吸附制冷中回质过程的新模型及循环性能的研究

    0 引 言

    吸附式制冷系统具有对环境无污染、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;但吸附系统中由于吸附剂、制冷剂工质对传热传质性能的限制,有循环COP及功率密度较低的缺点,近年来科研人员对此做了大量的改进工作。回质循环是近几年来出现的一种新型循环,并有望在提高循环制冷量即能量密度方面取得比较好的效果。Szarzynski和Wang等在这一方面做了一定的研究工作[1,2]。

    活性炭-氨工质对的制冷量大,系统是压力系统,而且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,但国内外对其在吸附式制冷循环中的性能研究较少, Warwick大学的R.E. Critoph的研究组和美国JPL/NASA的Jack A.Jones对活性炭-氨的吸附性能进行了初步的研究和分析[3,4,5,6]。

    在我们的研究中,发现活性炭-氨工质对可望在汽车空调中得到应用;同时提出可在系统中引入回质循环,可以较好地改善循环性能;并设计建造了实验台。由于对于回质过程的认识尚不够深入,此前的计算定性成分居多,对于指导实际的设计工作还有所欠缺。本文对于回质过程在国际上首次从流体流动的角度建立了一种新的数学模型,此模型比原有模型更加符合实际意义。并用此模型对我们所设计建造的采用活性炭-氨工质对的吸附式制冷系统进行了模拟计算,对循环性能的变化进行了定性分析和定量计算,与基本循环进行了对比,进一步揭示了回质对循环性能影响的变化规律,以便于对进一步的实验研究提供理论指导。

    1 循环特点

    1.1 基本循环

    图1中过程a2-g1-g2-a1-a2为基本循环中吸附床的基本热力过程。吸附床分别在a2-g1-g2过程加热解吸和在g2-a1-a2过程降温吸附,是一个间歇过程,适合于太阳能等不连续热源场合。它的循环周期长,性能系数较低。在此基础上人们设计了2床连续循环,可以进行连续制冷,但性能与基本循环没有区别,只相当于两个并联工作的基本循环。

    1.2 回质循环

    回质循环如图1中过程a2-a3-g1c-g2-g3-a1c-a2所示,采用两床反相循环,当A、B两床分别处于循环半周期末时,即g2和a2状态, A床温度和压力都很高,而B床则处于低温低压状态,此时可以通过阀门将两床连通,使A床的高温高压蒸气进入B床;这样A床压强降低的同时又促进了自身的解吸,而B床压强升高并增加了吸附量,直到两床压强平衡为止,如图1中的a3点和g3点,对应压强近似为冷凝压强和蒸发压强之平均值,回质结束后的过程同基本循环。在回质的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床升温升压。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。