单级吸附制冷循环的热力学模拟

    1　前　言

    20世纪以来,能源与环境问题越来越得到人们的关注。尤其在我国,能源的开发速度赶不上工业发展对能源的需求,而能源的利用又不能尽其所能,因此,能源问题已成为制约经济发展的一个重要因素。新能源开发和余热利用是解决问题的良好途径。我国余热资源丰富,利用潜力大,据报道,每年大约有3亿t标煤的能量,特别是低温余热由于欠缺余热利用的有效方法而白白浪费掉。近年来,温室效应的影响使制冷的需求更为迫切,在制冷领域中,既可以利用低品位热源又对环境无害的吸附式制冷逐步得到了人们的青睐。

    吸附式制冷中利用吸附剂对吸附质的吸附作用来代替压缩式制冷中压缩机的作用。它可利用70～80℃左右的低温热源,既可以是工业废热,也可以是太阳能、地热能等新型能源。吸附式制冷另一个巨大的优势在于其使用的是对环境无害的工质对,是一种对环境友好的制冷方式,因此吸附式制冷的课题也可认为是CFC工质替代的一个课题。另外,吸附式制冷还具有无运转部件、无振动、无噪音、寿命长等特点,使其不仅可以满足对人工环境和制冷需求,如使用在高级宾馆、医院等需要安静的场所,还可以应用于高科技领域中的制冷,尤其是宇宙空间技术中的制冷,如卫星部件的冷却,人工环境的需求等。可见吸附式制冷已在越来越多的领域中显示出辉煌的应用前景。

    2　吸附式制冷的原理

    吸附式制冷的原理见图1。

    整个吸附系统是封闭的,吸附器内充满吸附剂,当它被加热时,已被吸附的吸附质获得能量,当分子运动加快到足以克服吸附剂的吸引力时,它们将从吸附剂表面脱出(脱附),系统内分压力逐渐升高,当分压力达到环境温度所对应的饱和蒸汽压力时,脱附出来的吸附质开始液化,液化放出的热量通过冷凝器2由冷却介质(空气或水)带走。当停止对吸附剂加热时,吸附剂开始冷却,因而它的吸附能力又逐步提高,开始吸附蒸发器3中产生的制冷剂蒸汽,并造成系统中的真空状态,使液体制冷剂不断汽化。制冷剂在低温下汽化时,吸收被冷却空间的热量,达到制取冷量的目的。吸附了大量制冷剂蒸汽的吸附剂,为下一次加热脱附提供了条件。脱附-吸附循环便是如此周而复始地进行,并间歇地进行着制冷过程。

    3　单级吸附制冷循环的热力过程

    理想单级吸附循环过程按照以下四个步骤进行,见图2和图3。

    1.等容吸热过程1～2

    此过程中吸附质没有解吸,热源供给的热量为吸附剂、制冷剂、金属吸附器床层的加热显热之和,吸附器内制冷剂的压力从Pe(由蒸发温度决定)升高到Pc(由冷凝温度决定),为保证循环的理想状况,假设制冷剂压力达到Pc之前没有解吸过程发生;