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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,