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1、,现代低温制冷技术,第六章 吸附式制冷机,第一节 吸附制冷原理 第二节 吸附床与吸附式制冷系统设计 第三节 典型的吸附式制冷机,第一节 吸附制冷原理,一.吸附现象 二.物理吸附和化学吸附 三.吸附制冷工质对 四.吸附制冷循环,一.吸附现象,当气体或蒸汽与固体表面(固体外表面及内部孔隙的表面)接触时，一 部分的气体分子会被吸引并附着在固体表面上,这就是“吸附”(adsorption)现象。,固体表面的不均一性， 从原子角度分析： 来自晶格的缺陷，空位和错位等； 来自化学杂质 化学杂质： 环境污染。周围环境存在的大量的水碳水化合物及碳氧硫的化合物，这些分子对吸附剂固体表面持续碰撞，使大部分固体表面
2、都覆盖了一层单分子层的吸附质。 有时候为了强化固体吸附剂对某种吸附质的吸附能力，或者为了控制其在某些场合的催化及缓蚀作用，特意在吸附剂的生产过程中，使吸附剂的表面夹杂一些化学物质。,二.物理吸附和化学吸附,物理吸附 主要是依靠普遍存在于分子间的范德瓦尔力起作用。 一般的固体表面都可以吸附气体分子，从这个意义上说，物理吸附没有选择性。 可以形成多分子层吸附 一般对吸附剂的微孔通道进行控制，或对吸附剂的微孔表面进行特殊化学处理后，用于物理吸附的吸附剂对吸附质有一定程度的选择性。,化学吸附 起因于被吸附分子与固体表面分子（原子）的化学作用，在吸附过程中，发生电子转移或共有，原子重排及化学键的断裂与形
3、成等过程。 一般为单分子层吸附。 具有选择性，且差异较大。 不仅不同金属化合物的化学吸附性有差异，而且同一金属化合物的不同晶面上，对同一气体的吸附能力也有明显不同。,通常发生的吸附，既有物理吸附也有化学吸附。且当外部条件发生变化时，同样的吸附工质对可能发生不同类型的吸附。 发生化学吸附时，首先在固体表面进行的是物理吸附。物理吸附向化学吸附的转变，除了与化学吸附活化能有关，还与化学吸附的速度有关。,三.吸附制冷工质对,普冷温区： 天然工质（水，氨，甲醇等）作制冷剂，对臭氧层无破坏，也不是温室气体。 物理吸附：活性炭甲醇，活性炭氨，分子筛-水，硅胶水， 化学吸附：金属氯化物（氯化钙，氯化锰，氯化镍
4、）-氨 在吸附制冷过程中，制冷剂吸收大量的蒸发潜热，因而可以获得较大的制冷量输出。,低温温区： 低温气体作为吸附制冷工质（甲烷，氮气，氧气，氖气，氢气，氦气等） 吸附剂主要采用活性炭，分子筛或者一些化学吸附物质（如金属氧化物吸附氧气，金属吸氢材料吸附氢气） 由于采用J-T节流制冷方式，解吸出的气体必须先经过预冷至转化温度以下，否则不可能实现低温气体工质的液化。,液氮温区以上，常采用活性炭（或分子筛）对制冷工质（Kr，CH4，N2）的物理吸附。 采用O2作工质，则采用金属氧化物PCO-O2化学吸附方式制冷。 液氮温区以下，只能采用H2和He工质，采用金属吸氢材料H2的化学吸附获得液氮低温，甚至通
5、过升华作用，可获得7K低温。 对于He工质，多采用活性炭物理吸附方式，如果采用He3工质，可获得300mK左右的超低温。,四.吸附制冷循环,分子筛氮气温度降低和压力升高可以使得吸附率增大。吸附床可以作为压缩机（加热时），也可以作为抽气泵（冷却时）。1-2，等压吸附（降温）2-3，等容加热（升压）3-4，等压排气（升温）4-1，等容冷却（降温）,第二节 吸附床与吸附式制冷系统设计,制冷过程：当吸附床加热时，气体解吸，经预冷后降温，高压气体经节流后成为低压气液混合物，液体经过蒸发吸热产生制冷效应，低压蒸气由吸附床吸附即完成制冷过程。加热解吸需要一定温度的热源和热量输入，吸附制冷时需要将吸附床的显热
6、和吸附热排放出去。 吸附制冷机构成：吸附床，换热器，节流装置，管道，阀门，加热/冷却设备等。,一.吸附床的设计及换热,气体制冷机工作为较高压力，气体在吸附床内穿透率高，因此吸附床内传质问题不是主要问题，传热增强是主要矛盾。对于活性炭，分子筛等吸附剂，可通过吸附剂材料压缩固化办法提高其热导率，并减小其死体积。 不能过多地增大金属热容。金属泡沫材料与吸附剂颗粒的结合，可非常有效地提高吸附床热导率，但应同时注意不要过多扩大死容积。,制冷/空调吸附式系统吸附床一般采用传热流体完成对吸附床的加热，冷却过程，吸附床一般通过保温层进行保温。吸附器一般采用常用的换热方式（管壳式换热器，板式换热器，板翅式换热器
7、），一侧为吸附剂，另一侧为换热流体。 低温吸附式制冷机吸附床的保温措施和换热措施完全不同，否则会造成流体热容和金属热容的增大，以及由于保温层而造成的体积增大。,需要加热时，抽去气体维持0.1Pa的真空度，再利用电加热器加热。 需要冷却时，先切断加热器，再充入传热气体，维持约1000Pa的压力，以冷却吸附筒。 为保证热开关的良好通/断特性，气隙间还设有一层或几层辐射屏，以减少切断时的辐射漏热。 非常适用于吸附式压缩机,在不锈钢筒内充填了泡沫铜活性炭，吸附筒外钎焊了盘管换热器，管内流体为氦气。 为强化换热，泡沫铜吸附床也与吸附筒内壁通过钎焊连成一体。 可方便构筑回热型吸附式制冷机，提高制冷系数。,
8、回热型吸附式制冷机换热流体回路的工作原理,充分利用了换热流体的热量，使得外部输入热量或向外界耗散热量有较大幅度减小，此种回热型多床系统制冷系数可显著提高。,LaNi5-H2吸附式制冷系统，氢气为工质 荷兰，菲利浦公司 吸附器中把中心管和外管组成的环形分成内外两个部分。 外吸附床采用单边加热和冷却，内吸附床采用双边加热和冷却。,JPL设计的氢吸附器结构 为了强化换热，在吸氢材料中加填了很多高纯铜箔圆片 两端的堵头，减小吸附器的死体积,二.吸附式制冷系统,划分：工作温度范围工质 吸附式制冷机实际上是与J-T节流阀结合的制冷机，解吸高压气体必须经过预冷，只有在气体温度低于转化温度后，节流才能产生制冷
9、效果。氢气，氦气等制冷气体的吸附式制冷机，必须有其他低温制冷机预冷。氮气，氧气，甲烷等制冷气体的吸附式制冷机，如果先预冷，可有效提高制冷系统的制冷热效率。,吸附式制冷机系统设计原则： 尽量采用化学吸附。化学吸附一般工作在高温热源下，效率较高，排热系统可做得较轻。 如果采用物理吸附，尽可能采用沸点高的气体做工质。其与吸附剂之间的范德瓦尔力较大，不需要过高的操作压比。吸附剂应具有吸附率大，吸附空隙容积小的特点，可减小对总能耗的需求，并使制冷效率提高。 尽量在较高温度水平对吸附式压缩机进行冷却。吸附式压缩机散热应该通过热辐射或对流方式，尽量避免其他形式制冷源来冷却。 对制冷气体尽可能降低温度，甚至在
10、其达到J-T节流阀前使其液化，可有效提高节流效果。,不同温区吸附制冷方式：110150K，活性炭-甲烷物理吸附5590K，甲烷+镨铈氧化物（Pr1-nCenOx，PCO）化学吸附1430K，CH4+PCO+LH2金属吸氢材料吸氢化学吸附710K，CH4+PCO+LH2金属吸氢材料吸氢+SH2金属吸氢材料吸氢化学吸附45K， CH4+PCO+LH2金属吸氢材料吸氢+氦机械压缩式系统1K，带液氦预冷的活性炭-氦3（C/He3）物理吸附,JPL，LaNi5-H2吸附式制冷机节流系统 节流阀的开度由上下流的压差和弹簧的预紧力所决定 优点：比小孔节流阀的抗堵性能好,美国，AESC公司，氢吸附式制冷机节流
11、阀 采用侧向出气方式，节流阀的通量通过弹簧预制，也需要一定的压差驱动。,第三节 典型的吸附式制冷机,一.活性炭-甲烷物理吸附制冷机（110150K） 二.镨铈化合物（ Pr1-nCenOx，PCO ）化学吸附制冷机 三.金属吸氢材料吸氢的化学吸附式制冷机（14K30K） 四.SH2金属吸氢材料吸氢化学吸附式制冷机（7K10K） 五. LH2金属吸氢材料吸氢+氦机械压缩式系统的复合制冷 机（45K） 六.带液氦预冷的活性炭-氦3（C/He3）物理吸附,一.活性炭-甲烷物理吸附制冷机（110150K）,175K以上温区，采用热电制冷系统（TEC）最简单高效。它利用了热电效应，即在作用一电压的情况下
12、，不同材料的两端会产生温差。 在110150K温区，从长寿命，无震动角度考虑，采用活性炭-甲烷物理吸附制冷机比较有效。,回热设计实现回热型制冷循环，从而提高吸附制冷机的的热效率。 JPL，采用四台吸附式压缩机，吸附压缩机的加热解吸和冷却吸附有特定设计的流体回路实现。采用回热，可实现76%的废热回收。,活性炭-甲烷作为第一级吸附式制冷 排热温度300K，经热电制冷TEC预冷畏190K，第一级吸附式制冷机冷却为140K（高压氧气经三步冷却，在140K成为液体） 经冷却器进一步冷却，再进入节流阀，产生70K的液态氧 如采用PCO吸附过程的释热来驱动C-CH4的解析过程，系统能耗能进一步降低,二.镨铈
13、化合物（ Pr1-nCenOx，PCO ）化学吸附制冷机,PCO是氧化镨和氧化铈两种固溶体的混合物，系美国联合碳化物公司开发，用于从空气中靠化学吸附方法提取氧气。这一技术突破给吸附制冷开辟了一条新的途径。 CKr作为预冷级，在140K提供冷量，PCO则在80K制冷。 实验结果，表6-3。,1972年，荷兰，Van Mal，研制金属吸氢材料氢吸附式制冷机。LaNi5位吸附剂，获得20K的低温。 1985年，美国，JPL 成功进行了1429K的上万小时的寿命试验,三.金属吸氢材料吸氢的化学吸附式制冷机（14K30K）,按照经典连续型设计的25K吸附制冷机系统,四.SH2金属吸氢材料吸氢化学吸附式制
14、冷机（7K10K）,低压下吸氢材料（钯）吸氢，可将氢气的饱和压力降得很低。 金属吸氢材料在0C对氢气吸附，可将氢气的压力降至226Pa，液氢可在10K下固化并升华。 采用两支液氢杜瓦，可通过热开关切换，是低温器件连续保持在10K温度下。 该制冷机不需耗能，其主要耗能在氢气的液化过程。将液氢降压，使其转化为固态氢所需要的能耗与液化过程相比，可以忽略。,采用60K左右的冷源预冷 以LaNi4.8Sn0.2为吸附剂，使氢气在2430K之间制冷级循环（高压吸附床） 采用ZrNi吸氢材料达到真空低压，使液氢降温固化（低压吸附床） 通过固态氢的升华，达到10K的低温,五. LH2金属吸氢材料吸氢+氦机械压
15、缩式系统的复合制冷 机（45K）,液氢固化升华制冷得不到7K以下的低温 获得7K以下的低温，C-He吸附式制冷机能耗太大 获得45K的低温，方法有：（1）磁制冷，采用顺磁盐材料绝热去磁；（2）氦机械压缩机，使氦在室温下排气 多重复叠，注意润滑油与He的分离，避免其进入J-T节流阀造成阻塞,第一级预冷，采用G-M制冷机，获得70K的低温； 上者作为金属吸氢吸附式制冷机的预冷级，获得20K的液氢； 高低压吸附床方式，获得14K的液氢； 绝热去磁制冷，通过对14K热沉的排热，获得4.5K的低温，使得氦气液化,六.带液氦预冷的活性炭-氦3（C/He3）物理吸附,采用液氦（3K）预冷，可使活性炭-氦3物
16、理吸附制冷在1K以下的低温有效工作。 3K以下温度的液氦可通过LHe 的减压蒸发得到,本章小结,第一节 吸附制冷原理 一.吸附现象 二.物理吸附和化学吸附 三.吸附制冷工质对 四.吸附制冷循环 第二节 吸附床与吸附式制冷系统设计 一.吸附床的设计及换热 二.吸附式制冷系统 第三节 典型的吸附式制冷机 一.活性炭-甲烷物理吸附制冷机（110150K） 二.镨铈化合物（ Pr1-nCenOx，PCO ）化学吸附制冷机 三.金属吸氢材料吸氢的化学吸附式制冷机（14K30K） 四.SH2金属吸氢材料吸氢化学吸附式制冷机（7K10K） 五. LH2金属吸氢材料吸氢+氦机械压缩式系统的复合制冷 机（45K） 六.带液氦预冷的活性炭-氦3（C/He3）物理吸附,
