吸附溫度對吸附式制冷系統(tǒng)性能的實驗研究

官青山

（同方節(jié)能裝備有限公司 河北廊坊 065001）

1 引言

隨著科技的進步，能源作為經(jīng)濟增長的一個基本動力日益受到各個國家的重視，英國的《世界能源統(tǒng)計2012》中的數(shù)據(jù)顯示：全球各個國家都在調(diào)整能源的利用結(jié)構(gòu)，新型能源的開發(fā)和利用以及低碳環(huán)保正在逐步代替不可再生能源成為時代的主題。

近年來，全球氣候持續(xù)變暖，由于人類對環(huán)境的舒適性要求逐漸提高，制冷技術(shù)也日益受到關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的制冷方法不僅會消耗大量的能源而且還會引發(fā)一系列的環(huán)境問題，所以工業(yè)余熱的利用成為熱點，同時，太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹睦靡渤蔀闊狳c。吸附制冷作為一種綠色的制冷技術(shù)契合節(jié)能減排主題，做到了能源和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

早在1848年Faraday就通過氯化銀吸附氨制取了冷量，發(fā)現(xiàn)了吸附式制冷現(xiàn)象[1]，1992年國際制冷界的專家學(xué)者們在巴黎召開了首屆國際固體吸附式制冷大會，吸附式制冷技術(shù)重回人們視野，并備受關(guān)注[2]。Tai-Hee Eun等人利用膨脹石墨與硅膠顆粒固化來提高純硅膠顆粒床的導(dǎo)熱系數(shù)變化[3]。Guilleminot等通過將導(dǎo)熱性能好的金屬粉末或石墨與吸附劑進行混合來提高吸附床的導(dǎo)熱性能[4]。陸紫生[5]和王麗偉[6]等人開發(fā)了氯化鈣與活性炭復(fù)合吸附劑，同樣有效的提高了吸附劑的吸附性能，尤其是單位質(zhì)量吸附劑的制冷量的提高，為吸附機組的小型化提供了可靠的數(shù)據(jù)參考。在吸附系統(tǒng)中，吸附石工質(zhì)對起著關(guān)鍵性作用，目前，常用的吸附式制冷工質(zhì)對有活性炭-甲醇、活性炭-氨、沸石-水、硅膠-水和氯化鈣-氨等[7]。然而，這些吸附工質(zhì)對的平衡吸附量通常小于34%～40%[8]。因此，具有大循環(huán)吸附量、良好傳熱傳質(zhì)效果及優(yōu)良吸附平衡性能的先進吸附工質(zhì)對的研發(fā)工作就成為吸附制冷界急需完成的工作[9]。

在一定程度上講，吸附工質(zhì)對的選擇對吸附制冷系統(tǒng)的整體性能、操作環(huán)境、投資規(guī)模等有一定的決定性影響，結(jié)合已有的研究成果，本文采用質(zhì)量比為10:3的活性炭和鋁絲組成的混合式吸附劑與水作為吸附工質(zhì)對。設(shè)計、優(yōu)化實驗流程，探究吸附溫度對蒸發(fā)溫度和系統(tǒng)COP的影響。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗裝置

基于混合吸附劑的吸附式制冷系統(tǒng)的性能研究，在已搭建的傳熱傳質(zhì)實驗臺上探索混合吸附劑對吸附式制冷系統(tǒng)的影響。圖1為傳熱傳質(zhì)實驗臺。實驗臺包括吸附床、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥及其他輔助設(shè)備構(gòu)成。通過調(diào)節(jié)閥門來完成傳熱傳質(zhì)的過程，進一步探索實驗系統(tǒng)的性能。

2.2 實驗原理

吸附式制冷系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示，吸附式制冷系統(tǒng)借助熱源中的熱水來加熱吸附床A，解吸吸附床A中的混合吸附工質(zhì)對，解吸出的高溫高壓的制冷劑氣體在壓力驅(qū)動下進入冷凝器，經(jīng)過放熱后變?yōu)榈蜏馗邏旱闹评鋭┮后w，經(jīng)節(jié)流閥降壓后變?yōu)榈蜏氐蛪阂簯B(tài)制冷劑；低溫低壓的液態(tài)制冷劑進入蒸發(fā)器進行蒸發(fā)吸熱，釋放出制冷劑的汽化潛熱，從而產(chǎn)生制冷效果；蒸發(fā)出來的制冷劑氣體進入被低溫冷卻的低壓吸附床B，被吸附劑吸附后形成新的吸附劑與制冷劑的混合物。

本文通過測量閉式水箱損失的熱量，計算吸附式制冷系統(tǒng)的制冷量。即蒸發(fā)器蒸發(fā)所需的熱量由閉式水箱提供，將低溫恒溫水槽的水溫調(diào)節(jié)到一個適宜的溫度，然后將在該溫度的水輸送到閉式水箱中，同時，通過熱電偶實時檢測閉式水箱的出口溫度，可得時進回水溫差，進而可以得到低溫恒溫水槽損失的熱量即吸附式制冷系統(tǒng)的制冷量。

圖1 傳熱傳質(zhì)實驗臺

2.3 實驗工況

實驗為了得到吸附溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和COP的影響，根據(jù)實驗條件，設(shè)定吸附溫度的變化范圍為10～40℃。

圖2 吸附式制冷系統(tǒng)原理示意圖

3 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖3 吸附溫度對蒸發(fā)溫度的影響

由于蒸發(fā)溫度的高低直接反映到吸附式制冷的系統(tǒng)的制冷效率，本實驗通過試驗的方法，探究了吸附溫度從10℃到40℃變化對混合吸附劑吸附式制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度影響變化關(guān)系，見圖3。由圖可知，隨吸附溫度的升高，蒸發(fā)溫度先降低后升高，吸附溫度為18℃時，蒸發(fā)溫度達到最低為11.3℃。說明吸附溫度對活性炭吸附量影響較大，隨著吸附溫度的升高，乙醇的吸附量先增加后降低。在設(shè)定的解吸溫度下，被吸附的酒精更多的被釋放出來，產(chǎn)生更高的循環(huán)壓力，高溫高壓的乙醇蒸汽通過冷凝器和節(jié)流閥，釋放出更多的汽化潛熱，降低了蒸發(fā)溫度，提高了整個系統(tǒng)的制冷效果。

圖4 吸附溫度對系統(tǒng)COP的影響

圖4 顯示了吸附溫度對混合吸附劑吸附式制冷系統(tǒng)COP的影響，當(dāng)吸附溫度從10℃到18℃變化，系統(tǒng)COP升高明顯；當(dāng)吸附溫度從18℃到34℃變化時，系統(tǒng)COP緩慢降低；當(dāng)吸附溫度超過34℃后，系統(tǒng)COP迅速降低，當(dāng)吸附溫度為40℃時，COP達到最低值為0.23。當(dāng)吸附溫度為18℃時，系統(tǒng)COP達到最高值為0.36。說明從吸附溫度對系統(tǒng)COP的影響曲線可以看出，吸附溫度為18℃時，吸附床內(nèi)活性炭的吸附量最大，在設(shè)定的解吸溫度下，系統(tǒng)制冷劑的解吸量最大，系統(tǒng)內(nèi)的較大循環(huán)壓力，在相同的耗能下，得到更多的制冷，產(chǎn)生更高的COP。

結(jié)語

吸附式制冷技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，技術(shù)發(fā)展還不夠成熟，本文通過探索（質(zhì)量比為10∶3的活性炭和鋁絲組成的混合式吸附劑與水作為吸附工質(zhì)對）吸附溫度對蒸發(fā)溫度和系統(tǒng)COP的影響，得出如下結(jié)論：

（1）隨吸附溫度的升高，蒸發(fā)溫度先降低后升高，吸附溫度為18℃時，蒸發(fā)溫度達到最低為11.3℃。說明吸附溫度對活性炭吸附量影響較大，隨著吸附溫度的升高，乙醇的吸附量先增加后降低。

（2）當(dāng)吸附溫度從10℃到18℃變化，系統(tǒng)COP升高明顯；當(dāng)吸附溫度從18℃到34℃變化時，系統(tǒng)COP緩慢降低；當(dāng)吸附溫度超過34℃后，系統(tǒng)COP迅速降低，當(dāng)吸附溫度為40℃時，COP達到最低值為0.23。當(dāng)吸附溫度為18℃時，系統(tǒng)COP達到最高值為0.36。

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