吸附式制冷系統傳熱傳質過程能效研究

李宇

（江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212001）

吸附式制冷系統與傳統的壓縮式制冷系統相比，雖然其能完成間歇性的制冷過程和實現能源的循環利用，但是在實際制冷過程中，單位質量吸附劑的制冷功率不是很高，進而導致系統需采用較大尺寸的吸附制冷機工作。另外，該系統的制冷系數也不高，雖然系統能夠進行回質和回熱循環，但是在循環過程中其易損失大量的熱量，為此，相關人員還需不斷深入的研究吸附式制冷技術，并不斷對該系統制冷效率和各種吸附工質進行優化，才能使系統的環境友好制冷方式和節能潛能得到充分的發揮。

1 吸附式制冷系統制冷的基本原理

吸附式制冷系統主要由吸附床、蒸發器、冷凝器和流量調節閥等四個部件組成，其中系統的核心部件是吸附床，且吸附床傳熱傳質性能的好壞對整體系統制冷的性能會產生直接的影響，其余三個部件工作過程同普通制冷系統基本一致。熱源是吸附式制冷系統運行的主要動力，而系統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。與傳統壓縮制冷系統的壓縮、吸氣和排氣功效相比，吸附式制冷系統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，需向里吸氣。而解吸過程指的是吸附床被加熱時，需將內部氣體排出系統外，由此也可以看出吸附床工作的主要動力是冷卻器和加熱器。理論上，當吸附床被冷卻時，若蒸發壓力大于或等于吸附床壓力時，吸附床便開始吸附蒸發器內的制冷劑，并促進制冷劑實現蒸發制冷。當系統達到充分吸附后，便要對吸附床進行加熱，若冷凝壓力小于或等于吸附床壓力時，吸附床的吸附質便會被解吸出來，吸附質被解吸出來后，會進入到冷凝器中，再完成上述同樣的冷卻吸附過程，從而達到循環制冷的功效。

2 吸附式制冷系統吸附過程的熱力學分析

2.1 吸附床熱力學過程

吸附床屬于吸附式制冷系統中的動力部件，在系統中可以起到循環加熱的功效，其主要可以分為吸附和解吸兩個過程中，在冷卻吸附過程中，其主要是釋放吸附床內吸附劑的能量，以促進吸附劑對吸附質產生吸附作用，從而達到蒸發制冷的作用。在脫附過程中，其可將系統從外界吸附的熱量傳遞給吸附床內的吸附劑，從而促進吸附劑內的制冷劑脫附出來。

2.2 吸附床內熱力學分析

依據吸附床的吸附機理，可知吸附床屬于開放式的質量和能量交換系統，也是一個非線性動力學機制的多相流系統，原因是其系統中的吸附和解吸過程是非平衡態的、相對復雜的和不可逆的熱力學過程，因此，系統運作應符合熱力學基本定律，尤其需服從熱力學第二定律。

2.3 吸附床內不可逆熱力學過程分析

一般來說，在吸附床完成加熱解吸前，系統多處于平衡狀態，但是隨著外界輸入的熱流不斷增加，會導致系統內的溫度逐步升高，從而會導致吸附床初始的平衡狀態發生偏離和系統熵產率不斷增高，進而會導致吸附床內不可逆熱力學過程增強。當熵產率達到極值后，熵產率便會逐漸降低，并保持不變的蒸發溫度。而隨著系統冷凝溫度的提高，會增加系統最大的解吸溫度或循環初始的解吸溫度，從而促進吸附床熵產率極值升高。另外，冷凝溫度的提高，還會加長等吸附量線升溫階段和增加整個解吸升溫過程所需的時間，從而會導致初始解吸點發生后移。

3 吸附式制冷系統傳熱傳質過程能效分析

吸附式制冷系統運作過程屬于熱力學循環過程，其制冷的基礎是根據熱力學原理，并且根據熱力學第二定律可知，高溫熱源熱量可以自發的傳遞給低溫熱源，但是由低溫熱源傳遞給高溫熱源則需消耗一定的外界輸入功或能量，而在吸附式制冷系統中，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力設備—吸附床來完成低溫熱源至高溫熱源的輸送。為此，要提高制冷系統循環過程的制冷量和制冷系數，就必須不斷提高吸附式制冷系統傳熱傳質過程能效。

由于大多數熱力過程包含了單純的傳熱過程、耗散功轉化為熱量過程以及通過兩個不同溫度的恒溫熱源間的工作熱機實現熱能轉為功的過程，由此也可以看出吸附式制冷循環系統的循環過程實際上是不可逆的。而引發系統循環不可逆的主要因素為摩擦生熱耗散效應以及系統存在不等溫傳熱效應，在摩擦生熱和不等溫傳熱的過程中，系統必定會損失一定的機械功，原因是摩擦生熱產生的機械功有一部分會轉化為熱。而在不同的環境和熱源中，系統的做功能力也不盡相同，一般是高溫環境和熱源中的做功能力強于低溫環境和熱源中的做功能力。目前對吸附式制冷系統熱能利用程度主要采用熱力學第二定律(即采用列出系統熵平衡方程式的方式)進行分析和評價，對實際熱力學過程采用熱力學第二定律進行分析，可以對能力損失的部位和原因進行有效揭示。

3.1 熱力學第二定律的含義

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

3.2 熱力學第二定律分析對吸附式制冷系統傳熱傳質過程能效的影響

有研究證實，在典型的吸附式制冷系統運行條件下，輸入熱量實測值一般大于理論計算值，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，而制冷量實測值多小于理論計算值，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阻力的影響，因此會導致理論計算值大于實際的吸附和解吸量。而吸附式制冷系統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的制冷功能，就需對系統的傳熱性能不斷進行改善，并逐步加強系統的傳質性能。

4 結語

在近20年中，吸附式制冷技術作為一種節能和環保技術，被廣泛應用于廢熱和太陽能等低品位能源利用中，不僅為建設環境友好型社會提供了良好的綠色自然工質，同時還為低品位能源提供了熱源驅動循環。但是，綜合吸附式制冷系統的應用現狀來看，其與傳統的壓縮式制冷系統相比仍存在一定的缺陷和不完善，主要是由于其制冷系統的制冷系數和制冷功率較低。而導致這一問題出現的根本原因在于利用系統制冷的過程中，未能了解和認識到吸附式制冷系統傳熱傳質過程的能效，而解決能源替代問題和提高系統能源利用率的有效途徑便是促進系統能夠對低品位熱源進行充分和有效的利用。可以說，固體吸附式制冷技術還是一項未得到充分開發和應用的技術，因此，相關開發和探究人員還需依據熱力學第二定律，對系統循環制冷過程中吸附量和解吸量的變化規律進行有效分析和不斷探究系統傳熱傳質性能的改進措施，才能促進系統的利用效率不斷提高。

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