吸附溫度對吸附式制冷系統性能的實驗研究

官青山

（同方節能裝備有限公司 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《世界能源統計2012》中的數據顯示：全球各個國家都在調整能源的利用結構，新型能源的開發和利用以及低碳環保正在逐步代替不可再生能源成為時代的主題。

近年來，全球氣候持續變暖，由于人類對環境的舒適性要求逐漸提高，制冷技術也日益受到關注。然而，傳統的制冷方法不僅會消耗大量的能源而且還會引發一系列的環境問題，所以工業余熱的利用成為熱點，同時，太陽能、地熱能等可再生能源的利用也成為熱點。吸附制冷作為一種綠色的制冷技術契合節能減排主題，做到了能源和環境的協調發展。

早在1848年Faraday就通過氯化銀吸附氨制取了冷量，發現了吸附式制冷現象[1]，1992年國際制冷界的專家學者們在巴黎召開了首屆國際固體吸附式制冷大會，吸附式制冷技術重回人們視野，并備受關注[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熱系數變化[3]。Guilleminot等通過將導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熱性能[4]。陸紫生[5]和王麗偉[6]等人開發了氯化鈣與活性炭復合吸附劑，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據參考。在吸附系統中，吸附石工質對起著關鍵性作用，目前，常用的吸附式制冷工質對有活性炭-甲醇、活性炭-氨、沸石-水、硅膠-水和氯化鈣-氨等[7]。然而，這些吸附工質對的平衡吸附量通常小于34%～40%[8]。因此，具有大循環吸附量、良好傳熱傳質效果及優良吸附平衡性能的先進吸附工質對的研發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，吸附工質對的選擇對吸附制冷系統的整體性能、操作環境、投資規模等有一定的決定性影響，結合已有的研究成果，本文采用質量比為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對。設計、優化實驗流程，探究吸附溫度對蒸發溫度和系統COP的影響。

2 實驗設計

2.1 實驗裝置

基于混合吸附劑的吸附式制冷系統的性能研究，在已搭建的傳熱傳質實驗臺上探索混合吸附劑對吸附式制冷系統的影響。圖1為傳熱傳質實驗臺。實驗臺包括吸附床、冷凝器、蒸發器、節流閥及其他輔助設備構成。通過調節閥門來完成傳熱傳質的過程，進一步探索實驗系統的性能。

2.2 實驗原理

吸附式制冷系統原理示意圖如圖2所示，吸附式制冷系統借助熱源中的熱水來加熱吸附床A，解吸吸附床A中的混合吸附工質對，解吸出的高溫高壓的制冷劑氣體在壓力驅動下進入冷凝器，經過放熱后變為低溫高壓的制冷劑液體，經節流閥降壓后變為低溫低壓液態制冷劑；低溫低壓的液態制冷劑進入蒸發器進行蒸發吸熱，釋放出制冷劑的汽化潛熱，從而產生制冷效果；蒸發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的制冷量。即蒸發器蒸發所需的熱量由閉式水箱提供，將低溫恒溫水槽的水溫調節到一個適宜的溫度，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的制冷量。

圖1 傳熱傳質實驗臺

2.3 實驗工況

實驗為了得到吸附溫度對系統蒸發溫度和COP的影響，根據實驗條件，設定吸附溫度的變化范圍為10～40℃。

圖2 吸附式制冷系統原理示意圖

3 實驗結果及數據分析

圖3 吸附溫度對蒸發溫度的影響

由于蒸發溫度的高低直接反映到吸附式制冷的系統的制冷效率，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的蒸發溫度影響變化關系，見圖3。由圖可知，隨吸附溫度的升高，蒸發溫度先降低后升高，吸附溫度為18℃時，蒸發溫度達到最低為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。在設定的解吸溫度下，被吸附的酒精更多的被釋放出來，產生更高的循環壓力，高溫高壓的乙醇蒸汽通過冷凝器和節流閥，釋放出更多的汽化潛熱，降低了蒸發溫度，提高了整個系統的制冷效果。

圖4 吸附溫度對系統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COP的影響，當吸附溫度從10℃到18℃變化，系統COP升高明顯；當吸附溫度從18℃到34℃變化時，系統COP緩慢降低；當吸附溫度超過34℃后，系統COP迅速降低，當吸附溫度為40℃時，COP達到最低值為0.23。當吸附溫度為18℃時，系統COP達到最高值為0.36。說明從吸附溫度對系統COP的影響曲線可以看出，吸附溫度為18℃時，吸附床內活性炭的吸附量最大，在設定的解吸溫度下，系統制冷劑的解吸量最大，系統內的較大循環壓力，在相同的耗能下，得到更多的制冷，產生更高的COP。

結語

吸附式制冷技術應用前景廣闊，技術發展還不夠成熟，本文通過探索（質量比為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對）吸附溫度對蒸發溫度和系統COP的影響，得出如下結論：

（1）隨吸附溫度的升高，蒸發溫度先降低后升高，吸附溫度為18℃時，蒸發溫度達到最低為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）當吸附溫度從10℃到18℃變化，系統COP升高明顯；當吸附溫度從18℃到34℃變化時，系統COP緩慢降低；當吸附溫度超過34℃后，系統COP迅速降低，當吸附溫度為40℃時，COP達到最低值為0.23。當吸附溫度為18℃時，系統COP達到最高值為0.36。

[1]Grisel R J H，Smeding S F，Boer R D.Waste heat driven silica gel/water adsorption cooling in refrigeration[J].Applied Thermal Engineering，2010，30(8-9)：1039-1046.

[2]盧允莊，王如竹，姜周曙.固體吸附式制冷技術及其研究進展[J].能源技術.2001，22(3)：92.

[3]Tai-Hee Eun,Hyun-Kon Song，Jong Hun Han，et al.Enhancement of heat and mass transfer in silica-expanded graphite composite blocks for adsorption heat pumps：Part I.Characterization of the composite blocks.International Journal of Refrigeration，2000，23(1)：64-73.

[4]Guilleminot J J，Choisier A，Chalfen J B.Heat transfer intensification in fixed bed adsorbers[J].Heat Recovery System&CHP，1993，13：297-300.

[5]Lu Zisheng，Wang Ruzhu，Wang Liwei，Chen Chuanjian，Performance analysis of an adsorption refrigerator using activated carbon in a compound adsorbent，Carbon，Volume 44，Issue 4，April 2006，p.747-752.

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[7]D.C.WANG，Y H.LI，D.LI，et al.A review on adsorption refrigeration technology and adsorption deterioration in physical adsorption systems[J].Renew Sust Energ Rev.2010，14(1)：344-353.

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[9]ZHANG X J，QIU L M.Moisture transport and adsorption on silica gel-calcium chloride composite adsorbents[J].Energyconversionandmanagement，2007,48（1）：320-326.