基于余热回收的三效冷环吸附式制冷系统的系统分析和试验研究

    1 引言

    吸附制冷装置无运动部件,系统运行可靠且无噪声。可以使用对环境无不良影响的自然工质,如水、氨等作为制冷剂,这些优点使吸附制冷技术成为世界各国竞相研究开发的热点课题。目前,各国学者提出了各类先进的吸附制冷循环方式[1、2],在吸附床的强化传热传质方面已取得了一定的进展,这些研究成果虽然在理论上能提高系统制冷效率和单位吸附剂的制冷功率,但在实践中增加了系统的复杂性和成本,降低了系统的可靠性和可操作性,很难应用于吸附制冷产品的实际开发。笔者认为,吸附制冷技术的竞争优势在传统的制冷技术不适用的领域,如太阳能和余热的利用等方面。其应用研究应重点放在余热利用,特别是汽车、火车、船舶的余热利用领域,研究的主要目标应该是系统结构的简单化、运行的稳定性和可靠性。

    2 三效冷环吸附制冷系统的原理

    从输出冷量的时间连续性方面分析,吸附制冷可分为间歇制冷和连续制冷。间歇制冷的基本原理见图1。间歇制冷只有一个吸附床(发生器),吸附床被加热后,吸附质(制冷剂)被解吸出来,经过冷凝器凝结成液态进入蒸发器,解吸完毕后,冷却吸附床,吸附床内的吸附剂开始吸附制冷剂,蒸发器内的液态制冷剂蒸发制冷,当制冷剂蒸发完毕后,吸附床又回到初始状态,系统完成了一个制冷循环。间歇式系统结构简单,但冷量的供给不连续、制冷效率低,它适合于热量的供给是间歇的场合,如太阳能制冷等。

    为了获得连续的冷量,人们提出了各种连续的吸附制冷循环,最常见的是如图2所示的两床(基本循环)连续制冷系统,它通过阀门的切换使一个吸附床(发生器)保持为吸附状态,另一个吸附床为解吸状态,从而实现连续制冷。双床基本循环系统结构简单、体积小、可靠性高,但吸附床温度波动过大(解吸时升温,解吸完后又必须降温),必然要消耗大量的显热。另外,由于吸附剂解吸的周期远短于其吸附周期,必然使得吸附床解吸完毕后仍然被继续加热,使吸附床过热,白白消耗许多热量。因此,双床基本循环系统的效率较低,其理论上的COP值很难超过015,实际值更低。

    为了提高系统的效率,人们又提出了回热循环,即通过吸附床之间的能量交换来实现显热和吸附反应热的回收,它能大大提高系统的COP值,但同时也增加了系统的复杂性和成本,降低了可靠性。图3为Tchernev提出的双床回热循环原理图[3]。比较图2和3可知回热循环系统的复杂程度。需要指出的是由于目前对吸附床内的动态传热、传质规律和动态吸附、解吸规律还缺乏深入了解,对于回热时间、回热量等重要参数的确定还缺乏理论指导,要实现回热系统的自动控制尚有一定难度。鉴于以上两方面原因,吸附制冷的回热循环还处于原理实验阶段[1],现阶段还没有成熟的样机问世。另外,由图3可知,要实现吸附床之间的能量回收,则两床之间必须有传热媒体,目前大多数的回热循环系统都使用同一种传热媒体,既作为回热媒体,又作为加热热源的载热媒体(否则系统将更趋复杂),构成一个加热与回热的闭合回路。这样给以余热作为加热热源的吸附制冷系统带来了新的问题。因为余热一般存在于废水、废气中,而废水、废气在经过余热回收环节后必须排放掉,若采用常规的回热循环系统,则必须采用间接加热的方式给吸附床加热(如采用余热锅炉先回收余热,再由载热媒体加热吸附床),而图2所示的两床基本循环系统则可以采用直接加热的方式给吸附床加热(由废气、废水直接加热吸附床后再排放),一般而言,间接加热方式较直接加热方式在余热回收这一环节的热损失更大,因此尽管在随后的制冷环节回热循环系统的制冷系数(COP)更大,但从整个系统来分析,回热循环对于系统效率的提高是很有限的,可以说回热循环不适宜余热回收的场合。