官青山

（同方节能装备有限公司 河北廊坊 065001）

1 引言

随着科技的进步，能源作为经济增长的一个基本动力日益受到各个国家的重视，英国的《世界能源统计2012》中的数据显示：全球各个国家都在调整能源的利用结构，新型能源的开发和利用以及低碳环保正在逐步代替不可再生能源成为时代的主题。

近年来，全球气候持续变暖，由于人类对环境的舒适性要求逐渐提高，制冷技术也日益受到关注。然而，传统的制冷方法不仅会消耗大量的能源而且还会引发一系列的环境问题，所以工业余热的利用成为热点，同时，太阳能、地热能等可再生能源的利用也成为热点。吸附制冷作为一种绿色的制冷技术契合节能减排主题，做到了能源和环境的协调发展。

早在1848年Faraday就通过氯化银吸附氨制取了冷量，发现了吸附式制冷现象[1]，1992年国际制冷界的专家学者们在巴黎召开了首届国际固体吸附式制冷大会，吸附式制冷技术重回人们视野，并备受关注[2]。Tai-Hee Eun等人利用膨胀石墨与硅胶颗粒固化来提高纯硅胶颗粒床的导热系数变化[3]。Guilleminot等通过将导热性能好的金属粉末或石墨与吸附剂进行混合来提高吸附床的导热性能[4]。陆紫生[5]和王丽伟[6]等人开发了氯化钙与活性炭复合吸附剂，同样有效的提高了吸附剂的吸附性能，尤其是单位质量吸附剂的制冷量的提高，为吸附机组的小型化提供了可靠的数据参考。在吸附系统中，吸附石工质对起着关键性作用，目前，常用的吸附式制冷工质对有活性炭-甲醇、活性炭-氨、沸石-水、硅胶-水和氯化钙-氨等[7]。然而，这些吸附工质对的平衡吸附量通常小于34%～40%[8]。因此，具有大循环吸附量、良好传热传质效果及优良吸附平衡性能的先进吸附工质对的研发工作就成为吸附制冷界急需完成的工作[9]。

在一定程度上讲，吸附工质对的选择对吸附制冷系统的整体性能、操作环境、投资规模等有一定的决定性影响，结合已有的研究成果，本文采用质量比为10:3的活性炭和铝丝组成的混合式吸附剂与水作为吸附工质对。设计、优化实验流程，探究吸附温度对蒸发温度和系统COP的影响。

2 实验设计

2.1 实验装置

基于混合吸附剂的吸附式制冷系统的性能研究，在已搭建的传热传质实验台上探索混合吸附剂对吸附式制冷系统的影响。图1为传热传质实验台。实验台包括吸附床、冷凝器、蒸发器、节流阀及其他辅助设备构成。通过调节阀门来完成传热传质的过程，进一步探索实验系统的性能。

2.2 实验原理

吸附式制冷系统原理示意图如图2所示，吸附式制冷系统借助热源中的热水来加热吸附床A，解吸吸附床A中的混合吸附工质对，解吸出的高温高压的制冷剂气体在压力驱动下进入冷凝器，经过放热后变为低温高压的制冷剂液体，经节流阀降压后变为低温低压液态制冷剂；低温低压的液态制冷剂进入蒸发器进行蒸发吸热，释放出制冷剂的汽化潜热，从而产生制冷效果；蒸发出来的制冷剂气体进入被低温冷却的低压吸附床B，被吸附剂吸附后形成新的吸附剂与制冷剂的混合物。

本文通过测量闭式水箱损失的热量，计算吸附式制冷系统的制冷量。即蒸发器蒸发所需的热量由闭式水箱提供，将低温恒温水槽的水温调节到一个适宜的温度，然后将在该温度的水输送到闭式水箱中，同时，通过热电偶实时检测闭式水箱的出口温度，可得时进回水温差，进而可以得到低温恒温水槽损失的热量即吸附式制冷系统的制冷量。

图1 传热传质实验台

2.3 实验工况

实验为了得到吸附温度对系统蒸发温度和COP的影响，根据实验条件，设定吸附温度的变化范围为10～40℃。

图2 吸附式制冷系统原理示意图

3 实验结果及数据分析

图3 吸附温度对蒸发温度的影响

由于蒸发温度的高低直接反映到吸附式制冷的系统的制冷效率，本实验通过试验的方法，探究了吸附温度从10℃到40℃变化对混合吸附剂吸附式制冷系统的蒸发温度影响变化关系，见图3。由图可知，随吸附温度的升高，蒸发温度先降低后升高，吸附温度为18℃时，蒸发温度达到最低为11.3℃。说明吸附温度对活性炭吸附量影响较大，随着吸附温度的升高，乙醇的吸附量先增加后降低。在设定的解吸温度下，被吸附的酒精更多的被释放出来，产生更高的循环压力，高温高压的乙醇蒸汽通过冷凝器和节流阀，释放出更多的汽化潜热，降低了蒸发温度，提高了整个系统的制冷效果。

图4 吸附温度对系统COP的影响

图4 显示了吸附温度对混合吸附剂吸附式制冷系统COP的影响，当吸附温度从10℃到18℃变化，系统COP升高明显；当吸附温度从18℃到34℃变化时，系统COP缓慢降低；当吸附温度超过34℃后，系统COP迅速降低，当吸附温度为40℃时，COP达到最低值为0.23。当吸附温度为18℃时，系统COP达到最高值为0.36。说明从吸附温度对系统COP的影响曲线可以看出，吸附温度为18℃时，吸附床内活性炭的吸附量最大，在设定的解吸温度下，系统制冷剂的解吸量最大，系统内的较大循环压力，在相同的耗能下，得到更多的制冷，产生更高的COP。

结语

吸附式制冷技术应用前景广阔，技术发展还不够成熟，本文通过探索（质量比为10∶3的活性炭和铝丝组成的混合式吸附剂与水作为吸附工质对）吸附温度对蒸发温度和系统COP的影响，得出如下结论：

（1）随吸附温度的升高，蒸发温度先降低后升高，吸附温度为18℃时，蒸发温度达到最低为11.3℃。说明吸附温度对活性炭吸附量影响较大，随着吸附温度的升高，乙醇的吸附量先增加后降低。

（2）当吸附温度从10℃到18℃变化，系统COP升高明显；当吸附温度从18℃到34℃变化时，系统COP缓慢降低；当吸附温度超过34℃后，系统COP迅速降低，当吸附温度为40℃时，COP达到最低值为0.23。当吸附温度为18℃时，系统COP达到最高值为0.36。

[1]Grisel R J H，Smeding S F，Boer R D.Waste heat driven silica gel/water adsorption cooling in refrigeration[J].Applied Thermal Engineering，2010，30(8-9)：1039-1046.

[2]卢允庄，王如竹，姜周曙.固体吸附式制冷技术及其研究进展[J].能源技术.2001，22(3)：92.

[3]Tai-Hee Eun,Hyun-Kon Song，Jong Hun Han，et al.Enhancement of heat and mass transfer in silica-expanded graphite composite blocks for adsorption heat pumps：Part I.Characterization of the composite blocks.International Journal of Refrigeration，2000，23(1)：64-73.

[4]Guilleminot J J，Choisier A，Chalfen J B.Heat transfer intensification in fixed bed adsorbers[J].Heat Recovery System&CHP，1993，13：297-300.

[5]Lu Zisheng，Wang Ruzhu，Wang Liwei，Chen Chuanjian，Performance analysis of an adsorption refrigerator using activated carbon in a compound adsorbent，Carbon，Volume 44，Issue 4，April 2006，p.747-752.

[6]L.W.Wang,R.Z.Wang,Z.S.Lu,et al，The performance of two adsorption ice making test units using activated carbon and a carbon composite as adsorbents，Carbon,Volume 44,Issue 13,November 2006,Pages 2671-2680.

[7]D.C.WANG，Y H.LI，D.LI，et al.A review on adsorption refrigeration technology and adsorption deterioration in physical adsorption systems[J].Renew Sust Energ Rev.2010，14(1)：344-353.

[8]SRIVASTAVA N C，EAMES I W.A review of adsorbates in solid-vapour adsorption heat pump systems[J].Applied thermal engineering，1998，18（9）：707-714.

[9]ZHANG X J，QIU L M.Moisture transport and adsorption on silica gel-calcium chloride composite adsorbents[J].Energyconversionandmanagement，2007,48（1）：320-326.