吸附式制冷系统传热传质过程能效研究

李宇

（江苏科技大学，江苏 镇江 212001）

吸附式制冷系统与传统的压缩式制冷系统相比，虽然其能完成间歇性的制冷过程和实现能源的循环利用，但是在实际制冷过程中，单位质量吸附剂的制冷功率不是很高，进而导致系统需采用较大尺寸的吸附制冷机工作。另外，该系统的制冷系数也不高，虽然系统能够进行回质和回热循环，但是在循环过程中其易损失大量的热量，为此，相关人员还需不断深入的研究吸附式制冷技术，并不断对该系统制冷效率和各种吸附工质进行优化，才能使系统的环境友好制冷方式和节能潜能得到充分的发挥。

1 吸附式制冷系统制冷的基本原理

吸附式制冷系统主要由吸附床、蒸发器、冷凝器和流量调节阀等四个部件组成，其中系统的核心部件是吸附床，且吸附床传热传质性能的好坏对整体系统制冷的性能会产生直接的影响，其余三个部件工作过程同普通制冷系统基本一致。热源是吸附式制冷系统运行的主要动力，而系统能量的来源主要依靠于吸附床从外界吸收的能量，吸附床自身含有加热器和冷却器，其中加热器可以吸附热量，并将热量释放给冷却器。与传统压缩制冷系统的压缩、吸气和排气功效相比，吸附式制冷系统与其最显著的差别在于吸附床存在吸附和解吸过程，吸附过程指的是吸附床被冷却时，需向里吸气。而解吸过程指的是吸附床被加热时，需将内部气体排出系统外，由此也可以看出吸附床工作的主要动力是冷却器和加热器。理论上，当吸附床被冷却时，若蒸发压力大于或等于吸附床压力时，吸附床便开始吸附蒸发器内的制冷剂，并促进制冷剂实现蒸发制冷。当系统达到充分吸附后，便要对吸附床进行加热，若冷凝压力小于或等于吸附床压力时，吸附床的吸附质便会被解吸出来，吸附质被解吸出来后，会进入到冷凝器中，再完成上述同样的冷却吸附过程，从而达到循环制冷的功效。

2 吸附式制冷系统吸附过程的热力学分析

2.1 吸附床热力学过程

吸附床属于吸附式制冷系统中的动力部件，在系统中可以起到循环加热的功效，其主要可以分为吸附和解吸两个过程中，在冷却吸附过程中，其主要是释放吸附床内吸附剂的能量，以促进吸附剂对吸附质产生吸附作用，从而达到蒸发制冷的作用。在脱附过程中，其可将系统从外界吸附的热量传递给吸附床内的吸附剂，从而促进吸附剂内的制冷剂脱附出来。

2.2 吸附床内热力学分析

依据吸附床的吸附机理，可知吸附床属于开放式的质量和能量交换系统，也是一个非线性动力学机制的多相流系统，原因是其系统中的吸附和解吸过程是非平衡态的、相对复杂的和不可逆的热力学过程，因此，系统运作应符合热力学基本定律，尤其需服从热力学第二定律。

2.3 吸附床内不可逆热力学过程分析

一般来说，在吸附床完成加热解吸前，系统多处于平衡状态，但是随着外界输入的热流不断增加，会导致系统内的温度逐步升高，从而会导致吸附床初始的平衡状态发生偏离和系统熵产率不断增高，进而会导致吸附床内不可逆热力学过程增强。当熵产率达到极值后，熵产率便会逐渐降低，并保持不变的蒸发温度。而随着系统冷凝温度的提高，会增加系统最大的解吸温度或循环初始的解吸温度，从而促进吸附床熵产率极值升高。另外，冷凝温度的提高，还会加长等吸附量线升温阶段和增加整个解吸升温过程所需的时间，从而会导致初始解吸点发生后移。

3 吸附式制冷系统传热传质过程能效分析

吸附式制冷系统运作过程属于热力学循环过程，其制冷的基础是根据热力学原理，并且根据热力学第二定律可知，高温热源热量可以自发的传递给低温热源，但是由低温热源传递给高温热源则需消耗一定的外界输入功或能量，而在吸附式制冷系统中，是通过消耗外界输入能量来完成吸附式制冷过程并且其还需采用特定的动力设备—吸附床来完成低温热源至高温热源的输送。为此，要提高制冷系统循环过程的制冷量和制冷系数，就必须不断提高吸附式制冷系统传热传质过程能效。

由于大多数热力过程包含了单纯的传热过程、耗散功转化为热量过程以及通过两个不同温度的恒温热源间的工作热机实现热能转为功的过程，由此也可以看出吸附式制冷循环系统的循环过程实际上是不可逆的。而引发系统循环不可逆的主要因素为摩擦生热耗散效应以及系统存在不等温传热效应，在摩擦生热和不等温传热的过程中，系统必定会损失一定的机械功，原因是摩擦生热产生的机械功有一部分会转化为热。而在不同的环境和热源中，系统的做功能力也不尽相同，一般是高温环境和热源中的做功能力强于低温环境和热源中的做功能力。目前对吸附式制冷系统热能利用程度主要采用热力学第二定律(即采用列出系统熵平衡方程式的方式)进行分析和评价，对实际热力学过程采用热力学第二定律进行分析，可以对能力损失的部位和原因进行有效揭示。

3.1 热力学第二定律的含义

热力学第二定律指的是电能、热能、机械能等各种形态的能量在相互转换过程中，具有显著的方向性，各能量相互之间的转换效率在理论上虽接近100%，但是热量进行反方向的转换却无法实现完全的转换，原因是学者通过多项研究得出热力学第二定律，在该定律中明确指出，能量利用过程中，量是守恒的，但质也存在降级或贬值，因此对吸附式制冷系统传热传质过程能效进行分析过程中，不是单纯的分析其能量转换的数量，而是需探究其关键的能量损耗，并根据能源损耗，提出相对应的优化措施或充分挖掘能源充分利用的潜能，使系统能源利用率不断提高。

3.2 热力学第二定律分析对吸附式制冷系统传热传质过程能效的影响

有研究证实，在典型的吸附式制冷系统运行条件下，输入热量实测值一般大于理论计算值，原因是吸附床在吸附和解吸过程中，其自身材料的热容量被忽视所致，而制冷量实测值多小于理论计算值，原因是吸附床的吸附和解吸量受到了较大的固化活性炭传质阻力的影响，因此会导致理论计算值大于实际的吸附和解吸量。而吸附式制冷系统制冷能力和性能主要是由吸附床的吸附量和解吸量所决定的，因此，要提高吸附式制冷系统的制冷功能，就需对系统的传热性能不断进行改善，并逐步加强系统的传质性能。

4 结语

在近20年中，吸附式制冷技术作为一种节能和环保技术，被广泛应用于废热和太阳能等低品位能源利用中，不仅为建设环境友好型社会提供了良好的绿色自然工质，同时还为低品位能源提供了热源驱动循环。但是，综合吸附式制冷系统的应用现状来看，其与传统的压缩式制冷系统相比仍存在一定的缺陷和不完善，主要是由于其制冷系统的制冷系数和制冷功率较低。而导致这一问题出现的根本原因在于利用系统制冷的过程中，未能了解和认识到吸附式制冷系统传热传质过程的能效，而解决能源替代问题和提高系统能源利用率的有效途径便是促进系统能够对低品位热源进行充分和有效的利用。可以说，固体吸附式制冷技术还是一项未得到充分开发和应用的技术，因此，相关开发和探究人员还需依据热力学第二定律，对系统循环制冷过程中吸附量和解吸量的变化规律进行有效分析和不断探究系统传热传质性能的改进措施，才能促进系统的利用效率不断提高。

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