沸石-水吸附式蓄冷的热力分析和实验研究

    引 言

    目前工业生产和日常生活中的蓄冷大多利用介质的温度变化即显热变化或利用物质的相变即潜热来储存冷量[1].这两种蓄冷方式由于蓄冷器温度低于环境温度,在蓄冷过程存在一定损失,冷量不能长期储存.与一般蓄冷不同,吸附式蓄冷利用固体吸附剂对制冷剂的吸附/解吸循环来实现冷量的储存.在蓄冷前通过加热吸附床,使其吸附量降低,在吸附床温度较低时它便具有了吸附制冷剂进行制冷的能力,并且这种制冷的能力可以长期地保存,蓄冷过程中无能量损失.在需要冷量的时候将吸附床与蒸发器相通,便可以产生制冷效果.

    国际上自20世纪70年代末开始对固体吸附式制冷进行了广泛的研究,同时也对吸附式系统在储能中的应用开展了一些研究. Close等[2]首先利用开式吸附床的吸附/解吸循环,以湿空气为制冷剂(水)载体来实现低温热储存.目前利用沸石储热系统调节热网峰谷负荷的供暖系统已在实际建筑中得到了应用. Hisaki等[3]提出了一个夜间利用余热吸附制冷机驱动冰蓄冷系统储存能量用于白天空调以缓和电力峰谷矛盾的方案.而对吸附式蓄冷的研究工作主要在近年开展,并多侧重于对蓄冷量的分析.Tahat[4]对SiO2对水的吸附性能进行了实验研究,理论上探讨了将其用于蓄热或蓄冷的可行性.王如竹等[5]提出了一种具有蓄能功能的太阳能空调. Mugnier等[6]从理论上分析了几种吸附工质对用于储能时的蓄冷量,对吸收式蓄冷、吸附式蓄冷和相变材料蓄冷进行了比较,认为化学吸附式蓄冷具有最大的蓄冷量.

    本文将对吸附式蓄冷的一些特征以及吸附式蓄冷系统的蓄冷量和放冷过程进行理论分析与计算模拟,同时对一个以沸石-水为吸附工质对的吸附蓄冷系统进行实验研究.

    1 吸附式蓄冷的热力分析

    1.1 理论蓄冷量

    吸附式蓄冷的蓄冷能力反映在蓄冷时和放冷结束时吸附床所吸附的制冷剂量的不同.根据Dubinin-Astakhov方程,吸附床的平衡吸附量(单位质量吸附剂所吸附的制冷剂的质量)一般表示为

    式中 x0是最大吸附量;K、n为吸附特征常数,均与吸附剂材料有关;T和Ts分别为吸附床的温度和制冷剂的蒸气压力对应的饱和温度.

    单位质量吸附剂的理论蓄冷量则用下式表示

qstor= (x0- x1)qfg(2)

    式中 qfg为制冷剂在蒸发温度下的蒸发潜热;x1为吸附床在蓄冷过程中的吸附量,可由式(1)计算,它与蓄冷系统在加热解吸结束时的解吸温度和冷凝温度有关.对于一个确定的吸附式蓄冷系统,其理论蓄冷量主要取决于蓄冷时吸附床的吸附量.