吸附式制冷教材

活性炭就主体而言 为非极性吸附剂，极 易从水溶液中吸附非 极性和长链有机物。 但活性炭表面有含氧 基团，所以对某些极 性物（特别非水体系 中）也有吸附能力 有机物的分子结构 和被吸附的关系
常用的制冷剂的要求
• • • • • • • 单位容积汽化潜热大 热稳定性好 无污染 不易燃 无毒 分子量小 压力范围0.1-0.5MPa(最好在263K到353K的温度范围内 其蒸汽压力接近大气压)
基本型间歇式吸附式制冷循环
冷凝器
V1
吸附器
储液器
V2
蒸发器 节流阀
基本型连续循环的吸附式制冷系统 连续型固体吸附式制冷系统有两只吸附 床，两床交替处于吸附状态和解吸状态。 • 运行时，其中一个处于解吸状态，吸 收热量，另一个处于吸附状态，释放热量。
•
冷 却 水
P T
节流阀 冷凝器 贮液器 风机盘管
吸附与解吸过程
• 在吸附式制冷系统中吸附和解吸从理论上来说是 恒压过 程 • 固体吸附剂受热解吸出制冷剂，在制冷剂压力达到冷凝压 力时即开始解吸-冷凝过程，制冷剂被冷凝成液体;反之当 吸附剂受到冷却时，当吸附床压力低于蒸发压力时即能开 始吸附蒸汽，制冷剂液体蒸发，实现制冷。 在蒸发过程中： 制冷剂吸收蒸发潜热，由液体蒸发成气体 在冷凝过程中： 制冷剂排放冷凝潜热，有蒸气冷凝成液体
硅胶制成的产品
A型硅胶，孔径2-3nm,可用于各种 干燥场合
B型硅胶，孔径0.7nm，仅用于 相对湿度大于50%的场合
活性氧化铝 （activated aluminum oxide)
活性氧化铝
• 活性氧化铝是具有吸附和催化性能的多孔大表面氧化铝。通 常氧化铝按晶型可以分为8种类型：α 型、β 型、γ 型、θ 型、η 型、χ 型、κ 型、ρ 型。 • 是一种多孔性、高分散度的固体材料，平均孔径40-50nm
常用制冷剂
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1.水(R-718)
水无毒、无污染，不可燃、来源丰富。是一种 天然制冷剂. 它能很好的满足上述制冷剂的要求 但它对于蒸发温度低于0°的场合是不适用的， 因为低于0°后水会结冰，造成管路破坏。
• 2.二氧化碳 (CO2) (R-744)
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二氧化碳(CO2)是一种天然制冷剂. 它在19世纪末20世 纪初停止使用，现在正在研究重新对它的使用。用于蒸气 压缩循环正位移压缩机。在32℃ 时CO2的冷凝压力超过 6MPA，这是一个挑战。而且，CO2的临界点很低，能效 差。尽管如此，仍可能有一些应用，如复叠制冷，CO2将 是有用的。
吸附式制冷在余热利用中应用
汽车发动机工作时，用于动力输出的功一般只占燃油 燃烧总热量的的30％～42％ （柴油机）或25％～30 ％（汽油机）。以废热形式排除车外的能量占燃烧总 能量的58％～70％（柴油机）或70％～75％（汽油 机）。 发动机排气温度一般达到450～550℃，考虑露点腐蚀 问题，最终排气温度不低于180℃，一般可以利用的废 热量为总热量的16％左右。 工厂排除的废水或废气的温度也一般在150℃以上， 能合理的利用这些废热也是一种节能的好途径。
平板式太阳能吸附式制冷技术
• 平板式吸附制冷系统的特点是吸附床为平板式吸附集热器 结构，吸附器和集热器的功能合二为一。平板式吸附集热 器耐压能力较差，通常不适用于在较高的压力下工作，因 此平板式吸附制冷系统多选用真空状态下工作的吸附工质 对，如活性炭-甲醇，分子筛-水等。 • 可以利用低品位热源驱动，通过工质对的吸附和解析过程 来达到制冷效果 • 应用：吸附式制冷冰箱、冷藏柜、汽车空调，渔船制冰机
硅胶的物理结构 硅胶的孔结构由组成硅胶的胶态SiO2 质点的大小及其堆积方式决定的。
硅胶的骨架（SiO2)是以硅原子为中心， 氧原子为顶点的Si-O四面体在空间不太 规则的堆积而成的无定形体
硅胶的性能
硅胶的性能是亲水性，其孔径单一而狭窄，由于硅胶表面 烃基产生一定的极性，所以对极性的氧化物如水，醇等均能 形成氢键，其吸附力大，并随极性的增强而增强。硅胶结构 中的烃基是它的吸附中心，一个烃基吸附一个分子的水。其 对水的吸附量大，但缺点是它吸附水分时，放出的吸附热很 大，在常温下吸附能使硅胶的温度上升到100°，并使硅胶粉 碎。
• 3.氨(NH3) (R-717)
• 氨(NH3)被认为是一种效率最高的天然制冷剂。它是一种 今天仍在使用的“原始”制冷剂。它属于天然工质，不破 坏环境。氨有轻微的毒性，在空气中有燃爆的危险，但它 的刺激性气味使人可以及时发现并处理泄露问题。在吸附 制冷中，主要在制冰场合。
活性炭/甲醇
• • 是太阳能吸附制冷中应用最广的工质对。 以活性炭为吸附剂、甲醇为制冷剂是目前研究较多的 工质对，吸附解析量较大，所需的解吸温度不高（100℃ 左右）， 吸附热也较低（约1800~2000kJ/kg）,甲醇的 低熔点(-98℃),使得系统可用于制冰,活性炭—甲醇工质 对的最高解吸温度不能超过150℃，否则甲醇将分解，另 外甲醇有毒，不利于其广泛应用。
吸附式制冷系统的展望
吸附式制冷是一种环境友好的节能制冷方式。虽然目 前还处在理论研究阶段，随着工业的发展和研究的深入， 必将会得到广泛的应用。 • 整个吸附制冷系统而言，影响最主要的就是吸附床的 传热传质的好坏；并且吸附床的体积比较大也很难使吸附 式制冷系统小型化；以后应该在选用优良的吸附工质对和 设计新型的吸附床的结构和新的制冷循环方面来进一步研 究。 • 技术的发展需要经济的支持，为使吸附式制冷得到更 快的发展，政府部门必须引起重视并且给予支持。 •
• • • • • • • 氯化钙－氨化学反应机理 由于CaCl2 和N H3 在一定的温度、压力条件下发生如下化学反应： CaCl2 + N H3 —— CaCl2 ·N H3 + Δ H01 (1) CaCl2 ·N H3 + N H3 —— CaCl2 · 2N H3 + Δ H12 (2) CaCl2 ·2N H3 + 2N H3 —— CaCl2 · 4N H3 + Δ H24 (3) CaCl2 ·4N H3 +4 N H3 —— CaCl2 · 8N H3 + Δ H48 (4) 缺点：化学吸附经过多次循环使用后吸附性能将会有所降低。
G.Cacciola和G.Restuccia综合各工质对的 性能后得出适合不同温区的“研究最成熟的”工 吸 质对（如表2-22）。 附 式 表2-22 比较成熟的工质对及其使用范围 制 冷 的 工 质 对
吸附式制冷循环的分类
• 按工作原理分，吸附式制冷可分为间隙型和连续型，间隙 型表示制冷是间隙进行的，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。
吸附式制冷
主讲人：郝方园
目录
• • • • • • • • 1.吸附式制冷的基本原理 2.常用的吸附剂 3.常用的制冷剂 4.常用的吸附式制冷工质对 5.吸附式制冷循环的分类 6.太阳能吸附式制冷 7.吸附式制冷在余热中的利用 8.吸附式制冷系统的展望
吸附式制冷的基本原理
• 某些固体物质在一定的温度及压力下，能吸附某 种气体或水蒸气，在另一温度及压力下，又能将 它释放出来。这种吸附与解吸过程引起的压力变 化，相当于制冷压缩机的作用。固体吸附制冷就 是根据这一原理来实现的。 • 固体吸附式制冷主要由吸附器、冷凝器、蒸发 器、节流装置等部件组成
影响活性氧化铝吸附性能的主要因素
颗粒粒径 原水PH值 原水初始氟浓度 原水碱度 砷的影响
活性炭(activated carbon)
（活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢以及少量灰分。）
蜂 窝 活 性 炭
木质柱状活性炭
椰壳活性炭
木质活性炭 活 性 炭 纤 维
活性炭的吸附行为
气体吸附
溶液吸附
当气体的相对压力 适宜时，在活性炭的 中孔内可发生毛细凝 结，大孔则是单层或 多层吸附，微孔的吸 附机制是微孔填充。 对活性炭吸附起主要 作用的是由微孔提供 的巨大表面积。
硅胶—水
吸 附 式 制 冷 的 工 质 对 硅胶—水工质对的解吸温度较低，如超过120℃ 硅胶将被烧毁，且系统的制冷能力低，与氟石相 比，硅胶需要三倍的体积 .
氯化钙-氨
• 氯化钙－氨工质对的吸附机理属于化学吸附，其最大的特点是吸附量 大，氯化钙和氨有良好的亲合性，1 mol CaCl2可与8 mol NH3发生反 应生成CaCl2.8NH3，在不同的温度和压力下，CaCl2.8NH3能分别脱去 4NH3、6NH3、8NH3生成CaCl2.4NH3、CaCl2.2NH3 、CaCl2，同时放出热 量，而氨的沸点低,可用于制冰。系统工作压力较高。
T T
P
T
蒸发器
吸 附 式 制 冷 的 工 作 循 环
水泵
W
T T T T T T T p T T T
加热器
p T T T T T T T T T T
吸附器 A 泵
冷却水 冷却器 Cooler
吸附器 B
泵 至冷却塔
图2-156
一典型的吸附式空调系统
太阳能吸附式制冷技术
• 太阳能的介绍
太阳能是世界上分布最广、最丰富的资源之一。 每年到达地球表面的太阳能辐射能为 5.57X1018 MJ，相当于190万吨标准煤，约为 目前全世界一次能源消费总量的1.56X104倍。 近年来为了减少空调等制冷设备的耗电量，利 用太阳能进行制冷引起了国内外学者的广泛的 兴趣，并取得了一些初步的成果。
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采用活性炭/甲醇作为制冷工质对时，最大的 缺点是甲醇与金属接触时，对其分解有催化作用。 甲醇的分解，会导致系统真空度降低。因此，这 类系统在试制和运行初期性能非常好，但运行一 段时间后，性能会变差。
沸石---水
沸石—水工质对的解吸温度范围较宽（70~250℃）， 吸 附 热 （ 3200~4200kJ/kg ） 、 蒸 发 潜 热 （ 2400~2600 kJ/kg）均较大; 沸石—水性质稳定，在高温下不起反应，且经多次吸附 —解吸后，吸附性能基本不变，沸石的吸附等温线在超过一 定压力后基本水平，随压力变化不大，这样，冷凝温度升高 对制冷量和系统 COP的影响不大，能使吸附制冷系统在较大 的温度范围内冷凝散热而保持高性能，对环境的适应能力强， 但该系统蒸发温度大于0℃，不能用于制冰; 另外系统是真空系统，对真空密封性要求很Βιβλιοθήκη Baidu，而蒸发 压力低也使得吸附过程较慢。
太阳能吸附制冷技术的总结和展望
太阳能制冷的效率比较低，难以与其它形势的 制冷相比。因此，商业化利用仍有较大的差距。 为加快商业化进程，如下工作必须进一步加强： 保持吸附制冷的稳定性； 提高发生器的集热效率； 优化设计太阳能驱动的吸附式制冷系统的 主要部 件，以实现系统的最优匹配； 深入制冷材料的研究。
间歇式太阳能吸附式制冷系统
该单元的工作过程简述如下 ： 1．循环早上开始。关闭阀门，处于环境 温度 (丁 一30℃)的 吸附床被太 阳能加热 ，此 时只有少量工质 脱附出来 ， 吸附率近似 常数 ， 而吸 附床 内压力 不断 升高 ，直至 制冷工质在 冷凝温度下的饱和压力 ，此时温度 为 L ． 2．打开 阀门 ，在 恒压条件 下嗣冷工质气 体 不断脱附出 来 ，并在冷凝器 中冷凝 ，冷凝 下来的液体进入蒸发器 ， 与此 同时 ．吸 附床 温度继续升高 至最大值 7 。 3．关 闭阀门 ，此 时 已是傍 晚 ，吸附床 被 冷却 ，内部 压力下降直至相当于蒸发 温度 下 工 质的饱和 压力 ，该 过 程中吸附率也近似不 变 ，最 终温度 。 4．打开阀门 ，蒸发器 中液体 因压强骤减 而沸腾起来 ，从 而开始蒸发嗣冷的过程 ，同 时蒸发出来的气体进入吸附 床被吸附 。该过 程一直进行到第二天早晨 。吸附过 程要 放出 大量的热量 ，它们由冷 却水 或外界空气带走。
常用吸附剂应具备的条件
较强的吸附能力，即要求较大的比表面积 不与吸附质及其它相接触的介质发生化学反应 有良好的机械强度和热强度 易再生不易劣化 具有商业性生产规模和比较低廉的价格
常用吸附剂
硅胶
活性氧化铝
活性炭
另外常用的吸附剂有分子筛，硅藻土，吸 附树脂，黏土等
硅胶（silica gel）
分子式为SiO2·xH2O，是胶体氧化硅脱水后的固体颗粒， 典型的多孔极性吸附剂，平均孔径2-20nm，不溶于水和任 何溶剂，无毒无味，化学性质稳定。值得注意的是，当温度 过高而使硅胶中的结合水蒸发掉以后，硅胶就失去了吸附作 用，因此硅胶的使用温度被限制在120°以下。