位時(shí)間制冷量越大。因此，提高吸附床的傳熱傳質(zhì)性能是吸附式制冷效率提高的關(guān)鍵。傳質(zhì)速率主要取決于吸附解吸速度和吸附劑的傳質(zhì)阻力，吸附劑的傳質(zhì)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(nèi)的流程也對(duì)傳質(zhì)阻力有很大影響，合理的吸附劑填充方式和吸附器設(shè)計(jì)可以有效降低傳質(zhì)阻力。對(duì)于傳熱來(lái)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(gè)熱阻的角度出發(fā)，或者依靠增大換熱面積來(lái)增加總的換熱量，也就是通過(guò)合理的吸附器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)增加換熱量。在加強(qiáng)傳質(zhì)性能方面，比較有效的方法是

8、通過(guò)改變吸附劑顆粒的形狀增加床層孔隙率以及在吸附床設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置制冷劑氣體的流動(dòng)通道。吸附器傳熱性質(zhì)的加強(qiáng)首先是對(duì)吸附劑的處理，目前比較公認(rèn)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(dǎo)熱系數(shù)材料；通過(guò)固結(jié)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(shí)或粘貼等方法。在吸附床的設(shè)計(jì)上，比較成熟的吸附床結(jié)構(gòu)有翅片管式、板式、螺旋板式等6。傳熱和傳質(zhì)的加強(qiáng)經(jīng)常是關(guān)聯(lián)在一起的，二者有時(shí)是對(duì)立的有時(shí)是統(tǒng)一的，例如床層孔隙率的增加會(huì)減小傳質(zhì)阻力，但卻導(dǎo)致導(dǎo)熱熱阻的增加；而一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

9、良好的吸附器往往會(huì)同時(shí)對(duì)傳熱和傳質(zhì)起到促進(jìn)作用，例如Melkon7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(shí)施傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化措施時(shí)必須綜合全面的考慮，選取最佳的方案。2.3 系統(tǒng)循環(huán)與結(jié)構(gòu)的研究從工作原理來(lái)看，吸附制冷循環(huán)可分為間歇型和連續(xù)型，間歇型表示制冷是間歇進(jìn)行的，往往采用一臺(tái)吸附器；連續(xù)型則采用二臺(tái)或二臺(tái)以上的吸附器交替運(yùn)行，可保障連續(xù)吸附制冷。如果吸附制冷單純由加熱解吸和冷卻吸附過(guò)程構(gòu)成，則對(duì)應(yīng)的制冷循環(huán)方式為基本型吸附制冷循環(huán)。如果對(duì)吸附床進(jìn)行回?zé)?，則根據(jù)回?zé)岱绞讲煌?，可有雙床回?zé)?、多床回?zé)?、熱波與對(duì)流熱波等循環(huán)方式。單闡述一下幾種循環(huán)的基本原理?；狙h(huán)

10、在吸附制冷基本原理中已作介紹，其制冷過(guò)程是間歇進(jìn)行的，增加床數(shù)并通過(guò)閥門(mén)的切換可實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷，但床與床之間無(wú)能量的交換。20世紀(jì)80年代后期，Tchernev8、Meunier和Douss9等構(gòu)建了雙床回?zé)嵫h(huán)，所謂回?zé)峒蠢靡粋€(gè)吸附床吸附時(shí)放出的吸附熱和顯熱作為另一個(gè)吸附床的解吸熱量，回?zé)岬睦寐蕦㈦S著床數(shù)的增加而增加?；?zé)嵫h(huán)依靠床與床之間能量的交換來(lái)實(shí)現(xiàn)顯熱、吸附熱等熱量的回收，不僅可實(shí)現(xiàn)連續(xù)供冷，而且可大大提高系統(tǒng)COP。熱波循環(huán)也是回?zé)崂玫囊环N循環(huán)方式，是由Shelton10提出的。普通回?zé)嵫h(huán)中吸附床的溫度隨時(shí)間逐漸下降，同時(shí)解吸床的溫度逐漸上升，當(dāng)兩床溫度達(dá)到同一溫度后，便無(wú)法

11、繼續(xù)利用回?zé)岫璨捎猛獠繜嵩蠢^續(xù)解吸過(guò)程。Shelton認(rèn)為，在吸附床中，如果能使床溫在與熱媒流動(dòng)相垂直的方向上保持一致，而在熱媒流動(dòng)方向上產(chǎn)生一陡坡（熱波），則能大大提高回?zé)嵝?。這一概念所描述回?zé)嵝屎芨?，但其?shí)現(xiàn)尚有一定困難。對(duì)流熱波循環(huán)是由Critoph11提出的，這種循環(huán)方式利用制冷劑氣體和吸附劑間的強(qiáng)制對(duì)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(jù)吸附式系統(tǒng)的特點(diǎn)和溫度源的選擇，還可構(gòu)筑多級(jí)和復(fù)疊循環(huán)制冷系統(tǒng)2。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看上述循環(huán)目前都是采用固定床方式實(shí)現(xiàn)的，因此在此有必要提及一種旋轉(zhuǎn)式吸附制冷系統(tǒng)，這種系統(tǒng)形式最早在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)在美國(guó)的一些專(zhuān)利

12、文獻(xiàn)中，但直到2000年左右才有比較系統(tǒng)的研究見(jiàn)諸報(bào)道12, 13。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)方式使多個(gè)吸附制冷單元聯(lián)合運(yùn)行，有效地利用了回?zé)幔⒃诶淞枯敵龅倪B續(xù)性、穩(wěn)定性和系統(tǒng)可控性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)的優(yōu)于以往的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式。3 吸附制冷技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用前景目前投入實(shí)用的吸附制冷系統(tǒng)主要集中在制冰和冷藏兩個(gè)方面，用于空調(diào)領(lǐng)域的實(shí)踐很少，只有少量在車(chē)輛和船舶上應(yīng)用的報(bào)道。這主要是因?yàn)槲街评湎到y(tǒng)暫時(shí)尚無(wú)法很好的克服COP值偏低、制冷量相對(duì)較小、體積較大等固有的缺點(diǎn)，此外其冷量冷輸出的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可控性較差也使其目前不能滿(mǎn)足空調(diào)用冷的要求。趙加寧14提出在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，可以結(jié)合冰蓄冷或作為常規(guī)冷源

13、補(bǔ)充兩種方式將吸附制冷用于建筑空調(diào)。本文認(rèn)為吸附制冷技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)立足于本身特殊的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，在特殊應(yīng)用場(chǎng)合占據(jù)自己的位置。吸附制冷與常規(guī)制冷方式相比，其最大的優(yōu)勢(shì)在于利用太陽(yáng)能和廢熱驅(qū)動(dòng)，極少耗電，而與同樣使用熱量作為驅(qū)動(dòng)力的吸收式制冷相比，吸附式制冷系統(tǒng)的良好抗震性又是吸收系統(tǒng)無(wú)法相比的。在太陽(yáng)能或余熱充足的場(chǎng)合和電力比較貧乏的偏遠(yuǎn)地區(qū)，吸附制冷具有良好的應(yīng)用前景。3.1 可用于吸附制冷的熱力資源我國(guó)太陽(yáng)能資源很豐富，年平均日照量為5.9GJ/(m2·a) 14。利用太陽(yáng)能制冷是非常合理的，因?yàn)樘?yáng)能輻射最強(qiáng)的地區(qū)，通常是最需要能量制冷的地區(qū)，并且太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的時(shí)候也

14、是最需要制冷的時(shí)候。我國(guó)工業(yè)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(yè)余熱統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)15表明：我國(guó)工業(yè)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(chē)和船舶等振動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用成為可能。雖然吸收式制冷系統(tǒng)的工藝比較成熟，也可直接利用排氣廢熱，COP值相對(duì)于吸附式制冷來(lái)說(shuō)也較高，但在車(chē)船這樣的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，吸收式系統(tǒng)的溶液容易從發(fā)生器進(jìn)入冷凝器以及從吸收器進(jìn)入蒸發(fā)器，從而污染制冷劑以致不能正常運(yùn)行。而吸附制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，能滿(mǎn)足車(chē)船的特殊要求。常規(guī)汽車(chē)空調(diào)中使用的壓縮機(jī)要消耗大量的機(jī)械功，通常開(kāi)動(dòng)空調(diào)后，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)

15、功率要降低1012，耗油量增加1020。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率一般為3540左右，約占燃料發(fā)熱量1/2以上的能量被發(fā)動(dòng)機(jī)排氣及循環(huán)冷卻水帶走，其中排氣帶走的能量占燃料發(fā)熱量的30以上，在高速大負(fù)荷時(shí)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度都在400500以上16。船舶柴油機(jī)的熱效率一般只有3040，約占燃料發(fā)熱量1/2的能量被柴油機(jī)的氣缸冷卻水及排氣等帶走。其中柴油機(jī)冷卻水溫度約為6085，所帶走的熱量約占燃料總發(fā)熱量的25；而柴油機(jī)排氣余熱的特點(diǎn)是溫度高，所帶走的熱量約占燃料總發(fā)熱量的3517。3.2 吸附制冷系統(tǒng)自身的改進(jìn)吸附制冷系統(tǒng)能否最終在空調(diào)領(lǐng)域取得自己穩(wěn)固的地位，最主要還要依靠吸附制冷系統(tǒng)自身性能的提高。在

16、COP、單位質(zhì)量吸附劑制冷量、單位時(shí)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(diào)負(fù)荷對(duì)冷量的要求與制冰和冷藏系統(tǒng)不同，在實(shí)際中無(wú)論是建筑物還是車(chē)船的空調(diào)負(fù)荷都是動(dòng)態(tài)變化的，這就要求冷源能夠及時(shí)響應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)的冷量要求，并且能夠保證連續(xù)的在一定時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)供應(yīng)冷量。吸附式制冷由于本身固有的特點(diǎn)，使其在試圖進(jìn)行連續(xù)供冷時(shí)制冷量以波的形式出現(xiàn)。而且目前吸附式制冷系統(tǒng)運(yùn)行的控制手段比較單一，公認(rèn)的途徑有兩個(gè)：一是通過(guò)改變解吸階段的加熱速率以及吸附階段的冷卻速率來(lái)改變循環(huán)周期；二是強(qiáng)行改變等壓吸附時(shí)間，利用吸附過(guò)程中不同階段的吸附速度不同來(lái)調(diào)節(jié)冷量。由于吸附制冷系統(tǒng)

17、的慢響應(yīng)特性，這樣的控制手段無(wú)法使系統(tǒng)的冷量輸出滿(mǎn)足空調(diào)冷負(fù)荷經(jīng)常變化的要求。冷量供應(yīng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可控性可以統(tǒng)稱(chēng)為冷量品質(zhì)，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(zhì)是吸附制冷系統(tǒng)走向空調(diào)領(lǐng)域亟待解決的重要課題。4 結(jié)論本文簡(jiǎn)要介紹了吸附式制冷的基本原理，并從吸附工質(zhì)對(duì)性能、吸附床傳熱傳質(zhì)性能和系統(tǒng)循環(huán)幾個(gè)方面介紹了吸附制冷技術(shù)的研究概況。吸附制冷技術(shù)目前在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用較少，本文認(rèn)為吸附制冷憑借自身以太陽(yáng)能和廢熱為驅(qū)動(dòng)力、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行可靠等優(yōu)勢(shì)，將來(lái)很有希望在特殊場(chǎng)合的空調(diào)應(yīng)用中找到自己穩(wěn)固的立足點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1.E Hahre. Thermal energy stor

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