吸附制冷技術(shù)研究概況及在空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用的前景分析

吸附制冷技術(shù)探討概況及在空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用的前景分析摘要：與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)相比，吸附制冷技術(shù)由于具有一些獨特的優(yōu)點，近年來受到了制冷界人士的廣泛關(guān)注，國內(nèi)外在吸附制冷技術(shù)的發(fā)展上進(jìn)行了大量的探討工作。本文簡要敘述了吸附制冷的工作原理，對吸附制冷技術(shù)的探討進(jìn)展進(jìn)行了綜述。近年投入好用的吸附制冷系統(tǒng)主要集中在制冰和冷藏兩個方面，而用于空調(diào)領(lǐng)域的實踐很少，這是由于現(xiàn)有的吸附制冷技術(shù)上尚不能很好的滿意空調(diào)的用冷要求，本文在分析吸附制冷獨有特點基礎(chǔ)上分析了其在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：吸附制冷探討概況空調(diào)應(yīng)用1引言吸附制冷系統(tǒng)以太陽能、工業(yè)余熱等低品位能源作為驅(qū)動力，采納非氟氯烴類物質(zhì)作為制冷劑，系統(tǒng)中很少運用運動部件，具有節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡潔、無噪音、運行穩(wěn)定牢靠等突出優(yōu)點，因此受到了國內(nèi)外制冷界人士越來越多的關(guān)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，吸附實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(nèi)凝為液體；吸附時，蒸發(fā)器中的制冷劑液體蒸發(fā)，產(chǎn)生冷量。圖1是吸附制冷的志向基本循環(huán)系統(tǒng)示意圖，圖2是志向基本循環(huán)熱力圖。圖1志向基本循環(huán)系統(tǒng)示意圖圖2志向基本循環(huán)熱力圖圖1中、為切換系統(tǒng)吸附／解吸狀態(tài)的限制閥門，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，、為解吸起始和終了溫度。吸附制冷志向基本循環(huán)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)過程須要加熱，(3)(4)過程須要冷卻，1→2→5→6→1為制冷劑循環(huán)過程，當(dāng)吸附床處于4→1階段時，系統(tǒng)產(chǎn)生冷量。2吸附制冷技術(shù)探討進(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年頭才真正起先了吸附制冷系統(tǒng)的相關(guān)探討，由于當(dāng)時提出的吸附制冷系統(tǒng)系統(tǒng)在商業(yè)上根本無法與效率高得多、功率大得多的系統(tǒng)競爭，因而并未受到足夠的重視。20世紀(jì)70年頭的能源危機(jī)為吸附式制冷技術(shù)的發(fā)展供應(yīng)了契機(jī)，因為吸附制冷系統(tǒng)可用低品位熱源驅(qū)動，在余熱利用和太陽能利用方面具有獨到的優(yōu)點。進(jìn)入20世紀(jì)90年頭，隨著全球環(huán)境愛護(hù)的呼聲越來越高，不運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愛好，從而使得吸附制冷技術(shù)的探討得以蓬勃的發(fā)展起來[2]。吸附制冷吸附探討主要包括工質(zhì)對性能、吸附床的傳熱傳質(zhì)性能和系統(tǒng)循環(huán)與結(jié)構(gòu)等幾個方面的工作，無論哪一個方面的探討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)展的角度來概括吸附制冷的探討進(jìn)展。2.1吸附工質(zhì)對性能探討吸附制冷技術(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，工質(zhì)對的熱力性質(zhì)對系統(tǒng)性能系數(shù)、初投資等影響很大，要依據(jù)實際熱源的溫度選擇合適的工質(zhì)對。從20世紀(jì)80年頭初到90年頭中期，探討人員為吸附工質(zhì)對的篩選做了大量的工作，漸漸優(yōu)化出了幾大體系的工質(zhì)對。按吸附劑分類的吸附工質(zhì)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(xué)體系）[2,3]。由于化學(xué)吸附在經(jīng)過多次循環(huán)后吸附劑會發(fā)生變性，因而對幾種物理吸附類吸附體系的探討較多。幾種常用工質(zhì)體系的工作特性總結(jié)于表1[4]。表1固體吸附制冷工質(zhì)對的工作特性和應(yīng)用范圍工質(zhì)對制冷劑毒性真空度系統(tǒng)耐壓強(qiáng)度解吸溫度℃驅(qū)動熱能標(biāo)準(zhǔn)沸點℃汽化潛熱kJ/kg沸石－水1002258無高低＞150高溫余熱硅膠－水1002258無高低100太陽能、低溫余熱活性炭－甲醇651102有高適中110太陽能、低溫余熱活性炭－乙醇79842無適中適中100太陽能、低溫余熱活性炭纖維－甲醇651102有高適中120太陽能、低溫余熱氯化鈣－氨－341368有低高95太陽能、低溫余熱近幾年來，探討人員在吸附工質(zhì)對方面的探討始終沒有停止，從理論和試驗兩個方面對各種工質(zhì)對的工作特性進(jìn)行了廣泛的探討。綜合考慮強(qiáng)化吸附劑的傳熱傳質(zhì)性能，開發(fā)出較為志向的、環(huán)保型吸附工質(zhì)對，從根本上變更吸附制冷工業(yè)化過程中所面臨的實際困難，是推動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)性能探討吸附床的傳熱傳質(zhì)特性對吸附式制冷系統(tǒng)有較大的影響。一方面，吸附床的傳熱效率和傳質(zhì)特性干脆影響制冷系統(tǒng)對熱源的利用；另一方面，傳熱傳質(zhì)越快，循環(huán)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(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確定的，此外制冷劑氣體在吸附劑內(nèi)的流程也對傳質(zhì)阻力有很大影響，合理的吸附劑填充方式和吸附器設(shè)計可以有效降低傳質(zhì)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動身，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(jié)構(gòu)設(shè)計來增加換熱量。在加強(qiáng)傳質(zhì)性能方面，比較有效的方法是通過變更吸附劑顆粒的形態(tài)增加床層孔隙率以及在吸附床設(shè)計時設(shè)置制冷劑氣體的流淌通道。吸附器傳熱性質(zhì)的加強(qiáng)首先是對吸附劑的處理，目前比較公認(rèn)的方法有：采納二元混合物，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；通過固結(jié)等手段變更顆粒形態(tài)，增大相互之間的傳熱面積，削減顆粒間的接觸熱阻[5]。減小吸附劑與吸附器翅片或器壁之間接觸熱阻可采納壓實或粘貼等方法。在吸附床的設(shè)計上，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)常常是關(guān)聯(lián)在一起的，二者有時是對立的有時是統(tǒng)一的，例如床層孔隙率的增加會減小傳質(zhì)阻力，但卻導(dǎo)致導(dǎo)熱熱阻的增加；而一個結(jié)構(gòu)設(shè)計良好的吸附器往往會同時對傳熱和傳質(zhì)起到促進(jìn)作用，例如Melkon[7]所采納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，在詳細(xì)實施傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化措施時必需綜合全面的考慮，選取最佳的方案。2.3系統(tǒng)循環(huán)與結(jié)構(gòu)的探討從工作原理來看，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，往往采納一臺吸附器；連續(xù)型則采納二臺或二臺以上的吸附器交替運行，可保障連續(xù)吸附制冷。假如吸附制冷單純由加熱解吸和冷卻吸附過程構(gòu)成，則對應(yīng)的制冷循環(huán)方式為基本型吸附制冷循環(huán)。假如對吸附床進(jìn)行回?zé)?，則依據(jù)回?zé)岱绞讲煌?，可有雙床回?zé)?、多床回?zé)?、熱波與對流熱波等循環(huán)方式。下面簡潔闡述一下幾種循環(huán)的基本原理?；狙h(huán)在吸附制冷基本原理中已作介紹，其制冷過程是間歇進(jìn)行的，增加床數(shù)并通過閥門的切換可實現(xiàn)連續(xù)制冷，但床與床之間無能量的交換。20世紀(jì)80年頭后期，Tchernev[8]、Meunier和Douss[9]等構(gòu)建了雙床回?zé)嵫h(huán)，所謂回?zé)峒蠢靡粋€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?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實現(xiàn)顯熱、吸附熱等熱量的回收，不僅可實現(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Shelton[10]提出的。一般回?zé)嵫h(huán)中吸附床的溫度隨時間漸漸下降，同時解吸床的溫度漸漸上升，當(dāng)兩床溫度達(dá)到同一溫度后，便無法接著利用回?zé)岫璨杉{外部熱源接著解吸過程。Shelton認(rèn)為，在吸附床中，假如能使床溫在與熱媒流淌相垂直的方向上保持一樣，而在熱媒流淌方向上產(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?，但其實現(xiàn)尚有肯定困難。對流熱波循環(huán)是由Critoph[11]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)制對流，采納高壓制冷劑蒸汽干脆加熱、冷卻吸附劑而獲得較高的熱流密度。依據(jù)吸附式系統(tǒng)的特點和溫度源的選擇，還可構(gòu)筑多級和復(fù)疊循環(huán)制冷系統(tǒng)[2]。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看上述循環(huán)目前都是采納固定床方式實現(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年頭出現(xiàn)在美國的一些專利文獻(xiàn)中，但直到2000年左右才有比較系統(tǒng)的探討見諸報道[12,13]。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采納旋轉(zhuǎn)方式使多個吸附制冷單元聯(lián)合運行，有效地利用了回?zé)?，并在冷量輸出的連續(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)用前景目前投入好用的吸附制冷系統(tǒng)主要集中在制冰和冷藏兩個方面，用于空調(diào)領(lǐng)域的實踐很少，只有少量在車輛和船舶上應(yīng)用的報道。這主要是因為吸附制冷系統(tǒng)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(xù)性、穩(wěn)定性和可控性較差也使其目前不能滿意空調(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)冷源補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)立足于本身特別的優(yōu)勢，揚長避短，在特別應(yīng)用場合占據(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)勢在于利用太陽能和廢熱驅(qū)動，極少耗電，而與同樣運用熱量作為驅(qū)動力的汲取式制冷相比，吸附式制冷系統(tǒng)的良好抗震性又是汲取系統(tǒng)無法相比的。在太陽能或余熱足夠的場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]。利用太陽能制冷是特別合理的，因為太陽能輻射最強(qiáng)的地區(qū)，通常是最須要能量制冷的地區(qū)，并且太陽輻射最強(qiáng)的時候也是最須要制冷的時候。我國工業(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)計數(shù)據(jù)[15]表明：我國工業(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和船舶等振動場合的應(yīng)用成為可能。雖然汲取式制冷系統(tǒng)的工藝比較成熟，也可干脆利用排氣廢熱，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，汲取式系統(tǒng)的溶液簡潔從發(fā)生器進(jìn)入冷凝器以及從汲取器進(jìn)入蒸發(fā)器，從而污染制冷劑以致不能正常運行。而吸附制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、牢靠性高、運行維護(hù)費用低，能滿意車船的特別要求。常規(guī)汽車空調(diào)中運用的壓縮機(jī)要消耗大量的機(jī)械功，通常開動空調(diào)后，汽車發(fā)動機(jī)功率要降低10～12％，耗油量增加10～20％。汽車發(fā)動機(jī)的效率一般為35％～40％左右，約占燃料發(fā)熱量1/2以上的能量被發(fā)動機(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，汽車發(fā)動機(jī)排氣溫度都在400℃～500℃以上[16]。船舶柴油機(jī)的熱效率一般只有30％～40％，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60℃～85℃，所帶走的熱量約占燃料總發(fā)熱量的25％；而柴油機(jī)排氣余熱的特點是溫度高，所帶走的熱量約占燃料總發(fā)熱量的35％[17]。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COP、單位質(zhì)量吸附劑制冷量、單位時間制冷量的提高等探討方向上，很多探討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)荷對冷量的要求與制冰和冷藏系統(tǒng)不同，在實際中無論是建筑物還是車船的空調(diào)負(fù)荷都是動態(tài)變更的，這就要求冷源能夠剛好響應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)的冷量要求，并且能夠保證連續(xù)的在肯定時間內(nèi)平穩(wěn)供應(yīng)冷量。吸附式制冷由于本身固有的特點，使其在試圖進(jìn)行連續(xù)供冷時制冷量以波的形式出現(xiàn)。而且目前吸附式制冷系統(tǒng)運行的限制手段比較單一，公認(rèn)的途徑有兩個：一是通過變更解吸階段的加熱速率以及吸附階段的冷卻速率來變更循環(huán)周期；二是強(qiáng)行變更等壓吸附時間，利用吸附過程中不同階段的吸附速度不同來調(diào)整冷量。由于吸附制冷系統(tǒng)的慢響應(yīng)特性，這樣的限制手段無法使系統(tǒng)的冷量輸出滿意空調(diào)冷負(fù)荷常常變更的要求。冷量供應(yīng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可控性可以統(tǒng)稱為冷量品質(zhì)，目前這方面的探討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)論本文簡要介紹了吸附式制冷的基本原理，并從吸附工質(zhì)對性能、吸附床傳熱傳質(zhì)性能和系統(tǒng)循環(huán)幾個方面介紹了吸附制冷技術(shù)的探討概況。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能和廢熱為驅(qū)動力、節(jié)能環(huán)保、運行牢靠等優(yōu)勢，將來很有希望在特別場合的空調(diào)應(yīng)用中找到自己穩(wěn)固的立足點。參考文獻(xiàn)1.EHahre.Thermalenergystoragesomeviewsonsomeproblems.ProceedingConferenceHeatTransfer.1988：279～2922.王如竹等．吸附式制冷．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20023.張學(xué)軍，施峰，曾言行．固體吸附工質(zhì)對的探討．新能源，1998，20（1）：27～314.崔群，陶剛，姚虎卿．固體吸附制冷吸附劑的探討進(jìn)展．南京化工高校學(xué)報，1999，21（6）：102～107．5.王如竹，戴巍，周衡翔．吸附式制冷探討概況．低溫與特氣，1994，（4）：1～76.張輝，滕毅，王如竹．吸附式制冷系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)的簡化分析及吸附床的設(shè)計．低溫工程，1995，（6）：43～487.MelkonTather.Theeffectsofthermalandmassdiffusivitiesontheperformanceofadsorptionheatpumpsemployingzeolitesynthesizedonmetalsupports.MicroporousandMesoporousMaterials,1999,28:195～2038.TchernevDI,etal.Highefficiencyregenerativezeoliteheatpump.ASHRAETrans,1998,94：2024～20329.DoussN,MeunierFEandSunLM.Predictivemodelandexperimentalresultsforatwoadsorbersolidadsorptionheatpump.Ind.Eng.Chem.Res.,1988,27(2):310～31610.SheltonSV,Analysisofthesolid/vaporheatpump.ASMEJournalofEnergyResourceTechnology.1990,