低温热源驱动的二级吸附冷冻循环实验研究与性能分析

　　吸附式制冷利用工业废热及太阳能等低品位热能作为驱动热源，其臭氧消耗潜能值(ODP:Ozone Depression Potential)与全球变暖潜能值(GWP:Global Warming Potential)均为零，是一种绿色制冷技术^[1]。由于应用温区范围广，吸附式制冷能够有效地实现能量的梯级利用。吸附式制冷可分为物理吸附与化学吸附，这种分类方式取决于所采用的吸附剂-制冷剂工质对，如活性炭-甲醇的吸附为微孔内部吸附质的凝结与填充现象，没有发生化学反应，为物理吸附，金属氯化物-氨工质对则在吸附过程中发生了络合反应，为化学吸附^[2]。物理吸附制冷运行可靠，但循环吸附量较低，制冷温度不够低(通常不低于-15°C)^[3]。应用于冷冻场合，化学吸附式制冷可取得更佳的效果^[4]。

　　为实现较低温度的冷量输出，传统化学吸附式制冷中存在的问题主要在于对驱动热源温度与冷却温度要求过高。Y. Zhong等^[5]对氯化钡的吸附性能进行了测试，当蒸发温度为-10°C时，冷却水温度要求不高于20°C，K.Wang^[6]及S.S.L^[7]等实验研究表明，对氯化钙而言，为实现-10°C下制冷，驱动热源的温度要求高于120°C，T.X. Li等^[8]采用氯化锰/膨胀石墨复合吸附剂研究得出冷却温度为25°C，蒸发温度为-30°C时，系统COP达0.34，但是驱动热源温度为180°C。因此，传统的化学吸附式制冷很难应用于热源温度低于100°C，冷却温度高于20°C、冷冻温度低于-10°C时的工况条件。就化学吸附而言，相同工作压力下，不同吸附剂的吸附或解吸平衡温度会有所不同，按平衡温度大小来分，可将吸附剂分为低温盐(LTS:Low-Temperature Salt)、中温盐(MTS:Middle-Temperature Salt)及高温盐(HTS:High-TemperatureSalt)^[9]。两种不同平衡温度的吸附剂组成工质对，可产生再吸附过程。再吸附制冷循环中，两个吸附床可交替吸附与解吸，吸附床可同时作为蒸发器或冷凝器。因而，再吸附过程可同时产生制冷与制热效应[^10]。再吸附制冷能实现0~5°C下的冷量输出^[11-12],被广泛应用于空调场合。

　　考虑到100°C以下的热源不仅广泛存在于太阳能中，也广泛的存在于工业废热中，为了实现100°C以下低温热源动条件下的冷冻工况，这里结合传统的化学吸附过程与再吸附过程，提出二级吸附式制冷循环，以实现较低热源温度驱动下较低温度的冷量输出。

　　1 二级冷冻原理

　　化学吸附是单变量控制过程^[13]，吸附过程中吸附剂温度与系统的压力存在一定的关系，这种关系体现在Clausius-Clapeyron 平衡方程^[14]上:

　　式中：Peq—反应平衡压力，Pa;