固体吸附式冷管的制冷性能

    引 言

    能源利用和环境保护是当今人类面临的两大主而利用工业余热或太阳能作为热源,在能量回收、节能方面具有重要的意义;同时吸附制冷不使用消耗臭氧层的CFCs而采用天然制冷剂,其温室效应也很小,适合当前的环保要求.因而,吸附式制冷作为一种新型的有潜力的制冷技术受到国内外越来越多的关注[1].

    王如竹等[1~3]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对固体吸附式制冷的关键技术进行了深入的分析、研究和概括,并指出了发动机余热驱动吸附式空调系统的可行性.作者根据吸附式制冷的原理,在前人研究的基础上[4,5],针对余热利用的特点,提出了一种固体吸附式制冷管[6].本文对所提出的吸附式冷管的性能进一步进行了一系列实验研究,分析了冷管在不同制冷功率时制冷温度的变化情况以及热源温度、环境温度、风速等参数对其制冷性能的影响.

    1 吸附式冷管的原理与热力分析

    固体吸附式单元冷管的结构如图1所示.

    冷管采用沸石分子筛和水作为吸附工质对1在解吸过程中,吸附端被加热,吸附在沸石上的液态水被解吸为蒸汽而逸出,并不断向冷凝/蒸发器端移动.由于冷凝/蒸发器被环境空气冷却起到冷凝器的作用,解吸的水蒸气便被冷凝,释放出热量.在吸附过程中,吸附器端被环境空气流或水冷却,沸石分子筛即具有吸附水蒸气的能力直至饱和.该过程通过液态水的蒸发而实现,此时冷凝/蒸发器起到蒸发器的作用.蒸发过程吸热,使流过铜管外壁的新鲜空气冷却下来达到空调制冷的目的.

    理想的吸附式制冷循环可由p-T-x图表示,其中包括等容加热(1)2)、等压加热(2)3)、等容冷却(3)4)、等压冷却(4)1) 4个热力过程,如图2所示.

    假定吸附器内进行平衡吸附,即x=f(T,p).吸附终了和解吸终了时对应的吸附量分别为xa和xb.两者之差(Δx=xa-xb)即为单位质量吸附剂的制冷剂循环量.

    由Dubinin-Astakhov方程,吸附量x可表示为

x=x0exp[-K(T/Ts-1)n] (1)

    式中 x0(最大吸附量)、K和n为工质对的吸附特征常数,根据所采用工质对取值于文献[1];T为吸附剂温度;Ts为与吸附器压力对应的饱和温度.

    在加热解吸过程中,吸附器吸收的热量Qh包括显热和解吸热两部分,即

    式中 cpz,cpw,cpb分别为分子筛、水和吸附器金属材料的比定压热容;mz,mb分别为分子筛和吸附器金属材料质量;qads为脱附热.

    在冷却吸附过程中,吸附器的吸附作用使制冷剂蒸发而产生的冷量为

    式中 qfg为水的蒸发潜热;第二项为液态制冷剂由冷凝温度降至蒸发温度所放出的显热.