固体吸附-蒸汽喷射式联合制冷循环热力分析

    引 言

    液体吸收式、蒸汽喷射式和固体吸附式制冷机均是以热能为动力的制冷机,可采用对环境无不良影响的非CFC制冷工质,在节能和环保方面具有重要的意义.

    相对于液体吸收式制冷系统的广泛应用,蒸汽喷射式制冷机因效率低,仅在某些特殊场合得到应用,而固体吸附式制冷机近年来虽然取得了很大的进展,但基本上还处于实验室研究阶段[1].为提高制冷系统的性能系数,近年来对由几种不同循环方式组合成的联合制冷循环进行了研究.如在吸收式制冷机的冷凝器前增设一个喷射器而形成的吸收-喷射联合制冷循环[2,3],以及由高温热源驱动吸附制冷系统,利用其回热与低温余热驱动吸收式制冷系统而形成两级或三级的吸收-吸附联合制冷循环[4].但目前尚未见有吸附-喷射联合制冷循环的研究报道.

    为充分利用能源以提高效率,人们建立了多种较为高级的吸附制冷循环方式,如连续回热循环、回热回质循环、热波循环、对流热波循环和多效复叠循环等[5].这些循环主要以有效回收利用吸附剂在脱附阶段释放的热量为基础,对制冷剂在循环过程中的能量变化则未加以利用.

    本文从能量的综合有效利用角度出发,结合固体吸附和蒸汽喷射式制冷的特点,将固体吸附发生器同时作为蒸汽发生器,利用吸附床脱附过程中解吸出的高温高压蒸汽进行喷射制冷,而在吸附床被冷却吸附时进行吸附制冷.这种联合制冷循环效率将比单一固体吸附式或蒸汽喷射式制冷循环高.

    1 吸附-喷射联合制冷循环原理

    联合制冷循环系统的结构如图1所示,与基本的固体吸附制冷系统相比,其主要特征是在吸附器和冷凝器之间增设了一个蒸汽喷射器.吸附发生器在一个理想的加热脱附-冷却吸附循环过程中,吸附床的温度T、压力p与吸附量x的变化如图2的A-B-E-F-C-D过程所示,而图中的A-B-C-D过程表示吸附制冷的基本循环.

    固体吸附-蒸汽喷射式联合制冷循环的工作过程如下:开始时各阀门关闭,吸附发生器1被加热,其温度和压力提高,而吸附量不变,对应于等容加热阶段(A-E).当吸附发生器压力达到喷射蒸汽的工作压力pj时,阀门7、10打开,吸附发生器解吸出的高压蒸汽进入蒸汽喷射器2的喷嘴,在喷嘴中迅速膨胀,并在喷嘴出口处达到很大速度,形成真空状态,使蒸发器4内的制冷剂蒸发,工作蒸汽与被引射蒸汽在扩压器内混合,一起被压缩到冷凝压力,进入冷凝器内凝结,这一阶段对应于等压加热脱附阶段(E-F).当吸附发生器的温度达到最高脱附温度Tg2时,关闭阀门7,打开阀门6,吸附发生器与冷凝器相通,由于床内压力降低,吸附剂的吸附量继续下降,直至吸附床达到冷凝压力pc,这一阶段为等温脱附阶段(F-C).吸附量达到最小值后关闭阀门6,制冷剂液体通过阀门9进入蒸发器.在冷却吸附阶段,各阀门关闭,吸附发生器的温度、压力下降,而吸附量不变(C-D).当吸附床压力降低到蒸发温度对应的饱和压力pe时,阀门8打开,蒸发器内的制冷剂液体蒸发,被吸附发生器吸附,这一阶段对应于等压吸附阶段(D-A).