吸附式制冷循环热力学及性能

杨培志¹，陈焕新²

 (1. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉，430074)

摘　要：从纯热力学角度对基本两床连续循环、绝热回质循环、等温回质循环这3种吸附式制冷循环的热力学过程进行分析，并采用 C++语言进行编程模拟计算，探讨蒸发温度、冷凝温度及热源温度对解吸温度、吸附温度、循环吸附率、性能系数、周期制冷量等的影响。研究结果表明：随着蒸发温度及冷凝温度的提高，回质循环(包括绝热回质和等温回质)与基本两床连续循环之间的性能差距逐渐减小，随着热源温度的升高，回质过程对提高系统性能系数的作用削弱；综合3种循环方式的计算结果，等温回质循环方式能够更好地符合燃料电池汽车余热驱动的吸附式制冷系统。

关键词：吸附式制冷；余热；燃料电池汽车

中图分类号：TK511.3; U473.4         文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2007)03-0461-07

Thermodynamic analysis and performance of adsorption refrigeration loop

YANG Pei-zhi¹, CHEN Huan-xin²

 (1. School of Energy Science andenergy Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. College of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract: From the pure thermodynamic angle, the thermodynamics process was studied through analysing three kinds of adsorption refrigeration loops including basic two bed consecution loop, adiabatic mass recovery loop and isothermal mass recovery loop. C++ language was used to carry on imitating calculation, the influence of each parameter (including evaporating temperature, condensing temperature, heat source temperature) on desorption temperature, adsorption temperature, absorbent efficiency of loop, COP, period system cold quantity was studied. The result shows that along with the exaltation of evaporating temperature and condensing temperature, the function margin that returns to the mass recovery loop with the basic two bed consecution loop decreases gradually, and along with the exaltation of heat source temperature, mass recovery loop raise, the COP value of the function weakens, and isothermal mass recovery loop can be well accordance with adsorption refrigeration system driven by fuel cell electrical vehicle waste heat.

Key words: adsorption refrigeration; waste heat; fuel cell electrical vehicle

燃料电池汽车余热驱动的吸附式制冷具有依靠余热驱动，不降低汽车动力性能，以及工质不污染环境的特点，是一种具有发展潜力的新型制冷技术^[1]。目前，吸附制冷循环方式取得了重要进展，提出了众多的循环方式，如基本两床连续、两床回热、多床回热、热波与对流热波、回质、回热回质等^[2-10]。由于燃料电池产生的热水温度约80 ℃，余热的品质不高^[11]，因此，正确选择吸附制冷循环方式就显得尤为重要。考虑到燃料电池汽车空间狭小，余热温度不高，余热量充足，因此，本文作者选择基本两床连续循环以及回质循环作为研究对象，从纯热力学角度对吸附制冷循环进行热力学分析，对具体吸附过程进行相应的数学描述，给出它们之间内在的能量关系，充分发掘各因素对循环的制约影响规律。

1  吸附式制冷循环热力学分析

1.1  基本两床连续循环

基本两床连续循环由发生在吸附床中的4个过程以及蒸发器和冷凝器中的2个过程组成，可用图1所示的热力学原理图表示。

图1  基本两床连续循环系统热力学原理图

Fig.1  Principle diagram of basic two beds consecution loop thermodynamics

图中T_a2和T_g2分别为吸附终了温度和解吸终了温度；T_e和T_c分别为蒸发温度和冷凝温度(对应的饱和压力分别为P_e和P_c)；T_a1和T_g1分别为初始吸附温度和初始解吸温度。

从图1可知，基本循环涉及7类热量，如下所述：

a. Q_h——吸附床等容升压过程中吸收的热量(图上过程A-B)。

b. Q_g——解吸过程吸收的热量(图1中过程B-C)。

c. Q_c——冷却吸附床带走的热量(图1中过程C-D)。

d. Q_ad——吸附过程中带走的热量(图1中过程D-A)。

e. Q_ref——液态吸附质在蒸发温度下的气化潜热(图1中过程F-A)。

f. Q_cond——冷凝过程放出的热量(图1中过程B-E)。

g. Q_eva——液态吸附质从冷凝温度降到蒸发温度放出的热量(图1中过程E-F)。

1.2  回质循环

在回质循环中，吸附床经历的过程除了包括和基本两床连续循环一样的4个过程以外，还增加了一个回质过程。

1.2.1  绝热回质循环

若在回质阶段吸附床与外界绝热，即停止对吸附床的加热或冷却操作，保持绝热过程进行回质，则称之为绝热回质。在绝热回质过程中，吸附床A因加大解吸，吸附床温度将有所下降，吸附床B因加大吸　附，吸附床温度将有所上升，其热力学原理如图2所示^[12-13]。

图2  绝热回质循环热力学原理图

Fig.2  Principle diagram of adiabatic mass recovery loop thermodynamics

高温高压吸附床的蒸汽脱附过程中，床体同时与环境保持绝热：

低温低压吸附床在吸附过程中，床体同时与环境保持绝热：

高压吸附床吸附质减少量应等于低压吸附床中吸附质增加量，即：

1.2.2  等温回质循环

若回质阶段保持吸附床的温度不变，则称为等温回质，其热力学原理图见图3。

图3  等温回质循环热力学原理图

Fig.3  Principle diagram of isothermal mass recovery loop thermodynamics

此时：, 回质平衡后两床压力相等，高压吸附床的吸附质减少量应等于低压吸附床中的吸附质增加量。

1.3  循环性能指标和平衡吸附方程

对循环的评价可以用性能系数ε表示，它在吸附式循环中的表达式为^[14]：

单位质量吸附剂的周期制冷量：

甲醇平衡吸附量采用D-A吸附等压方程计算^[15]：

2  模拟计算结果及分析

依据上述数学模型，对基本两床连续循环、等温回质循环以及绝热回质循环这3种循环方式分别进行模拟计算。在模拟计算之前，有如下约束条件：

a. 假设冷凝温度T_c与吸附终了温度T_a2相等；

b. 设定加热流体的温度与解吸终了温度T_g2相等。

2.1  蒸发温度对循环性能的影响

在计算过程中，设定蒸发温度的变化范围是0~10 ℃，冷凝温度设定为30 ℃，总热容比设定为0，解吸终了温度T_g2为80 ℃。依据上述计算条件，得到的结果如图4所示。可见：

a. 随着T_e的提高，3种循环方式，T_a1，?X，性能系数ε及Q_{cyc, ref}均上升，而T_g1下降。由吸附理论可知，T_a1与T_e呈正比，T_g1与T_e呈反比。T_a1提高导致吸附过程提前进行，T_g1下降导致解吸过程提前进行，从而引起循环吸附量?X提高。由式(5)可知，?X提高引起制冷量的上升，?X提高的收益(制冷量的增加量)大于加热量的增加量，所以性能系数增加。由于?X提高，相应的单位质量吸附剂吸附的吸附质的量增加量，所以，Q_{cyc, ref}增加。

b. 随着T_e的提高，回质循环和基本两床连续循环之间的性能差距逐渐减小，如图4(c)~(e)所示。由于蒸发温度升高，蒸发压力随之升高，冷凝压力和蒸发压力之间的压差减小，导致回质过程的驱动力减小，所以，回质过程的作用被削弱。

1—基本两床连续循环；2—等温回质循环；3—绝热回质循环

(a) 解吸初始温度T_g1; (b) 吸附初始温度T_a1; (c) 循环吸附率?X (即X_conc-X_dil); (d) ε; (e) 周期制冷量Q_{cyc, ref}

图4  系统性能参数与蒸发温度的关系

Fig.4  Relationship between system parameters and evaporating temperature

2.2  冷凝温度对循环性能的影响

在计算过程中，设定冷凝温度的变化范围为30~40 ℃，蒸发温度为5 ℃，总热容比为0，解吸终了温度T_g2为80 ℃。依据上述计算条件，得到的计算结果如图5所示。可见：

a. 随着T_c的提高，3种循环方式的T_a1，?X，性能系数及Q_{cyc, ref}均下降，而T_g1上升。由吸附理论可知，T_a1与T_c呈反比，T_g1与T_c呈正比。T_a1的减小导致吸附过程延迟进行，T_g1的上升导致解吸过程延迟进行，从而引起循环吸附量?X减小。由式(5)可知，?X

减小引起制冷量下降，?X减小收益(加热量的减小量)小于制冷量的下降量，所以，ε下降。由于?X下降，相应的单位质量吸附剂吸附的吸附质的量减小，所以，Q_{cyc, ref}增加。

b. 随着T_c提高，回质循环和基本两床连续循环之间的性能差距逐渐加大，如图5(c)~(e)所示。由于冷凝温度升高，冷凝压力随之升高，冷凝压力和蒸发压力之间的压差减小，导致回质过程的驱动力增加，所以，回质过程的作用更突出。

1—基本两床连续循环；2—等温回质循环；3—绝热回质循环

(a) 解吸初始温度T_g1; (b) 吸附初始温度T_a1; (c) 循环吸附率?X; (d) ε; (e) 周期制冷量Q_{cyc, ref}

图5  系统性能参数与冷凝温度的关系

Fig.5  Relationship between system parameters and condensing temperatures

2.3  热源温度对循环性能的影响

假设解吸终了温度等于热源温度。在计算过程中，设定热源温度的变化范围为70~90 ℃，蒸发温度设定为5 ℃，冷凝温度设定为30 ℃，总热容比设定为0，依据上述计算条件，得到的计算结果如图6所示。可见：

a. 随着热源温度上升(意味着T_g2提高)，基本两床连续循环的T_g1维持不变，而等温回质循环及绝热回质循环的T_g1均有所提高。由吸附理论可知，对于基本两床连续循环，T_g1与T_g2无关。而对于回质循环，随着T_g2提高，回质结束后的中间压力将下降，即中间压力下的饱和温度下降，导致T_g1上升；

b. 随着热源温度的上升，3种循环方式的T_a1，?X，ε以及Q_{cyc, ref}均提高。由吸附理论可知，T_a1与T_g2呈正比，T_a1提高导致吸附过程提前进行，从而引起循环吸附量?X提高。由式(5)可知，?X提高引起制冷量上升，?X提高的收益(制冷量的增加量)大于加热量的增加量，所以ε增加。由于?X提高，相应的单位质量吸附剂吸附的吸附质的量增加，故Q_{cyc, ref}增加。

c. 随着热源温度的升高，回质过程对提高ε的作用削弱。可以看出，当热源温度比较低时，回质循环的ε和基本两床连续循环的ε相差较大，当热源温度较高时，这种差别就会逐渐减小。这是因为当热源温度较低时，吸附床的解吸过程不充分，回质过程的存在可以大大增加解吸量，其循环吸附率的收益(制冷量的增加)很大，当热源温度较高时，解吸过程相对比较充分，此时回质的作用就不太明显，其循环吸附率的收益(制冷量的增加)较小，因此，ε增加速率下降。

1—基本两床连续循环；2—等温回质循环；3—绝热回质循环

(a) 解吸初始温度T_g1; (b) 吸附初始温度T_a1; (c) 循环吸附率?X; (d) ε; (e) 周期制冷量Q_{cyc, ref}

图6  系统性能参数与热源温度的关系

Fig.6  Relationship between system parameters and heat source temperature

3  结  论

a. 随着T_e提高，回质循环和基本两床连续循环之间的性能差距逐渐减小。

b. 随着T_c提高，回质循环和基本两床连续循环之间的性能差距在逐渐加大。

c. 随着热源温度升高，回质过程对提高性能系数的作用削弱。

d. 等温回质循环能够更好地符合燃料电池汽车余热驱动的吸附式制冷系统。

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收稿日期：2006-09-06

基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(04JJ3086)

作者简介：杨培志(1977-)，男，湖南浏阳人，讲师，从事吸附式制冷方向研究

通讯作者：杨培志，男，讲师；电话：13908470812；E-mail: yang_peizhi@csu.edu.cn