吸附式制冷原理(课堂PPT).ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,吸附式制冷,循环,Adsorption Refrigeration,1,4.1,吸附制冷基本理论,一、气固相平衡,吸附质与吸附剂的平衡吸附量为：,吸附体系,关于特定体系表示如下：,等温吸附线,等压吸附线,等量吸附线,2,这三种吸附曲线从本质是一致的，但它们对于研究吸附现象各有长处：,吸附等温线,主要用于工业装置的微量吸附,等压吸附线,主要用于解吸的操作设计,等量吸附线,主要用于进行吸附热的计算和 吸附工质对的选择,3,二、吸附理论与吸附率方程,吸附势理论,(Polanyi,理论,),是从固体表面存在吸附势能场出发，描述多分子层吸附的理论模型，,D-A,、,D-R,方程,(2-82),其中,称为,特征吸附函数,4,离吸附表面,L,处摩尔气体吸附势能,（,4-1),吸附达到平衡时,吸附率,或,5,DR,方程：,(4-2),在实验中存在三种与式,(4-2),偏离的形式,(4-3),6,准高斯分布型方程,(D-A,方程,),(4-3),这种方程还存在一些缺点：,在压力低时，吸附量不能自动地转化为,Henry,定律,特性曲线与温度无关的假说在吸附质为极性物质时，其误差较大,(3),对表面孔径分布不均匀的情况没有给出很好的解释,7,三、描述气固相平衡的,p-T-x,图,图,2-135,示出了活性炭,-,甲醇吸附等量线，其中,(a),为活性炭纤维、,(b),为活性炭。,四、工质对的热质传递过程,1,、蒸发与冷凝过程,在吸附式制冷循环中，制冷剂的蒸发或冷凝过程是在,恒定的,蒸发温度或冷凝温度下进行的。,8,(a),活性炭纤维,-,甲醇,吸附制冷,p-T-x,图,(b),活性炭,-,甲醇,吸附制冷,p-T-x,图,图,2-135,9,在蒸发过程中,:,制冷剂吸收蒸发潜热，由液体蒸发成气体,在冷凝过程中,:,制冷剂排放冷凝潜热，由蒸气冷凝成液体,10,2,、吸附与解吸过程,在吸附式制冷系统中吸附和解吸从理论上来说是,恒压过程,图,2-136,所示，固体吸附剂受热解吸出制冷剂，在制冷剂压力达到冷凝压力时即开始解吸,-,冷凝过程，制冷剂被冷凝成液体,11,A,C,E,Qd,Qc,A,C,E,Qa,Qe,图,2-136:,吸附和解吸过程。,A-,吸附器；,C-,冷凝器；,E-,蒸发器；,Qd-,加热显热及脱附热；,Qc-,冷凝热；,Qa-,冷却显热及吸附热,Qe-,制冷量,12,图,2-137:,吸附与解吸状态在吸附等压线上的表示,吸附状态：吸附温度,Ta,、蒸发压力,Pe;,解吸状态：解吸温度,Tg,、冷凝压力,Pc,13,4.2,吸附制冷循环,（,1,）基本型吸附式制冷循环,图,2-154,间歇式吸附式制冷系统（太阳能制冷机）,14,图,2-155,吸附式制冷循环热力图,15,（,2,）基本型循环热力计算与分析,如,图,2-155,所示，基本循环涉及,7,种热量，分述如下：,1,）,Q,h,吸附床等容升压过程中吸收的显热,(2-107),2,）,Q,g,脱附过程吸收的热量,(2-108),16,3,）,Q,c,冷却吸附床带走的显热,(2-109),4,）,Q,ad,吸附过程中带走的热量,(2-120),5,）,Q,ref,制冷量,(2-121),17,6,）,Qcond,冷凝过程放出的热量,(2-122),7,）,Q,co,液态制冷剂从,Tc,降至蒸发温度,Te,放出的显热。,(2-123),18,对循环的评价可以用,COP,表示，它在吸附式循环中的表达式为：,(2-124),脱附热和吸附热可由,Clausius-Clapeyron,求得,(2-127),19,图,2-155,连续回热循环系统图,（,3,）连续回热型吸附式制冷循环,20,图,2-156,一典型的吸附式空调系统,21,在连续回热循环中，可采用以下方法计算回热量,22,解方程,便可得理想回热情况下的回热温度,T,reg,。而理想回热量,若定义回热率为回热量与加热过程所需热量的比值，则连续回热循环的回热率,A,和制冷系数,COP,分别为,23,我们可以把吸附床冷却过程放出的热量分为三部分：,1,）一部分是吸附床从最高解析温度,Tg,2,降低到回热温度,T,reg,的过程中被回收,2,）一部分在此过程中由于温差传热而损失,3,）一部分则在吸附床由回热温度,T,reg,降低到冷却温度,T,a2,中被冷却水带走,24,吸附式制冷的应用,太阳能的介绍,太阳能是世界上分布最广、最丰富的资源之一。,每年到达地球表面的太阳能辐射能为,5.57X10,18,MJ,，相当于,190,万吨标准煤，约为目前全世界一次能源消费总量的,1.56X10,4,倍。,近年来为了减少空调等制冷设备的耗电量，利用太阳能进行制冷引起了国内外学者的广泛的兴趣，并取得了一些初步的成果,。,4.3,太阳能吸附式制冷技术,25,吸附式制冷的应用,应用系统,1978,年，美国沸石动力公司建成第一台以沸石水为工质对的间歇式太阳能吸附制冷冰箱。,26,吸附式制冷的应用,太阳能吸附式制冷技术,可以利用低品位热源驱动，,通过工质对的吸附和解析过程来达到制冷效果,应用：吸附式制冷冰箱、冷藏柜、汽车空调，渔船制冰机,27,吸附式制冷的工作原理,吸附式制冷技术的基本工作过程,由于吸附式制冷是由加热,解吸,冷凝与冷却,吸附,蒸发制冷两个过程交替进行，因而它是一种间隙式制冷方式。,图,1,所示，固体吸附剂受热解吸出制冷剂，,如图,1,左侧所示；,在制冷剂压力达到冷凝压力时即开始,解吸,-,冷凝过程,，制冷剂被冷凝成液体；反之当吸附剂受到冷却时，当吸附床压力低于蒸发压力时即能开始吸附蒸汽，制冷剂液体蒸发，实现,吸附,-,制冷过程,。,28,吸附式制冷的工作原理,定压解吸过程,定压吸附过程,可看成压缩机,定容加热过程,定容冷却过程,基本吸附式制冷循环图,29,吸附式制冷的工作原理,吸附器,冷凝器,蒸发器,Qd,Qc,吸附器,冷凝器,蒸发器,Qa,Qe,图,:,吸附和解吸过程。,A-,吸附器；,C-,冷凝器；,E-,蒸发器；,Qd-,加热显热及脱附热；,Qc-,冷凝热；,Qa-,冷却显热及吸附热,Qe-,制冷量,30,吸附式制冷的工质对,吸附式制冷能否得到工业应用很大程度上取决于所选用的工质对，工质对的热力性质对系统性能系数、设备材料、一次性投资等影响很大。一切固体物质的表面都具有一定的吸附作用，但作为良好的吸附剂应满足下列条件：,（,1,）,比表面积大,，内部具有网格结构的微孔通道；,（,2,）,吸附容量大,，而且在,30-50,摄氏度间对温度比较敏感；,（,3,）,再生温度低，活化后吸附量的残余量较少；,（,4,）,吸附热小，循环的经济性高；,（,5,）,与吸附物质间无破坏作用。即吸附剂与吸附质接触后，吸附剂本身晶格不遭破坏，吸附物也不分解；,（,6,）,吸附速度快,，较易达到吸附平衡；,（,7,）,比热容小，,热传导性好。可加速吸附脱附过程；,（,8,）,耐压，耐磨，使用中不产生粉末，与水接触后不破碎；,（,9,）,气流阻力小；,（,10,）,能再生和多次使用,；,（,11,）,来源充足,；,（,12,）,价格便宜,。,31,吸附式制冷的工质对,4.4,吸附制冷工质对,吸附剂,-,吸附质（在制冷中称为制冷剂）工质对的选择是吸附式制冷中最重要的因素之一,以活性炭、分子筛（沸石）、硅胶、氯化钙,等为吸附剂，以,甲醇、氨、水,等为制冷剂相应构成几组吸附工作对。,比较成熟的吸附工质对有,活性炭,/,甲醇，沸石,/,水,，活性炭,/,氨，金属氢化物,/,氢（物理吸附）和,氯化钙,/,氨、氯化锶氨（化学吸附）,32,吸附式制冷的工质对,活性炭,/,甲醇,是太阳能吸附制冷中应用最广的工质对。,以活性炭为吸附剂、甲醇为制冷剂是目前研究较多的工质对，吸附解析量较大，所需的解吸温度不高（,100,左右,），吸附热也较低（约,18002000kJ/kg,）,甲醇的低熔点,(-98),使得系统,可用于制冰,活性炭,甲醇工质对的,最高解吸温度不能超过,150,，否则甲醇将分解，另外甲醇有毒，不利于其广泛应用。,采用活性炭,/,甲醇作为制冷工质对时，最大的,缺点,是甲醇与金属接触时，对其分解有催化作用。甲醇的分解，会导致系统真空度降低。因此，这类系统在试制和运行初期性能非常好，但运行一段时间后，性能会变差。,33,吸附式制冷的工质对,沸石,-,水,沸石,水工质对的解吸温度范围较宽,（,70250,）,，吸附热（,32004200kJ/kg,）、蒸发潜热（,24002600 kJ/kg,）均较大,;,沸石,水性质稳定，在高温下不起反应,，且经多次吸附,解吸后，吸附性能基本不变，沸石的吸附等温线在超过一定压力后基本水平，随压力变化不大，这样，冷凝温度升高对制冷量和系统,COP,的影响不大，能使吸附制冷系统在较大的温度范围内冷凝散热而保持高性能，对环境的适应能力强，但该,系统蒸发温度大于,0,，不能用于制冰,;,另外系统是真空系统，对真空密封性要求很高，而蒸发压力低也使得吸附过程较慢。,34,吸附式制冷的工质对,硅胶,水,硅胶,水工质对的解吸温度较低，如超过,120,硅胶将被烧毁，且系统的制冷能力低，与氟石相比，硅胶需要三倍的体积,.,35,吸附式制冷的工质对,氨盐,氯化钙氨,工质对的吸附机理属于化学吸附，其最大的特点是吸附量大，氯化钙和氨有良好的亲合性，,1 mol CaCl,2,可与,8 mol NH,3,发生反应生成,CaCl,2,.,8NH,3,，在不同的温度和压力下，,CaCl,2,.,8NH,3,能分别脱去,4NH,3,、,6NH,3,、,8NH,3,生成,CaCl,2,.,4NH,3,、,CaCl,2,.,2NH,3,、,CaCl,2,，同时放出热量，而氨的沸点低,可用于制冰。系统工作压力较高。,氯化钙氨化学反应机理,由于,CaCl,2,和,NH,3,在一定的温度、压力条件下发生如下化学反应：,CaCl,2,+NH,3,CaCl,2,NH,3,+H,01,(1),CaCl,2,N H,3,+N H,3,CaCl,2,2N H,3,+H,12,(2),CaCl,2,2N H,3,+2N H,3,CaCl,2,4N H,3,+H,24,(3),CaCl,2,4N H,3,+4 N H,3,CaCl,2,8N H,3,+H,48,(4),缺点：化学吸附经过多次循环使用后吸附性能将会有所降低。,36,吸附式制冷的工质对,G.Cacciola,和,G.Restuccia,综合各工质对的性能后得出适合不同温区的“研究最成熟的”工质对（,如表,2-22,）。,表,2-22,比较成熟的工质对及其使用范围,37,吸附式制冷的工作循环,4.5,吸附式制冷循环的分类,38,吸附式制冷的工作循环,一、基本型吸附式制冷循环,基本吸附式循环系统示意图,固体吸附剂,受热解吸,出制冷剂，当制冷剂压力达到冷凝压力时开始,解吸冷凝,过程，制冷剂被冷凝成液体；当固体吸附剂受到,冷却,时，当吸附床压力低于蒸发压力时即开始,吸附,蒸汽，蒸发器中制冷剂液体,蒸发,，实现制冷过程。,39,吸附式制冷的工作循环,二、连续循环的吸附式制冷系统,连续型固体吸附式制冷系统有两只吸附床，两床交替处于吸附状态和解吸状态。,运行时，其中一个处于解吸状态，吸收热量，另一个处于吸附状态，释放热量。,40,吸附式制冷的工作循环,连续循环型吸附制冷系统,41,吸附式制冷的工作循环,42,吸附式制冷的工作循环,图,2-156,一典型的吸附式空调系统,43,吸附式制冷的应用,三、吸附式制冷在余热利用中应用,汽车发动机工作时，用于动力输出的功一般只占燃油燃烧总热量的的,30,42,（柴油机）或,25,30,（汽油机）。以废热形式排除车外的能量占燃烧总能量的,58,70,（柴油机）或,70,75,（汽油机）。,发动机排气温度一般达到,450,550,，考虑露点腐蚀问题，最终排气温度不低于,180,，一般可以利用的废热量为总热量的,16,左右。,工厂排除的废水或废气的温度也一般在,150,以上，能合理的利用这些废热也是一种节能的好途径,。,44,吸附式制冷的应用,45,吸附式制冷的应用,DY,热 能 吸 附 制 冷 技 术 在 火 力 发 电 厂 的 应 用（实 现 热、电、冷 联 产）,DY,制 冷 与 火 电 厂 的 热、电、冷 联 系,是 指 利 用 电 厂 废 汽、余 热 来 提 供,0 -20,的 低 温，使 热 电 厂“热、电、冷”三 联 产 成 为 可 能,热、电、冷三联供,46,四、吸附式制冷存在的问题,吸附式制冷在其研制和应用中已显示了极大的发展前景，但它还存在下面一些,缺陷,：,1,）循环周期太长,2,）制冷量相对较小,3,）,COP,有待进一步提高,47,吸附式制冷的应用,吸附式制冷系统的展望,吸附式制冷是一种环境友好的节能制冷方式。虽然目前还处在理论研究阶段，随着工业的发展和研究的深入，必将会得到广泛的应用。,整个吸附制冷系统而言，影响最主要的就是,吸附床的传热传质,的好坏；并且吸附床的体积比较大也很难使吸附式,制冷系统小型化,；以后应该在选用优良的,吸附工质对,和设计,新型的吸附床的结构和新的制冷循环,方面来进一步研究。,技术的发展需要经济的支持，为使吸附式制冷得到更快的发展，政府部门必须引起重视并且给予支持。,48,吸附式制冷的应用,太阳能吸附制冷技术的总结和展望,太阳能制冷的效率比较低，难以与其它形势的制冷相比。因此，商业化利用仍有较大的差距。为加快商业化进程，如下工作必须进一步加强：,保持吸附制冷的稳定性；,提高发生器的集热效率；,优化设计太阳能驱动的吸附式制冷系统的主要部件，以实现系统的最优匹配；,深入制冷材料的研究。,49,