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