余热驱动吸附式冷管的循环特性研究

    1 引言

    固体吸附式制冷作为一种可有效利用低品位能且对环境无破坏性的新型有潜力的制冷技术,在汽车空调、船舶制冷、家用制冷等方面具有较为广阔的应用前景,正日益受到国内外有关人士越来越多的关注[1]。

    近20多年来,国内外陆续开展了对固体吸附式制冷和热泵的研究工作,从吸附工质对性能、吸附床的传热、传质和系统循环及结构等方面积极推动了吸附制冷技术的发展.但目前吸附式制冷还很不成熟,在将其推向市场化应用的过程中,在结构简化、性能提高和成本降低等方面还需进行大量的研究工作[2]。

    吸附式冷管是目前吸附式制冷研究的一个重要方面.国内的吴健[3]、韩宝琦[4]、刘震炎[5]和UK的R. ECritoph[6]、Belarus的L. L Vasiliev[7]、Japan的MutsuhiroIto[8]等人对吸附式冷管曾作过不少深入的研究。

    余热驱动的吸附式冷管[9]具有以下特点:冷凝器、蒸发器和储液器三位合一,无节流装置,无运动部件;单根管子自成一个完整独立的制冷体系,工艺结构简单,密封性好;使用和操作方便.制冷管内进行的吸附制冷循环与传统的装置内进行的制冷循环有很大的不同。分析这种吸附式冷管的循环特性,并结合实验进行计算分析研究,为了解和提高单元冷管的性能提供了重要依据。

    2 吸附式冷管的热力循环分析

    2.1 冷管的结构及工作特性

    吸附式单元冷管的结构如图1所示。

    该吸附式冷管主要是由金属管组合而成,其中一端为不锈钢管,内装吸附剂,作为吸附器,另一端为铜管,作为冷凝P蒸发器或储液器。在制冷管两端对接之处采用了惰性材料,旨在降低两端之间热传导的进行。另外,在冷管内两端安装了金属网筛,以利于制冷剂传质过程以及蒸发过程的进行。由于吸附式冷管结构上的特点,使得其在制冷过程中的蒸发温度理论上就是一个变值,吸附式冷管的理论热力循环可由Clapeyron图表示,如图2所示。这种吸附制冷循环跟一般的基本型吸附制冷循环(见图3)有所不同。

    吸附冷管的制冷循环可分为四个阶段。起始时,整个冷管处于冷却低压状态pe,over(蒸发器蒸发终了压力)。第一阶段(升压脱附过程1-2),冷管吸附器端被热气流加热,吸收热量,吸附剂温度上升,吸附在其上的液态制冷剂被解吸为蒸汽而逸出,使吸附器端内部蒸汽压力升高,导致冷管内两端形成一个微小的压差,制冷剂蒸汽便在微压力的驱动下由吸附器端向冷凝/蒸发器端移动,同时冷凝/蒸发器端被冷却流体冷却起到冷凝器的作用,解吸的冷剂蒸汽便在冷凝/蒸发器端不断被冷凝并储存下来,释放出的热量由冷却流体带走。此过程制冷剂蒸汽压力由pe,over提高到最大冷凝压力pc,max,吸附剂吸附量由xa减少到xc。在第二阶段(降压脱附过程2-3),吸附器端继续吸收热量,吸附剂温度连续上升,使吸附态的制冷剂继续解吸为蒸汽并在冷凝器端被冷凝,该过程制冷剂蒸汽压力由pc,max降低到冷凝压力pc,over,吸附剂吸附量从xc减少到xd。第三阶段(降压吸附过程3-4),制冷管吸附器端被冷却流体冷却,吸附剂温度下降,放出热量,吸附能力增强,由于吸附剂吸附制冷剂蒸汽而使冷管内两端形成微压差,冷剂蒸汽在微压力的驱动下下由冷凝/蒸发器端移动到吸附器端,并靠吸附作用吸着在吸附剂上。该过程要靠冷凝/蒸发器中的液态冷剂的蒸发来实现,蒸发过程吸热从而产生制冷量。过程中制冷剂蒸汽压力由pc,over继续降低到最小蒸发压力pe,min,而吸附剂吸附量由xd增加到xb。第四阶段(升压吸附过程4-1),吸附器端继续被冷却放热,吸附剂温度不断下降,并吸附来自蒸发器的制冷剂蒸汽,使蒸发器端的液态冷剂继续蒸发吸热产生冷量。此过程制冷剂蒸汽压力由pe,min升高到pe,over,吸附剂吸附量由xb增加到xa,至此完成一个循环。