吸附式制冷系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)過程能效研究

李宇

（江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212001）

吸附式制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)的壓縮式制冷系統(tǒng)相比，雖然其能完成間歇性的制冷過程和實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用，但是在實(shí)際制冷過程中，單位質(zhì)量吸附劑的制冷功率不是很高，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)需采用較大尺寸的吸附制冷機(jī)工作。另外，該系統(tǒng)的制冷系數(shù)也不高，雖然系統(tǒng)能夠進(jìn)行回質(zhì)和回?zé)嵫h(huán)，但是在循環(huán)過程中其易損失大量的熱量，為此，相關(guān)人員還需不斷深入的研究吸附式制冷技術(shù)，并不斷對該系統(tǒng)制冷效率和各種吸附工質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，才能使系統(tǒng)的環(huán)境友好制冷方式和節(jié)能潛能得到充分的發(fā)揮。

1 吸附式制冷系統(tǒng)制冷的基本原理

吸附式制冷系統(tǒng)主要由吸附床、蒸發(fā)器、冷凝器和流量調(diào)節(jié)閥等四個(gè)部件組成，其中系統(tǒng)的核心部件是吸附床，且吸附床傳熱傳質(zhì)性能的好壞對整體系統(tǒng)制冷的性能會(huì)產(chǎn)生直接的影響，其余三個(gè)部件工作過程同普通制冷系統(tǒng)基本一致。熱源是吸附式制冷系統(tǒng)運(yùn)行的主要?jiǎng)恿?，而系統(tǒng)能量的來源主要依靠于吸附床從外界吸收的能量，吸附床自身含有加熱器和冷卻器，其中加熱器可以吸附熱量，并將熱量釋放給冷卻器。與傳統(tǒng)壓縮制冷系統(tǒng)的壓縮、吸氣和排氣功效相比，吸附式制冷系統(tǒng)與其最顯著的差別在于吸附床存在吸附和解吸過程，吸附過程指的是吸附床被冷卻時(shí)，需向里吸氣。而解吸過程指的是吸附床被加熱時(shí)，需將內(nèi)部氣體排出系統(tǒng)外，由此也可以看出吸附床工作的主要?jiǎng)恿κ抢鋮s器和加熱器。理論上，當(dāng)吸附床被冷卻時(shí)，若蒸發(fā)壓力大于或等于吸附床壓力時(shí)，吸附床便開始吸附蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑，并促進(jìn)制冷劑實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到充分吸附后，便要對吸附床進(jìn)行加熱，若冷凝壓力小于或等于吸附床壓力時(shí)，吸附床的吸附質(zhì)便會(huì)被解吸出來，吸附質(zhì)被解吸出來后，會(huì)進(jìn)入到冷凝器中，再完成上述同樣的冷卻吸附過程，從而達(dá)到循環(huán)制冷的功效。

2 吸附式制冷系統(tǒng)吸附過程的熱力學(xué)分析

2.1 吸附床熱力學(xué)過程

吸附床屬于吸附式制冷系統(tǒng)中的動(dòng)力部件，在系統(tǒng)中可以起到循環(huán)加熱的功效，其主要可以分為吸附和解吸兩個(gè)過程中，在冷卻吸附過程中，其主要是釋放吸附床內(nèi)吸附劑的能量，以促進(jìn)吸附劑對吸附質(zhì)產(chǎn)生吸附作用，從而達(dá)到蒸發(fā)制冷的作用。在脫附過程中，其可將系統(tǒng)從外界吸附的熱量傳遞給吸附床內(nèi)的吸附劑，從而促進(jìn)吸附劑內(nèi)的制冷劑脫附出來。

2.2 吸附床內(nèi)熱力學(xué)分析

依據(jù)吸附床的吸附機(jī)理，可知吸附床屬于開放式的質(zhì)量和能量交換系統(tǒng)，也是一個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制的多相流系統(tǒng)，原因是其系統(tǒng)中的吸附和解吸過程是非平衡態(tài)的、相對復(fù)雜的和不可逆的熱力學(xué)過程，因此，系統(tǒng)運(yùn)作應(yīng)符合熱力學(xué)基本定律，尤其需服從熱力學(xué)第二定律。

2.3 吸附床內(nèi)不可逆熱力學(xué)過程分析

一般來說，在吸附床完成加熱解吸前，系統(tǒng)多處于平衡狀態(tài)，但是隨著外界輸入的熱流不斷增加，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的溫度逐步升高，從而會(huì)導(dǎo)致吸附床初始的平衡狀態(tài)發(fā)生偏離和系統(tǒng)熵產(chǎn)率不斷增高，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致吸附床內(nèi)不可逆熱力學(xué)過程增強(qiáng)。當(dāng)熵產(chǎn)率達(dá)到極值后，熵產(chǎn)率便會(huì)逐漸降低，并保持不變的蒸發(fā)溫度。而隨著系統(tǒng)冷凝溫度的提高，會(huì)增加系統(tǒng)最大的解吸溫度或循環(huán)初始的解吸溫度，從而促進(jìn)吸附床熵產(chǎn)率極值升高。另外，冷凝溫度的提高，還會(huì)加長等吸附量線升溫階段和增加整個(gè)解吸升溫過程所需的時(shí)間，從而會(huì)導(dǎo)致初始解吸點(diǎn)發(fā)生后移。

3 吸附式制冷系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)過程能效分析

吸附式制冷系統(tǒng)運(yùn)作過程屬于熱力學(xué)循環(huán)過程，其制冷的基礎(chǔ)是根據(jù)熱力學(xué)原理，并且根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，高溫?zé)嵩礋崃靠梢宰园l(fā)的傳遞給低溫?zé)嵩?，但是由低溫?zé)嵩磦鬟f給高溫?zé)嵩磩t需消耗一定的外界輸入功或能量，而在吸附式制冷系統(tǒng)中，是通過消耗外界輸入能量來完成吸附式制冷過程并且其還需采用特定的動(dòng)力設(shè)備—吸附床來完成低溫?zé)嵩粗粮邷責(zé)嵩吹妮斔?。為此，要提高制冷系統(tǒng)循環(huán)過程的制冷量和制冷系數(shù)，就必須不斷提高吸附式制冷系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)過程能效。

由于大多數(shù)熱力過程包含了單純的傳熱過程、耗散功轉(zhuǎn)化為熱量過程以及通過兩個(gè)不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g的工作熱機(jī)實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)為功的過程，由此也可以看出吸附式制冷循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)過程實(shí)際上是不可逆的。而引發(fā)系統(tǒng)循環(huán)不可逆的主要因素為摩擦生熱耗散效應(yīng)以及系統(tǒng)存在不等溫傳熱效應(yīng)，在摩擦生熱和不等溫傳熱的過程中，系統(tǒng)必定會(huì)損失一定的機(jī)械功，原因是摩擦生熱產(chǎn)生的機(jī)械功有一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為熱。而在不同的環(huán)境和熱源中，系統(tǒng)的做功能力也不盡相同，一般是高溫環(huán)境和熱源中的做功能力強(qiáng)于低溫環(huán)境和熱源中的做功能力。目前對吸附式制冷系統(tǒng)熱能利用程度主要采用熱力學(xué)第二定律(即采用列出系統(tǒng)熵平衡方程式的方式)進(jìn)行分析和評價(jià)，對實(shí)際熱力學(xué)過程采用熱力學(xué)第二定律進(jìn)行分析，可以對能力損失的部位和原因進(jìn)行有效揭示。

3.1 熱力學(xué)第二定律的含義

熱力學(xué)第二定律指的是電能、熱能、機(jī)械能等各種形態(tài)的能量在相互轉(zhuǎn)換過程中，具有顯著的方向性，各能量相互之間的轉(zhuǎn)換效率在理論上雖接近100%，但是熱量進(jìn)行反方向的轉(zhuǎn)換卻無法實(shí)現(xiàn)完全的轉(zhuǎn)換，原因是學(xué)者通過多項(xiàng)研究得出熱力學(xué)第二定律，在該定律中明確指出，能量利用過程中，量是守恒的，但質(zhì)也存在降級或貶值，因此對吸附式制冷系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)過程能效進(jìn)行分析過程中，不是單純的分析其能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量，而是需探究其關(guān)鍵的能量損耗，并根據(jù)能源損耗，提出相對應(yīng)的優(yōu)化措施或充分挖掘能源充分利用的潛能，使系統(tǒng)能源利用率不斷提高。

3.2 熱力學(xué)第二定律分析對吸附式制冷系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)過程能效的影響

有研究證實(shí)，在典型的吸附式制冷系統(tǒng)運(yùn)行條件下，輸入熱量實(shí)測值一般大于理論計(jì)算值，原因是吸附床在吸附和解吸過程中，其自身材料的熱容量被忽視所致，而制冷量實(shí)測值多小于理論計(jì)算值，原因是吸附床的吸附和解吸量受到了較大的固化活性炭傳質(zhì)阻力的影響，因此會(huì)導(dǎo)致理論計(jì)算值大于實(shí)際的吸附和解吸量。而吸附式制冷系統(tǒng)制冷能力和性能主要是由吸附床的吸附量和解吸量所決定的，因此，要提高吸附式制冷系統(tǒng)的制冷功能，就需對系統(tǒng)的傳熱性能不斷進(jìn)行改善，并逐步加強(qiáng)系統(tǒng)的傳質(zhì)性能。

4 結(jié)語

在近20年中，吸附式制冷技術(shù)作為一種節(jié)能和環(huán)保技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于廢熱和太陽能等低品位能源利用中，不僅為建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)提供了良好的綠色自然工質(zhì)，同時(shí)還為低品位能源提供了熱源驅(qū)動(dòng)循環(huán)。但是，綜合吸附式制冷系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，其與傳統(tǒng)的壓縮式制冷系統(tǒng)相比仍存在一定的缺陷和不完善，主要是由于其制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)和制冷功率較低。而導(dǎo)致這一問題出現(xiàn)的根本原因在于利用系統(tǒng)制冷的過程中，未能了解和認(rèn)識到吸附式制冷系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)過程的能效，而解決能源替代問題和提高系統(tǒng)能源利用率的有效途徑便是促進(jìn)系統(tǒng)能夠?qū)Φ推肺粺嵩催M(jìn)行充分和有效的利用?？梢哉f，固體吸附式制冷技術(shù)還是一項(xiàng)未得到充分開發(fā)和應(yīng)用的技術(shù)，因此，相關(guān)開發(fā)和探究人員還需依據(jù)熱力學(xué)第二定律，對系統(tǒng)循環(huán)制冷過程中吸附量和解吸量的變化規(guī)律進(jìn)行有效分析和不斷探究系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)性能的改進(jìn)措施，才能促進(jìn)系統(tǒng)的利用效率不斷提高。

[1]侯慶林,馬連湘.化學(xué)吸附式制冷吸附床的模擬研究與結(jié)構(gòu)分析[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,35(01):63-66,72.

[2]金余.吸附式制冷系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)過程能效的研究[D].大連理工大學(xué),2006.

[3]范介清,羅斌,王六玲等.翅片管整體傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化的太陽能吸附式制冷系統(tǒng)性能研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2014,35(09):1663-1669.

[4]張雪峰,劉長智,江龍等.以硫化石墨為吸附劑基質(zhì)的再吸附制冷性能分析[J].制冷學(xué)報(bào),2015,36(03):41-47.

[5]王德昌,吳靜怡,夏再忠.吸附制冷用吸附單元管設(shè)計(jì)和傳熱傳質(zhì)性能研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2006,(01):139-141.

[6]劉金亞,朱芳啟,江龍等.以膨脹硫化石墨為基質(zhì)的氯化鈣/氯化鋇-氨兩級復(fù)合吸附式制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào),2017,38(02):51-56.