化学吸附式制冷新技术

    由于能源及环境问题的日益突出,除了寻求新的工质取代传统氟利昂之外,开发一种使用可再生、洁净、廉价、性能可靠的制冷设备,已成为制冷技术开发研究的一个热点课题。吸附式制冷可采用低品位能源作驱动源,特别是低能量密度的太阳能以及废热。它使用无环境问题的工质对,设备结构简单、可靠,操作方便,无运动部件,使用寿命长,运转费用低廉,无噪声,特别适用于无电地区、有大量低品位余热排放的工业过程及有频繁震动的移动机械上。因此,吸附式制冷技术引起世界各国的普遍关注,吸附制冷正作为一种重要的制冷手段展现在我们面前。

    1 化学吸附式制冷机理

    吸附式制冷根据吸附剂与吸附质之间作用关系不同,可分为物理吸附和化学吸附,物理吸附是依靠吸附剂与吸附质分子之间的弱范德华力来实现吸附过程的。化学吸附是吸附质分子与吸附剂表面原子发生化学反应,生成表面络合物的过程。当一个正常作无规则运动的气态吸附质分子与固体表面发生碰撞,如果发生的是弹性碰撞,则气相与固相表面均不发生可察觉变化,而吸附过程的起因是非弹性碰撞和俘获,气相分子向固相分子转移能量是导致非弹性碰撞的直接原因,而固体表面陷阱是先决条件。当气态分子与表面碰撞损失的能量超过某一临界值后,分子将没有能力爬出表面势阱而被俘获。与物理吸附相比化学吸附的吸附量大,因此循环制冷量也大,这对减小制冷机组的重量和体积非常有利。

    一个基本的化学吸附式制冷系统由吸附反应器和冷凝器、蒸发器构成,工作过程由加热解吸和冷却吸附组成,如图1所示。一般情况下,利用外部低品味热源,使吸附剂和吸附质形成的络合物在反应吸附器发生解吸,放出高温高压的制冷剂气体进入冷凝器,冷凝出来的制冷剂液体由节流阀进入蒸发器蒸发,产生制冷效果,同时蒸发出来制冷剂气体进入吸附发生器,形成新的络合物,从而完成一次吸附制冷循环过程,如图2所示。基本循环是一个间歇式的过程,它的循环周期长,COP值低。可以用两床实现交替连续制冷,它是通过切换两床的工作状态及相应的外部加热冷却状态来实现循环连续工作。

    2 常见的化学吸附工质对

    化学吸附的一个重要特征就是吸附对的吸附等温线出现明显的吸附平台,即在某个临界温度下,随着压力的升高,吸附量迅速的提高达到拐点,之后吸附量恒定而不随压力变化,如图3所示。在吸附平台上吸附量不随压力变化,这使得系统在低温低压区和高温高压区保持较高的吸附量差,这种特性有利于吸附式制冷过程。