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太阳能吸附式制冷装置吸附剂-制冷剂工质对的选择

吸附剂-制冷剂工质对的选择是吸附式制冷中最重要的因素之一,一个好的制冷系统不但要有好的循环方式,而且要有在工作温度范围内吸附性能强、吸附速度块、传热效果好的吸附剂和汽化潜热大、沸点满足要求的制冷剂。制冷机是否能适应环境要求,是否能满足工作条件,在很大程度上都取决于吸附工质对的选择。

下表是对种常用的物理吸附制冷工质对在典型工况下的性能进行了模拟计算得到的一些数据,表中所给出的循环时间是根据已有的实验台、文献报道以及工质对的特点确定的。

表格 3

工质对

 

活性碳-甲醇 活性炭-氨 分子筛-水 硅胶-水
太阳能 余热回收 太阳能 余热回收 太阳能 余热回收
蒸发温度/℃ 5 5 5 5 5 5 5
冷凝温度/℃ 32 32 32 32 32 32 32
解吸时间/℃ 90 110 90 250 90 250 60
吸附时间/℃ 35 35 35 35 35 35 35
循环时间/℃ 30 10 30 30
COP 0.33 0.29 0.15 0.25 0.17 0.32 0.39
SCP/W• kg-1 74 361 70 23

 

选择制冷几要根据应用情况而定,不同的应用条件应有不同的选择。本文是以太阳能为驱动热源的制冷系统,选取平板式吸附床。平板式吸附集热器耐压能力较差,通常不适于在较高压力下工作,因此平板式吸附制冷系统多选用真空状态下工作的吸附工质对,如活性炭-甲醇、分子筛-水等。

一般来说,对制冷剂的要求是单位容积汽化潜热大、热稳定性好、无污染、不易燃、无毒、分子量小、压力范围为0.1~0.5Mpa,最好在263K到353K的温度范围内其蒸气压力接近于大气压。但是,完全满足上述条件的制冷剂是很难找到的,目前常用的制冷剂包括:水、甲醇、氨等。

下表是这些制冷剂的性能:

表格4

制冷剂

名称

化学式 标准沸点/℃ 分子量 汽化潜热

L/(kj• kg-1

NH3 -34 17 1368
二氧化硫 SO2 -10 46 605
R22 CHClF2 -14 86 235
H2O 100 18 2258
甲醇 CH3OH 65 32 1102

 

制冷剂按正常沸点在-10℃以下和-10℃以上分为高压制冷剂和低压制冷剂两类。通过对制冷剂的比较发现,性能相对较好的制冷剂是氨、甲醇和水。目前这三种制冷剂用得最多。下表是这三种制冷剂的性

能比较,从表中可以看出它们各自的优缺点。

表格  5

甲醇
有毒 食入有毒 除工作压力低外,是一种相当完美的制冷剂
无污染 易燃 不适于0℃以下制冷
在某些浓度下易燃 高温下与铜不相容  
与铜不相容 在120℃以上不稳定  
工作压力高 工作压力低  
汽化潜热大 汽化潜热小  
热稳定性好    

 

在物理吸附制冷系统中,活性炭-甲醇是目前使用最为广泛的吸附剂工质对。主要原因是活性炭-甲醇的吸附解吸量较大,所需的解吸温度不高(100℃左右);吸附热不太高(约1800~2000kJ/kg);而且甲醇的蒸发潜热较高。与其它吸附工质对相比发现,活性炭-甲醇的COP最高15),由于所需的解吸温度较低,所以活性炭-甲醇系统更适应于太阳能制冷。王如竹和Vasiliev研究了活性炭纤维-甲醇的吸附性能,认为活性炭纤维比活性炭更适合于吸附制冷,其COP可以增加10%~20%,吸附、解吸循环量可以增加2~3倍14)。综上所述,活性炭纤维-甲醇是太阳能吸附制冷系统合适的选择对象。

在化学吸附制冷中,以氨的络和物为主的工质对受到了人们的广泛重视,很多专家对此进行了深入的研究。这是因为,氨的络和物对所需的驱动热源要求较低,而且在正压下工作,工作特性较易得到保证,性能也较优。它的这些特点决定,氨的络和物为主的工质适宜以太阳能或低品位余热驱动的制冷机用,SrCl2-NH3就是其中性能较优的工质对。太阳能热水工程

SrCl2-NH3有两个吸附平台:SrCl2-NH3吸附平台和SrCl2-8NH3

吸附平台8)

零吸附量到第一吸附平台的临界转折温度为72℃,第一吸附平台到第二吸附平台的临界转折温度为49℃,当系统温度大于72℃时,SrCl2对NH3的吸附量为零。当系统温度小于72℃时开始出现吸附现象,并出现第一吸附平台;当系统温度小于49℃以后,出现第二吸附平台。第一吸附平台的吸附量是1(mol NH3)•(mol SrCl2)-1,第二吸附平台的吸附量是8(mol NH3)•(mol SrCl2)-1 。

这样,若以85℃作为解吸温度,以30℃作为吸附温度,系统可获得较佳的制冷效果。以高效平板太阳能集热器提供热量,在多云的条件下仍能达到解吸温度,而30℃的吸附温度更是世界上大部分地区所具有的环境条件。所以氨的络和物也是理想的选择对象。由于甲醇系统为真空系统,考虑到蒸发器等在真空系统中设计上的麻烦,所以决定采用氨的络和物为吸附工质对。