耦合吸附吸收制冷系统的实现及其特性

     随着世界各国对能源利用和环境保护问题的日益重视,人们对可利用低品位能源且没有环境破坏性的吸收式制冷机[1,2]和吸附式制冷机[3,4]的研究越来越关注.近年来,为了使吸附、吸收制冷系统有较高的制冷效率,国内外开展了广泛的研究[5~7].吸附、吸收制冷比传统的蒸汽压缩式制冷技术具有很大的竞争潜力.两种制冷方法虽然有许多优点,但现有的工质对、吸附床结构和循环系统决定了它们的制冷效率较低,并且吸收式制冷机较为复杂.

    1 耦合式吸附吸收制冷系统简介

    根据吸收式制冷和吸附式制冷的工作原理和特点,针对现有吸附制冷系统采用单组分工质作为吸附质导致系统的压力偏高或偏低状况,可以通过采用一定浓度多组分溶液的蒸汽压来调节系统的压力,使系统能够在常压下操作.但是在通常情况下,从吸附剂中脱附出来的吸附质在常压下很难冷凝下来,如果用易于吸收吸附质的吸收剂来吸收冷凝吸附质在常压下则容易实现,也就是可以将脱附蒸汽的冷凝过程设计成吸收过程.

    将吸附式制冷系统中的吸附器与吸收式制冷系统中的吸收器通过阀门直接相连,吸收器与蒸发器合二为一,构成一简化的耦合吸附吸收制冷循环(Re-frigeration Cycle Coupling Adsorption with Absorption,简称ADAB)系统.实验装置主要由吸附器(再生器)、蒸发器(吸收器)、连接管路和附属部件组成,如图1所示.

    其中吸附器(再生器)、蒸发器(吸收器)都是套管结构.ADAB实验系统各部分通过一定的管线和阀门相连接,各管线外用保温材料包扎.由于系统是非常压装置,因此一定要保持高度的密封状态.

    为了强化传热传质,吸附器用3根直径为18mm×1.5mm的玻璃管构成,玻璃管内填充吸附剂,为防止吸附剂进入管路中,在吸附剂上方放置若干层不锈钢筛网.吸附器置于装有导热油的外套中,通过电加热来改变外套容器中油浴温度,从而控制吸附脱附温度.油浴中置有螺旋状电加热丝,能迅速均匀地加热周围的导热油.

    蒸发器(吸收器)为直径36mm×2mm的玻璃试管,内装有氨水溶液.蒸发器置于一盛有冰水混合物的外套中,以保证蒸发温度为0℃.

    2 实验

    2.1 ADAB系统工质对的选择

    制冷循环的效率和操作特性与工质对的性能密切相关.为实现ADAB系统,工质对的选择尤为重要,不仅要选择合适的吸收工质对,还要选择合适的吸附工质对.制冷剂在其中起着双重作用,在吸收工质对中,它作为吸收质,而在吸附工质对中,它又成为吸附质.因此应综合考虑ADAB系统中的吸附?吸收部分耦合的特性,选择能够使系统运行且具有良好性能的工质对.氨是一种较理想的制冷剂,它具有较好的热力学性质,蒸发潜热大,压力适中,导热系数高,而且价廉易得.在常温下,氨是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体,且极易溶于水,一份体积的水可溶解700倍体积的氨.因此在本研究中选用氨水作为吸收制冷工质对.氨作为制冷剂,同时也在吸附工质对中作为吸附质,因此要选择与氨相容的吸附剂.我们分别选用有效吸附量较大、化学/物理性能稳定的沸石分子筛13X、硅胶及氯化钙作为吸附剂.其中沸石分子筛13X和硅胶对氨的吸附均为物理吸附,氯化钙对氨的吸附则为化学吸附.