吸附式制冷的制冷原理

吸附式制冷的制冷原理
吸附制冷系统是以热能为动力的能量转换系统。

其道理是：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用。

吸附能力随吸附温度的不同而不同。

周期性地冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解析。

解析时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；吸附时，制冷级液体蒸发，产生制冷作用。

所以，吸附制冷的工作介质是吸附剂-制冷剂工质对，工质对有多种，按吸附的机理说，有物理吸附与化学吸附之别。

以常见的沸石-水吸附对为例。

沸石是一种铝硅酸盐矿物，它能够吸附水蒸气，且吸附能力的变化对温度特别敏感。

因而它们是较理想的吸附制冷工质对之一。

图1示出一个利用太阳能驱动的沸石-水吸附制冷系统原理。

它包括吸附床、冷凝器和蒸发器，用管道连接成一个封闭的系统。

吸附床是充装了吸附剂（沸石）的金属盒；制冷剂液体（水）贮集在蒸发器中。

白天，吸附床受到日照加热，沸石温度升高，产生解吸作用。

从沸石中脱附出水蒸气，系统内的水蒸气压力上升，达到与环境温度对应的饱和压力时，水蒸气在冷凝器中凝结，同时放出潜热，凝水贮存在蒸发器中。

夜间，吸附床冷下来，沸石温度逐渐降低，它吸附水蒸气的能力逐步提高，造成系统内气体压力降低，同时，蒸发器中的水不断蒸发出来，用以补充沸石对水蒸气的吸附。

蒸发过程吸热，达到制冷的目的。

如果采用其它热源，只要保证能够交替地加热和冷却吸附床，使沸石周期性地解析和吸附，同样能达到制冷的目的。

由上可知，吸附制冷属于液体汽化制冷。

与蒸气压缩式制冷机相类比，吸附床起到压缩机的作用。

但上述吸附系统只能间歇制冷。

吸附器处于吸附过程中产生冷效应，吸附结束后必须有一个解析过程使吸附剂状态还原，这时将停止制冷。

为了连续制冷，可以采用两个吸附器。

美国学者乔纳斯（Jones）还提出用三个或四个吸附器进行系统循环，不仅实现连续制冷，还可以利用一个吸附床的排热去加热另一个吸附床，从而使热能充分利用。

现在对吸附制冷的研究正在不断深入和发展。

为了使吸附制冷成为一种使用话的制冷方式，人们在吸附工质对及其吸附机理、改善吸附床传热传质、以及吸附制冷的系统结构方面进行不懈的努力。

已研究的吸附工质对（吸附剂-制冷剂）主要由：沸石-水；硅胶-水；活性炭-甲醇；金属氢化物-氢；氯化锶-氨。

这些是物理吸附的工质对。

还有化学吸附的工质对，如氯化钙-氨。

各工质对地吸附动力学特性是吸附制冷的基础研究内容。

吸附制冷的循环速率受吸附床传热传质特性的制约。

颗粒状充填的吸附床，其传热过程缓慢，使循环周期拉长。

为了提高制冷循环速率，在改善吸附床传热传质方面现采取的主要措施是：1.将导热性好的铝粉和石磨加在吸附剂中。

2.将吸附剂成型加工，并烧结在金属壁面上。

这样做一来可以提高吸附剂的充填量，增加单位体积的吸附能力；二来可以降低吸附剂与金属壁面之间吸附剂与吸附剂之间的接触热阻。

3.增大吸附床金属壁的热交换表面积。

吸附制冷技术研究
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理想基本循环系统示意图图2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，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
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、Meunier和Douss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。

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。

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)。

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。

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％。

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。

中国李定宇教授成功地解决了吸附式制冷从实验室迈向工业化生产的
技术难题，开发了吸附式制冷厨用冷藏柜、船舶柴油机尾气冰箱等一系
列产品，公认为世界首创高新科技产品，国内外市场前景非常广阔，具有很大的社会效益和经济效益。

热能制冷，目前世界上有四种成熟技术，即氨水吸收式、氨氢水吸收扩散式、溴化锂吸收式、蒸汽喷射式。

这四种热能制冷技术，有专著、有产品。

前三种属于吸收式制冷范畴。

吸附式制冷原理不同于上述四种热能制冷技术，它与吸收式制冷是近亲。

人们将液体对气体吸收叫吸收，把固体对液体的吸收叫吸附。

吸附式制冷技术已有近百年的研究历史，但由于一些技术难关得不到解决，一直没有走出实验室，没有产品问世，在教科书中也不能占一席之地，几乎处于冬眠状态。

李定宇教授从 1 9 8 2 年开始着手研究吸附制冷问题，紧紧瞄准西方科学家未能解决的热效低、吸附时间长、温度波动大等一些难题，进行攻关，经过 1 8 年的艰苦探索和努力拼搏，终于打开了成功之门，使吸附制冷技术获得重大突破，走出了实验室。

1 9 9 0 年、 1 9 9 2 年、 1 9 9 6 年分别由中国机械工业部、中国轻工业部和中国科技院及中国航天工业总公司主持成果鉴定会，三次鉴定会的鉴定结论均是： " 世界领先、世界首创、市场前景广阔 " 。

并获得了中国发明专利、实用新型专利等十三项专利。

特别是近两年来，李定宇教授在上述三次鉴定会的基础上，突破性地否定了 " 吸附制冷是间歇制冷 " 这一定论。

成功地实现了吸附制冷的连续性，从而形成了独特的、有生命力的吸附制冷理论、设计方法，开辟了一系列产品，人们称这一系统工程为定宇制冷系统（简称 D Y 热能制冷技术）。

不少有识之士预言： D Y 热能技术及其系列产品将成为二十一世纪制冷行业的新兴产业。

吸附式制冷：新一代绿色技术
摘要：吸附制冷技术作为一种低品位热能驱动的绿色制冷技术，目前已经成为国际上普遍关注的一个学术方向。

文中简述了吸附制冷技术的发展历史，评述了吸附制冷技术在吸附剂、吸附理论、热量回收过
程、吸附床技术方面的进展，阐述了上海交通大学近几年来在吸附制冷方面取得的成果与典型样机，最后指出了吸附制冷技术今后的主要发展方向。

随着世界经济的发展以及能耗的增加，能源与环境问题目前已经成为全世界所共同关注的一个热点问题，吸附式制冷作为一种低品位热能驱动的绿色制冷技术，已经被认为其可能成为能源利用与环境保护的有效中间链。

推动吸附式制冷研究的原因可分为两个方面，一方面在于探索解决能源紧缺的可能途径。

自1973年中东战争引起世界性石油危机以来，能源问题成为了举世瞩目的重大问题。

解决世界能源问题的一个重要途径是有效利用低品位能源，包括可再生能源的开发利用以及各种余热的回收利用。

另一方面，臭氧层的破坏和全球气候变暖，是当前全球所面临的主要的环境问题,所以寻找CFCs和HCFCs等传统制冷剂的替代物(采用天然制冷剂)以及新型制冷方式已成为制冷技术研究的热点。

吸附式制冷原理为利用吸附剂对制冷剂的吸附作用造成制冷剂液体的蒸发,相应产生制冷效应. 吸附式制冷通常包含两个阶段：①冷却吸附→蒸发制冷：通过水、空气等热沉带走吸附剂显热与吸附热，完成吸附剂对制冷剂的吸附，制冷剂的蒸发过程实现制冷；②加热解吸→冷凝排热：吸附制冷完成后，再利用热能（如太阳能、废热等）提供吸附剂的解吸热，完成吸附剂的再生,解吸出的制冷剂蒸气在冷凝器中释放热量,重新回到液体状态。

吸附式制冷的驱动热源为50℃以上的工业废热和太阳能等低品位热能，同时吸附制冷所采用的制冷剂都是天然制冷剂，如水、氨、甲醇以及氢等，其臭氧层破坏系数(ODP)和温室效应系数(GWP)均为零。

与蒸汽压缩式制冷相比，吸附式制冷具有节能、环保、控制简单、运行费用低等优点；与液体吸收式系统相比，固体吸附式制冷适用的热源温区范围大、不需要溶液泵或精馏装置，也不存在制冷剂的污染、盐溶液结晶以及对金属的腐蚀等问题。

所以相对于吸收式制冷，吸附式制冷具有更为广阔的应用范围。

吸附式制冷可在一些废热可资利用的场合获得应用,例如利用动力装置余热获得空调制冷以及制冰,利用太阳能热水驱动获得夏季太阳能空调。

随着天然气的广泛应用，冷热电联产的分布式能源系统将成为我国能源利用系统的重要发展方向，小型吸附式制冷机组(10-200kW)尤其可以在冷热电联产中获得应用。

针对吸附式制冷——这一绿色节能制冷技术，文中首先介绍了吸附式制冷的发展历史，然后重点介绍了吸附制冷的研究进展以及上海交通大学的研究成果，并指出了今后的主要研究和发展方向。

太阳能吸附制冷冰箱
21世纪90年代，中国已经开始对太阳能吸附制冷冰箱的研究，但是大多数还局限在实验室，尚未达到预期的实用化程度，主要原因是受到制取温度高及太阳能的时间局限性的影响。

同时，太阳能吸附制冷冰箱室外吸附床和室内制冷器之间需要管路连接，也是影响太阳能吸附制冷冰箱进入批量生产阶段的主要障碍。

为了解决以上各种缺陷，国内研究人员从系统循环机理、吸附制冷工质对的选择、太阳能冰箱的性能、内外特性分析及优化设计等诸多方面对太阳能固体吸附式制冷技术进行了详细分析研究。

上海交通大学制冷所热环境研究室孙长江经过数年潜心研究，按照批量生产所要求的工艺和流程，制造了两台太阳能吸附式冰箱。

实验结果表明该冰箱性能较为稳定，证明这种太阳能冰箱在技术上已经具备了成熟的生产制造条件。

在太阳能吸附冰箱中，吸附工质对的选择非常重要。

国内研究人员尝试研究不同的吸附工质对的吸附特性，其中包括CoF2-NH3、SrCl2-NH3、活性炭-甲醇、活性炭-乙醇等。

实验结果表明，CoF2-NH3工质对的单位吸附量大，达到最大吸附量时的温度要求低，吸附周期短，并且多次重复吸附后既不结块、也不膨胀，为化学吸附式制冷系统的小型化和实用化提供了新的可能性；SrCl2-NH3工质对的吸附制冷量大，适宜太阳能或低品位余热驱动，是性能优良的工质对；活性炭-甲醇工质对较之活性炭-乙醇工质对更适用于太阳能固体吸附式制冰机中。

高效太阳能集热器是太阳能冰箱的关键部件，有非聚焦型太阳能集热器和聚焦型太阳能集热器两类。

其中，非聚焦型太阳能集热器分为平板型、真空管和CPC型三种，这三种集热器集热温度均不高，在250℃以下，属于低温或者中温太阳能集热器；聚焦型太阳能集热器分为槽式、碟式和塔式三种，通常情况下，这三种聚焦型集热器集热温度均可达300℃以上，属于中高温集热器。

对于太阳能冰箱而言，非聚焦型太阳能集热器主要应用于太阳能吸附制冷冰箱系统，而聚焦型太阳能集热器可应用于太阳能光电制冷冰箱系统。

目前，国内外对太阳能集热器的研究和利用多限于中低温范围。

各类制冷压缩机工作原理
制冷压缩机是空调系统的核心部件，通常称为制冷机的主机。

科学技术的进步，新式空调系统不断出现，推动了制冷压缩机制造技术的不断进步。

从目前制冷压缩机的发展趋势来看，结构紧凑、高效节能以及微振低噪等特点是空调压缩机制造技术不断追求的目标。

下面对制冷压缩机做一个概述.
作用:l、从蒸发器中吸m蒸气，以保证蒸发器内一定的蒸发压力；2、提高压力(压缩)，以创造在较高温度下冷凝的条件；3、输送制冷剂，使制冷剂完成制冷循环。

二、根据工作方式的不同，可分为两大类——容积型与速度型。

容积型压缩机是靠工作腔。