吸附式制冷中回质过程的作用

    吸附式制冷系统具有环境友好性、可直接利用一次能源以及无运动部件等优点,越来越受到人们的重视.但由于受到吸附剂传热传质性能的限制,循环性能系数(COP)及能量密度较低,为此,Wang和Pons等[1～3]在提高工质对的吸附性能及发现新的优良工质对、改进循环方式和强化装置的传热传质方面做了大量工作.在基本循环的基础上提出了多床连续循环、连续回热循环、热波循环以及多效循环等改进循环方式.基本循环适合于太阳能等不连续热源场合;连续及连续回热循环适合于余热回收或低品位热能利用,能提供连续的冷量;热波循环具有最高的理论性能,但实现难度大;多效循环可以得到较高的能量利用率但系统较复杂.在吸附式系统中,氨因其制冷量大、属压力系统、能用于较高温度的热源等优点,在制冰及空调应用中日益受到重视.但国内外对其循环性能的研究较少,Turner[4]对活性炭-氨的吸附性能进行了初步的实验研究和理论分析.

    本文在系统中引入回质循环,以期较好地改善循环性能,并设计了采用此种工质对的吸附式汽车空调系统;对所设计样机的回质过程及其对吸附式制冷循环性能的影响进行了定性分析和定量计算,并与基本循环、回热循环进行了对比,进一步揭示了回质对循环性能影响的变化规律.

    1　回质循环特点

    如图1所示,a2-a3-g′1-g2-g3-a′1-a2为回质循环过程,采用A、B两床反相循环,A床循环由a2点开始,B床循环由g2点开始.当两床分别处于循环半周期末,即状态g2、a2,A床温度和压力都很高,而B床则处于低温低压状态,此时通过阀门将两床连通,可使A床的高温高压蒸气进入B床.这样,A床在压力降低的同时又促进了自身的解吸,B床则在压力升高的同时增加了吸附量,直到两床压力平衡(图1中的a3、g3点)为止,对应压力近似为冷凝压力和蒸发压力之平均值,回质结束后的过程同基本循环.

　　在回质过程中不进行加热或者冷却,为近似绝热状态;过程的结果使A床降压降温,B床升压升温.由于压力平衡很快,所以循环时间可以大大缩短,同时等容升压和等容降压所需的热量和冷量也有所减小.更为重要的是,A床解吸量增加,B床吸附量增加,相当于增加了循环的总解吸量,即增加了制冷量.

    2　系统设计

    内燃机工作时,用于动力输出的功一般只占燃烧总能量的30%～42%(柴油机);以废热形式排出车外的能量占58%～70%;排气阀门处的尾气温度大约为400～500°C,由其带走的热量占25%～45%[5].图2所示为吸附式制冷系统,由于活性炭-氨可以使用较高的加热温度,因此使用尾气作为驱动热源.吸附床是壳管式换热器,由2个四通换向阀切换加热与冷却;吸附床金属与活性炭的热容比Rm=5.8,两个吸附床之间用管道连通;用回质阀门控制回质过程的启停.由图可见,回质的实现非常简单,不需要像回热循环那样有另外一套换热流体的循环系统,而且控制也比较容易实现.在设计工况下,系统的冷凝温度和吸附温度ta2=tc=40°C,蒸发温度te=5°C.