吸附制冷过程的热力学分析及评价

    1　引言

    随着常规能源消耗的剧增,环境污染的加剧,人们越来越重视能源的节约和对环境的保护。吸附式制冷由于采用低品位能源作为驱动源,特别是低能量的太阳能以及废热,使用无环境问题的工质对,其设备结构简单、可靠,操作方便,无运动部件,使用寿命长,运行费用低廉、无噪声,特别适用于无电并有大量低品位余热排放的工业地区和有频繁震动的移动机械上,从而引起了科研人员的广泛兴趣和关注,并在研究上取得了一定进展。

    吸附制冷是一个热力学过程,与其它制冷过程一样,它是以热力学原理为基础的。根据热力学第二定律,热量从高温热源向低温热源传递是一个自发的过程,如果在两上热源之间设置适当的热机,则可以对外输出功。而制冷过程则是与上述过程相反的热力学过程,即通过消耗外界输入的能量和使用特定的制冷机械达到将热量从低温位向高温位输送的目的。从这个机理出发,输入不同种类的能量和使用不同的制冷机械构成了各种不同的制冷方式,吸附式制冷就是其中的一种。

    2　吸附式制冷过程的热力学分析

    2.1吸附式制冷理想模型的建立

    为使研究目标集中在提高循环过程的性能系数和制冷量,以便找出影响它们的主要因素。本文选用理想吸附模型进行分析讨论。其基本假设如下[1]:(1)吸附表面在能量上是均匀的,即各吸附位具有相同的能量;(2)忽略系统中制冷剂的泄漏,认为是定质量系统;(3)被吸附分子间的作用力可略去不计;(4)属单层吸附。

    2.2吸附过程的热力学分析

    采用单床的吸附式制冷是一个间歇过程,其理想热力学循环过程的P-T-X曲线如图1所示。从图中可以看出,吸附式制冷理想热力学循环由两条等压线和三条等量线组成,围成了两个四边形。其中左边四边形表示发生在冷凝器和蒸发器中的吸附制冷过程,右边四边形表示发生在吸附床中的受热解析过程。循环各过程的分析如下[2～4]:

    图中:Ta1-吸附床吸附开始温度;Ta2-吸附床吸附终了温度;Tg1-吸附床解析开始温度;Tg2-吸附床解析终了温度;Tc-冷凝温度;Te-蒸发温度;Pc-冷凝压力;Pe-蒸发压力。

    (1)显加热过程(图1中点1-点2)

    从状态点1-状态点2,吸附剂和制冷剂的温度均因加热而升高,但从理论上讲,在此过程中并无制冷剂解析脱附出来,吸附量为常数。这一阶段的热量方程可表示为:

    式中:CXJ-吸附剂比热容;MXJ-吸附剂质量;Cmel-吸附床金属平均比热容;Mmel-吸附床金属总质量(包括外壳、传热片等);CVM-制冷剂液体定容比热容。