喇海忠 刘妮 欧阳新萍 邬志敏

摘要：本文在以氯化钙－氨为工质对的两床吸附式循环制冷系统上进行了实验研究，对实验过程中床内压力、电加热器功率的动态变化进行了分析，并研究了不同的热源温度下吸附制冷性能参数(制冷量Qeva、COP)的变化。所得结果可为进一步的实验研究和工程设计提供指导。

关键词：氯化钙－氨 化学吸附 制冷性能

0 前言

20世纪70年代以来，随着常规能源消耗的剧增、环境污染的加剧，人们对能源的节约和环境的保护引起广泛的关注。其中，固体吸附制冷技术因其无大气污染、能利用低品位热源等优点迎合了这种节能和环保的趋势，并且引起国内外学者的广泛兴趣。从目前国内外对吸附制冷研究的现状来看，对吸附制冷的研究主要集中在工质对的选择及其性能的分析^[1]、高效吸附式热力系统的研究以及吸附床内传热传质的研究^{[2] [3]}等几个方面。国内外学者在化学吸附制冷方面也进行了相关的研究工作^[4-7]，但其实验装置大多采用间歇式制冷的方式。本文建立了一套以氯化钙－氨为工质对的两床连续循环吸附制冷系统，并对其制冷性能进行了初步实验研究，为进一步的理论研究和工程设计提供了依据。

1 实验装置及实验方法

本文所建立的氯化钙－氨吸附式制冷实验装置如图1所示。整个系统由吸附/解吸床、冷凝器、节流阀、蒸发器、电加热器、冷却风机以及相应的连接管道和阀门等组成。吸附床采用壳管式换热器的形式，管子采用翅片管，冷却空气或热空气（或烟气）从管内流过，壳程充填氯化钙，以对氨进行吸附或脱附。冷凝器为套管式水冷冷凝器，蒸发器采用盘管形式浸没在盐水箱中。实验过程中利用搅拌器不停搅拌盐水，以增强换热，并使箱内水温均匀。

图1 氯化钙－氨吸附式制冷实验系统

实验过程中(假定实验开始时床1为解吸床，床2为吸附床) ，首先根据实验研究要求的热源温度设定好电加热器上的温度值，利用电加热器加热后的高温模拟气体(高温空气)加热床1，此时阀门V1和V3开启，V2和V4关闭，同时阀门A、C关闭，阀门B、D开启；当床1加热到床内的压力等于或稍高于冷凝压力P_c后，开启阀门4让解吸出来的制冷剂蒸汽进入冷凝器中冷却，而电热器继续加热床1进行解吸，通过适当的调整节流阀来实现等压解吸过程；与此同时，开启风机对床2进行冷却实现吸附过程，当床2中的压力等于或稍低于蒸发压力P_e，开启阀门2让节流后的制冷剂实现蒸发制冷过程，并且吸附制冷过程中冷风机一直冷却吸附床2保持床体的压力在P_e左右，这样就实现了等压吸附过程。

等前半个循环周期结束后，即床1解吸完毕，床2吸附饱和时，准备切换两床的状态，先关闭阀门1～4，然后开启阀门A、C和V2、V4，同时关闭B、D和V1、V3，使原来处于解吸状态的床1切换为吸附状态，床2切换为解吸状态。分别对两床进行预热和预冷，当床2和床1的压力分别达到P_c和P_e后，开启阀门1、3，同时关闭阀门2、4来实现等压解吸和吸附过程，这样就实现了一个连续循环周期。

实验中回质过程为：在前半个循环周期将要结束，准备切换两床的状态前，开启阀门V0一定的时间(实验研究中一般都是几十妙)，使两个床体直接连接，从而实现了回质过程。

2 实验结果及分析

2.1 实验过程中床内压力的动态变化

图2和图3为环境温度T₀＝30℃、循环时间t_cycle＝8h、回质时间t_mc＝35s的条件下，热源温度T_h不同时，床内压力随时间的变化。从图2和图3中可见，刚打开阀门制冷时床内压力有个突降的过程，主要是因为此时床内解吸出来的制冷剂比较多，很快进入到冷凝器中进行冷却，使床内的压力出现了突降的过程。随后加热解吸出来的制冷剂的量基本上达到稳定，同时冷却吸附的制冷剂也达到了稳定，过程表现为等压解吸和等压吸附。

2.2 瞬时加热功率的动态变化

图4和图5为T₀＝30℃、t_cycle＝8h、t_mc＝35s的实验条件下，热源温度T_h不同时，瞬时加热功率随时间的变化趋势。从图中可见， 热源温度分别为110℃、130℃时，在吸附制冷阶段，瞬时加热功率值W_h分别在7kW和9kW左右波动。所以从上面的分析可知：实验过程中的制冷阶段，瞬时加热功率值基本平稳，有利于制冷剂的解吸和整个系统性能的稳定。

图4 T_h＝110℃时，瞬时加热功率的变化

图5 T_h＝130℃时，瞬时加热功率的变化

2.3 不同热源温度下系统性能参数的动态变化

图6和图7为T₀＝30℃、t_cycle＝8h、t_mc＝35s时，不同的热源温度下，系统制冷量Q_eva和COP随时间的变化关系。从图中可见，实验开始的初始预冷和预热阶段，没有制冷剂参加制冷循环，因此此时的制冷量和COP为零。当t=80min初始预冷和预热阶段结束后，开启阀门进行制冷，制冷量Q_eva和COP随时间基本呈线性增大趋势；当前半个周期结束 (t=240min) 后，切换两床的状态进行再预热和预冷，因此时没有制冷剂参加制冷循环，制冷量的变化在图示中基本保持不变，而制冷性能系数COP值呈下降的变化趋势，这是因为对床体的预热使加热量一直增加，从而造成COP的下降。再预热和预冷阶段结束后，又打开阀门制冷，制冷量Q_eva和COP值随着时间的增加又开始线性增加。

从图6和图7中可以看出，在130℃较高的热源温度时，系统解吸出来的制冷剂氨比110℃的热源温度条件下要多，其制冷量表现为较大。但由于较高的热源温度所消耗的加热量相应的增大较快，所以最终系统的COP表现为较小。因此，我们可以这样认为，热源温度的提高有利于提高系统的制冷量，但对COP来说，理论上存在一个最佳的热源温度范围。

图6 制冷量 Q_eva随时间变化关系

图7 制冷系数COP随时间变化关系

3 结论

本文对吸附制冷实验过程中的床内压力、瞬时加热功率的动态变化趋势进行了分析，分析结果表明实验过程基本上按等压解吸和等压吸附进行的，另外还对不同的热源温度下吸附制冷系统性能参数的动态变化趋势进行了实验。本文所得到的结果可为进一步的实验研究提供理论上的指导。

参考文献

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2. 李明,杨智明等. 太阳能固体吸附式制冷吸附床内数学模型的建立[J]. 云南师范大学学报, 2001,21(2):34～38.

3. 喇海忠,刘妮等. 吸附制冷系统中吸附床的传热传质分析及结构设计[J]. 上海理工大学学报, 2004,26(5):461～464.

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