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1、吸附制冷与贮能解析上海交通大学 王如竹2012年11月24日2 21. 发展背景2. 吸附机理研究3. 吸附循环研究4. 传热传质强化与小温差传热5. 研究成果的应用与技术展望报告提纲3如果能把这些热能转化为冷能或者有效进行贮存，则可以实 现显著的节能减排。吸附技术为此提供了可能。60-150oC低品位热能 （占全社会总能耗的10%左右 ，数据来自于2009年国家统计年鉴的分析）。过程 工业交通运 输业环境热源：太阳能环境热源：地热低品位热能利用现状4 4低品位热能发电与制冷性能对比150 度发电， 采用有机朗肯循环，效率12%； 如果电空调制 冷系数为4，冷冻COP=1.2, 则热力COP=
2、0.48 和 0.144； 吸附单效空调COP=0.5-0.6； 吸收双效空调COP=1.3 吸附/吸收冷冻COP=0.20.380度发电采用有机郎肯循环， 效率4%； 如果电空调制冷系 数为4，冷冻COP=1.2, 则热力COP=0.16 和 0.048 吸附单效空调COP=0.5； 吸附冷冻COP=0.2答案：150度以下余热如果有制冷需求， 直接余热制 冷明显优于余热发电再制冷！5 5吸附制冷与贮能基本原理低品位热能对吸附床加热制冷剂解吸冷凝器中冷凝 对吸附床进行冷却蒸发器中制冷剂液体蒸发制冷 通过控制吸附床吸附能力与解吸能力释放的时间，可以方便的实 现制冷与贮能66吸附制冷与贮能技术的
3、发展2011年美国能源部把吸附制冷和储能作为未来能源领域重大 创新项目Massachusetts Institute of Technology: Advanced Thermo- Adsorptive Battery Massachusetts Institute of Technology: Efficient Heat Storage Materials Massachusetts Institute of Technology: Solar Thermal Energy Storage Device NAVITASMAX: Advanced Thermal Energy Storage
4、 United Technologies Research Center: Hybrid Vapor Compression Adsorption System 美国能源部在新发布的热科学工程 领域攻关课题中，与吸附制冷与贮 能相关的占到了1/377项目组在吸附制冷与贮能技术方面的成果美国能源部在新发布的攻关课题中 ，与吸附相关的占到了1/3UTRC项目主管Parmesh Verma了解到您以及您所领导的团队在吸附式制冷 循环、吸附材料及物性、新型制冷循环等方面做了大量的工作，发表了很 多高水平的论文，在国际上首屈一指。因此，Parmesh Verma希望如果可以 的话能借此机会访问您以及您领
5、导的团队从而探讨进一步合作的机 会。美国能源部重大项目承担单位美国联合技术中心 UTRC发 给项目组的邮件88项目组从1993年开始研究吸附式制冷 问题2：传统吸附循环的制冷性能系数COP低，低品位 热源的可利用范围窄 问题3：吸附式系统难以实现传热与传质耦合强化，这 直接影响了单位质量吸附剂的制冷量，进而导致吸附式 制冷与贮能系统的体积较大。另外传热温差也影响到了 系统的能量利用效率项目组主要研究的内容 问题1：物理吸附的吸附率低、化学吸附性能不稳定9 91. 发展背景2. 吸附机理研究3. 吸附循环研究4. 传热传质强化与小温差传热5. 研究总结与技术展望报告提纲10研究中所面临的挑战性问
6、题传统物理吸附剂，如活性炭与硅胶：能实现稳定吸 附，但不能实现高效吸附。物理吸附 (如硅胶-水，活性炭-甲醇)化学吸附 （如氯化钙-氨）吸附率小，0.2-0.6 kg/kg大，大于1kg/kg制冷温区适合于温度高于0oC 的空调和冷藏工况适合于低于-10oC 的冷冻工况热源温区60oC以上100-150oC吸附稳定性稳定不稳定，易于衰减将吸附剂用于制冷与贮能，要求吸附剂要具有高效 稳定的吸附能力需要寻找高效稳定的吸附剂！11采用逸度参数 f 修正了吸附势：建立了多孔径分布的物理吸附模型1 发现了活性炭纤维的高效吸附能力Wang R.Z. et al. International Journal
7、 of Energy Research Volume: 23 Issue: 10 Pages: 887-898 Published: AUG 1999 12确定了均匀孔径与非均匀孔径吸附剂的模型非均匀孔 径吸附剂 的高斯分 布模型2均匀孔径 吸附剂的 单峰阶跃 模型13发现了活性炭纤维的高效吸附能力发现了均匀孔径吸附剂活性炭纤维的高效吸附选择特性，为高效吸附剂 的结构设计指明了方向。活性炭 纤维的 吸附量 相对于 活性炭 可以提 高2倍。Wang R.Z. et al. Journal of Solar Energy Engineering-Transactions of the ASME V
8、olume: 119 Issue: 3 Pages: 214-218 Published: AUG 1997 （甲醇制冷剂）14物理吸附工质对 沸石分子筛水 活性炭甲醇 活性炭氨 硅胶水 . 2 高效、稳定的复合吸附剂研究化学吸附工质对 金属氯化物氨 金属氢化物氢 金属氧化物氧 15Wang L.W., Wang R.Z. et al. Science in China Series E-Engineering & Materials Science Volume: 48 Issue: 1 Pages: 70-82 Published: FEB 2005 化 学 吸 附 前 驱 态通过控制吸附
9、剂的膨胀空间进行研究结果发现：化学吸附剂 的吸附性能与吸附剂的空间密度关系密切。空间密度对动力 学和传质的影响显著确定了化学吸附前驱态 不同空间密度的吸附剂传统的模型改进的理论模型16化学吸附性能衰减的规律解决了化学吸附剂的短期性能衰 减,但是其体积制冷量会受到限制衰减前的吸附剂衰减后的吸附剂制冷 机组 半年 内性 能从 6kW 降到 1kW 左右实验表明化学吸附剂仍然存在长期性能衰减问题 Wang L.W, Wang R.Z. et al. Carbon Volume: 44 Issue: 13 Pages: 2671-2680 Published: NOV 2006 17物理吸附与解吸的重
10、复性Wang L.W., Wang R.Z. et al. Science in China Series E-Engineering & Materials Science Volume: 47 Issue: 2 Pages: 173-185 Published: FEB 20041167kPa adsorption1167kPa desorption饱和 温度 30oC18CaCl2-NH3 的化学吸 附滞后圈 ：化学吸 附中存在 着严重的 吸附与解 吸滞后现 象。T()x(kg/kg)解吸则需要更 高的热源温度吸附需要更低 的冷源温度这个发现完善了吸附制冷理论化学吸附滞后圈Wang L.
11、W., Wang R.Z. et al. Science in China Series E-Engineering & Materials Science Volume: 47 Issue: 2 Pages: 173-185 Published: FEB 2004饱和 温度 0oC19传质对化学吸附性能衰减的影响pc导致了吸附性能显著降低化学吸附的驱动势(pc-peq)化学吸附动力学小球模型气体压 力p1渗透率K吸附单元提高吸附剂的传质性能是解决化学吸附剂性能衰减的关 键。20物理吸附剂可以为化学吸附 剂提供丰富的传质途径，我 们采用活性炭与CaCl2等化学 吸附剂相嵌入的形式。利用活性炭丰
12、富的微孔结构 来改善化学吸附的传质。活性炭/氯化钙复合吸附剂复合吸附剂解决了衰减问题Wang L.W., Wang R.Z. et al. International Journal of Refrigeration, Volume: 27, Issue: 4, Pages: 401-408, Published：2004. 2121吸附量=550；CaCl2: ENG 5:14:13:10 mol/mol9.06110-125.17310-122.17810-128 mol/mol2.50110-131.56610-131.09410-13 下降幅度36倍34倍21倍导热系数测试渗透率测试闭
13、式的导热系数与渗透率测试B. Tian, Z.Q. Jin, L.W. Wang, R.Z. Wang. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55 (15-16): 4453-4459.单纯氯化钙吸附饱和后渗透率为3.12410-16 m2=550； Rm(CaCl2: ENG)22复合吸附有效地提高了传质性能，所以解决了化学吸附的长 期性能衰减问题。大幅度地提高体积制冷量。复合吸附剂解决了衰减问题并提高了体积制冷量在吸附饱和的情况下，氯化钙的渗透率为10-16m2，而复合吸附 剂仅为10-13m2，即将氯化钙的渗透率提
14、高了3个数量级R.G. Oliveira *, R.Z. Wang . Carbon, 45(2007):390-39623 23由于吸附改性，其解吸温度也可 以显著降低。吸湿率为单纯硅胶吸湿率的2-3倍硅 胶复合材料硅胶复合材料硅胶/卤素盐复合吸附剂的高效吸附特性C.X. Jia, Y.J. Dai, J.Y. Wu, R.Z. Wang. International Journal of Refrigeration. Volume: 30, Issue: 2, Pages: 345-353, Published: 20072424多层物理吸附BET方程化学吸附络 合反应吸附 量方程研究还表
15、明复合吸附呈现出了物理与化学吸附相互结合的特 征，为此我们建立了物理与化学吸附相结合的硅胶/卤素盐复 合吸附模型。建立了物理与化学复合吸附模型25复合材料成功用于相变贮能过程相变材料的低热导率通常是其应用的瓶颈之一，采用 混合了7%的膨胀石墨的高纯度石蜡复合材料应用于储 能水箱中，使水箱储热和释热过程所用的时间都大幅 度缩减，提高能量利用效率。L. Xia, P. Zhang, R.Z. Wang. Carbon. Volume 48, Issue 9, Pages 2538-2548. Published: August 2010,26261. 发展背景2. 吸附机理研究3. 吸附循环研究4
16、. 传热传质强化与小温差传热5. 研究总结与技术展望报告提纲27 27研究中所面临的挑战性问题1-制冷温度势利用Tsoa1 a2g1g2传统的回热循环TR利用吸附床的显 热和吸附热回收 来提高热量利用 效率 采用这种循环热 量利用效率提高 的幅度有限。吸附循环过程中吸附床处于冷热交变过程，由于这个过程的 显热损失较大，所以效率较低是否可以通过循环的改进提高效率？热源温度低于100oC时，可以实现 温度大于0oC的空调制冷。 但很难实现温度低于-5-10oC以下的深冷！2828化学吸附剂沸石硅胶复合吸附剂 (SWS)硅胶-水的 贮能密度小 ，沸石-水 的驱动温度 高，含卤素 盐复合吸附 剂的液解会 引起衰减和 腐蚀，化学 吸附剂传热 传质性能差问题：是否可以结合吸收和吸附两者的优势来实现 高效贮能?研究中所面临的挑战性问题2-贮能291 构建了回质
