CaCl2-BaCl2-NH3二级吸附式制冷系统及其制冷性能与仿真

　　低品位热能利用作为一种有效的节能手段,越来越受到人们的重视.在各种低品位热源中,最具有发展与应用前景的是温度为100bC以下的低温热源.这是因为其可以从太阳能、地热、化工厂和电厂中获得[1].可以采用低品位热能驱动的制冷技术包括吸附式与吸收式2种,在具体应用中又分为制冷温度大于0bC的空调温区以及小于0bC的冷冻温区.在空调应用中,吸附与吸收式制冷已经实现了商业化;而对于冷冻工况,目前,这2种热驱动的制冷技术仍没有成熟的产业化产品,冷冻工况可用的吸收式制冷工质对为氨/水工质对.但是,氨/水吸收式制冷很难应用到热源温度低于100bC的低温热源工况,这使得其在太阳能以及工业低温废热中的应用受到了限制.

　　采用吸附技术,可利用余热来实现制冷温度低于0bC的冷藏和冷冻.例如:在活性炭/甲醇工质对的研究方面,Pons等[2]于1986年研制出一种采用活性炭/甲醇工质对的平板型太阳能吸附式制冰机,Boubakri等[3]研制出将吸附集热器与冷凝器合二为一的活性炭/甲醇吸附制冰机;在活性炭/氨的利用方面,Critoph等[4]采用活性炭/氨工质对研制出用于疫苗冷藏的太阳能吸附式制冷器;在金属氯化物/氨吸附制冷方面,Erhard等[5]采用SrCl2-NH3工质对建立了太阳能化学吸附制冷系统.

　　但是,值得注意的是,在国内外的相关研究中,低温热源驱动(驱动温度低于90bC)的制冷温度均为-5~0bC,很难实现更低温度的制冷.在金属氯化物中,可用于太阳能驱动的吸附剂主要以氯化钡和氯化锶为代表.其中:氯化钡对冷凝温度的要求很高,在制冷温度低于-10bC的条件下,其冷凝温度低于20bC;氯化锶对冷凝温度的要求也较高[6].为了实现低温热源驱动条件下的深度制冷,Pierr?s等[7]提出了氯化钡的二级循环.其原理是利用一个氯化钡吸附床(冷却床)的制冷输出来冷却另一个氯化钡吸附床(制冷床),使其冷却温度达到20bC以下,从而实现-15~-20bC以下的制冷,但缺点是其制冷效率COP太低,仅为0.07~0.09.

　　针对以上问题,本文提出了一种低温热源驱动条件下的二级吸附冷冻循环,即将一种盐的解吸与另一种盐的吸附作用相耦合而降低系统的驱动热源温度,以实现低温热源以及夏季工况条件下温度低于-15bC的制冷输出.

　　1 二级吸附式制冷系统原理

　　二级吸附式循环系统由高温吸附床、低温吸附床、冷凝器和蒸发器4个部分组成[8].系统工作过程主要包括2次解吸和1次吸附制冷过程,2次解吸分别为高温床向低温床的解吸和低温床向冷凝器的解吸.以氯化钙/膨胀石墨作为高温盐,氯化钡/膨胀石墨作为低温盐所构成的二级吸附式制冷循环为例,其Clapeyron图见图1.其中,L/G为液/气反应,S/G为固/气反应,A)Bc)B)C)E)Ac)A为基本循环.图1所示的二级吸附过程如下: