現(xiàn)代低溫制冷技術(shù).ppt

,現(xiàn)代低溫制冷技術(shù),第六章 吸附式制冷機,第一節(jié) 吸附制冷原理 第二節(jié) 吸附床與吸附式制冷系統(tǒng)設(shè)計 第三節(jié) 典型的吸附式制冷機,第一節(jié) 吸附制冷原理,一.吸附現(xiàn)象 二.物理吸附和化學(xué)吸附 三.吸附制冷工質(zhì)對 四.吸附制冷循環(huán),一.吸附現(xiàn)象,當(dāng)氣體或蒸汽與固體表面(固體外表面及內(nèi)部孔隙的表面)接觸時，一 部分的氣體分子會被吸引并附著在固體表面上,這就是“吸附”(adsorption)現(xiàn)象。,固體表面的不均一性， 從原子角度分析： 來自晶格的缺陷，空位和錯位等； 來自化學(xué)雜質(zhì) 化學(xué)雜質(zhì)： 環(huán)境污染。周圍環(huán)境存在的大量的水碳水化合物及碳氧硫的化合物，這些分子對吸附劑固體表面持續(xù)碰撞，使大部分固體表面都覆蓋了一層單分子層的吸附質(zhì)。 有時候為了強化固體吸附劑對某種吸附質(zhì)的吸附能力，或者為了控制其在某些場合的催化及緩蝕作用，特意在吸附劑的生產(chǎn)過程中，使吸附劑的表面夾雜一些化學(xué)物質(zhì)。,二.物理吸附和化學(xué)吸附,物理吸附 主要是依靠普遍存在于分子間的范德瓦爾力起作用。 一般的固體表面都可以吸附氣體分子，從這個意義上說，物理吸附?jīng)]有選擇性。 可以形成多分子層吸附 一般對吸附劑的微孔通道進行控制，或?qū)ξ絼┑奈⒖妆砻孢M行特殊化學(xué)處理后，用于物理吸附的吸附劑對吸附質(zhì)有一定程度的選擇性。,化學(xué)吸附 起因于被吸附分子與固體表面分子（原子）的化學(xué)作用，在吸附過程中，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移或共有，原子重排及化學(xué)鍵的斷裂與形成等過程。 一般為單分子層吸附。 具有選擇性，且差異較大。 不僅不同金屬化合物的化學(xué)吸附性有差異，而且同一金屬化合物的不同晶面上，對同一氣體的吸附能力也有明顯不同。,通常發(fā)生的吸附，既有物理吸附也有化學(xué)吸附。且當(dāng)外部條件發(fā)生變化時，同樣的吸附工質(zhì)對可能發(fā)生不同類型的吸附。 發(fā)生化學(xué)吸附時，首先在固體表面進行的是物理吸附。物理吸附向化學(xué)吸附的轉(zhuǎn)變，除了與化學(xué)吸附活化能有關(guān)，還與化學(xué)吸附的速度有關(guān)。,三.吸附制冷工質(zhì)對,普冷溫區(qū)： 天然工質(zhì)（水，氨，甲醇等）作制冷劑，對臭氧層無破壞，也不是溫室氣體。 物理吸附：活性炭甲醇，活性炭氨，分子篩-水，硅膠水， 化學(xué)吸附：金屬氯化物（氯化鈣，氯化錳，氯化鎳）-氨 在吸附制冷過程中，制冷劑吸收大量的蒸發(fā)潛熱，因而可以獲得較大的制冷量輸出。,低溫溫區(qū)： 低溫氣體作為吸附制冷工質(zhì)（甲烷，氮氣，氧氣，氖氣，氫氣，氦氣等） 吸附劑主要采用活性炭，分子篩或者一些化學(xué)吸附物質(zhì)（如金屬氧化物吸附氧氣，金屬吸氫材料吸附氫氣） 由于采用J-T節(jié)流制冷方式，解吸出的氣體必須先經(jīng)過預(yù)冷至轉(zhuǎn)化溫度以下，否則不可能實現(xiàn)低溫氣體工質(zhì)的液化。,液氮溫區(qū)以上，常采用活性炭（或分子篩）對制冷工質(zhì)（Kr，CH4，N2）的物理吸附。 采用O2作工質(zhì)，則采用金屬氧化物PCO-O2化學(xué)吸附方式制冷。 液氮溫區(qū)以下，只能采用H2和He工質(zhì)，采用金屬吸氫材料H2的化學(xué)吸附獲得液氮低溫，甚至通過升華作用，可獲得7K低溫。 對于He工質(zhì)，多采用活性炭物理吸附方式，如果采用He3工質(zhì)，可獲得300mK左右的超低溫。,分子篩氮氣 溫度降低和壓力升高可以使得吸附率增大。吸附床可以作為壓縮機（加熱時），也可以作為抽氣泵（冷卻時）。 1-2，等壓吸附（降溫） 2-3，等容加熱（升壓） 3-4，等壓排氣（升溫） 4-1，等容冷卻（降溫）,第二節(jié) 吸附床與吸附式制冷系統(tǒng)設(shè)計,制冷過程： 當(dāng)吸附床加熱時，氣體解吸，經(jīng)預(yù)冷后降溫，高壓氣體經(jīng)節(jié)流后成為低壓氣液混合物，液體經(jīng)過蒸發(fā)吸熱產(chǎn)生制冷效應(yīng)，低壓蒸氣由吸附床吸附即完成制冷過程。 加熱解吸需要一定溫度的熱源和熱量輸入，吸附制冷時需要將吸附床的顯熱和吸附熱排放出去。 吸附制冷機構(gòu)成： 吸附床，換熱器，節(jié)流裝置，管道，閥門，加熱/冷卻設(shè)備等。,一.吸附床的設(shè)計及換熱,氣體制冷機工作為較高壓力，氣體在吸附床內(nèi)穿透率高，因此吸附床內(nèi)傳質(zhì)問題不是主要問題，傳熱增強是主要矛盾。 對于活性炭，分子篩等吸附劑，可通過吸附劑材料壓縮固化辦法提高其熱導(dǎo)率，并減小其死體積。 不能過多地增大金屬熱容。金屬泡沫材料與吸附劑顆粒的結(jié)合，可非常有效地提高吸附床熱導(dǎo)率，但應(yīng)同時注意不要過多擴大死容積。,制冷/空調(diào)吸附式系統(tǒng) 吸附床一般采用傳熱流體完成對吸附床的加熱，冷卻過程，吸附床一般通過保溫層進行保溫。吸附器一般采用常用的換熱方式（管殼式換熱器，板式換熱器，板翅式換熱器），一側(cè)為吸附劑，另一側(cè)為換熱流體。 低溫吸附式制冷機 吸附床的保溫措施和換熱措施完全不同，否則會造成流體熱容和金屬熱容的增大，以及由于保溫層而造成的體積增大。,需要加熱時，抽去氣體維持0.1Pa的真空度，再利用電加熱器加熱。 需要冷卻時，先切斷加熱器，再充入傳熱氣體，維持約1000Pa的壓力，以冷卻吸附筒。 為保證熱開關(guān)的良好通/斷特性，氣隙間還設(shè)有一層或幾層輻射屏，以減少切斷時的輻射漏熱。 非常適用于吸附式壓縮機,在不銹鋼筒內(nèi)充填了泡沫銅活性炭，吸附筒外釬焊了盤管換熱器，管內(nèi)流體為氦氣。 為強化換熱，泡沫銅吸附床也與吸附筒內(nèi)壁通過釬焊連成一體。 可方便構(gòu)筑回?zé)嵝臀绞街评錂C，提高制冷系數(shù)。,回?zé)嵝臀绞街评錂C換熱流體回路的工作原理,充分利用了換熱流體的熱量，使得外部輸入熱量或向外界耗散熱量有較大幅度減小，此種回?zé)嵝投啻蚕到y(tǒng)制冷系數(shù)可顯著提高。,LaNi5-H2吸附式制冷系統(tǒng)，氫氣為工質(zhì) 荷蘭，菲利浦公司 吸附器中把中心管和外管組成的環(huán)形分成內(nèi)外兩個部分。 外吸附床采用單邊加熱和冷卻，內(nèi)吸附床采用雙邊加熱和冷卻。,JPL設(shè)計的氫吸附器結(jié)構(gòu) 為了強化換熱，在吸氫材料中加填了很多高純銅箔圓片 兩端的堵頭，減小吸附器的死體積,二.吸附式制冷系統(tǒng),劃分：工作溫度范圍 工質(zhì) 吸附式制冷機實際上是與J-T節(jié)流閥結(jié)合的制冷機，解吸高壓氣體必須經(jīng)過預(yù)冷，只有在氣體溫度低于轉(zhuǎn)化溫度后，節(jié)流才能產(chǎn)生制冷效果。 氫氣，氦氣等制冷氣體的吸附式制冷機，必須有其他低溫制冷機預(yù)冷。 氮氣，氧氣，甲烷等制冷氣體的吸附式制冷機，如果先預(yù)冷，可有效提高制冷系統(tǒng)的制冷熱效率。,吸附式制冷機系統(tǒng)設(shè)計原則： 盡量采用化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附一般工作在高溫?zé)嵩聪?，效率較高，排熱系統(tǒng)可做得較輕。 如果采用物理吸附，盡可能采用沸點高的氣體做工質(zhì)。其與吸附劑之間的范德瓦爾力較大，不需要過高的操作壓比。吸附劑應(yīng)具有吸附率大，吸附空隙容積小的特點，可減小對總能耗的需求，并使制冷效率提高。 盡量在較高溫度水平對吸附式壓縮機進行冷卻。吸附式壓縮機散熱應(yīng)該通過熱輻射或?qū)α鞣绞?，盡量避免其他形式制冷源來冷卻。 對制冷氣體盡可能降低溫度，甚至在其達到J-T節(jié)流閥前使其液化，可有效提高節(jié)流效果。,不同溫區(qū)吸附制冷方式： 110150K，活性炭-甲烷物理吸附 5590K，甲烷+鐠鈰氧化物（Pr1-nCenOx，PCO）化學(xué)吸附 1430K，CH4+PCO+LH2金屬吸氫材料吸氫化學(xué)吸附 710K，CH4+PCO+LH2金屬吸氫材料吸氫+SH2金屬吸氫材料吸氫化學(xué)吸附 45K， CH4+PCO+LH2金屬吸氫材料吸氫+氦機械壓縮式系統(tǒng) 1K，帶液氦預(yù)冷的活性炭-氦3（C/He3）物理吸附,JPL，LaNi5-H2吸附式制冷機節(jié)流系統(tǒng) 節(jié)流閥的開度由上下流的壓差和彈簧的預(yù)緊力所決定 優(yōu)點：比小孔節(jié)流閥的抗堵性能好,美國，AESC公司，氫吸附式制冷機節(jié)流閥 采用側(cè)向出氣方式，節(jié)流閥的通量通過彈簧預(yù)制，也需要一定的壓差驅(qū)動。,第三節(jié) 典型的吸附式制冷機,一.活性炭-甲烷物理吸附制冷機（110150K） 二.鐠鈰化合物（ Pr1-nCenOx，PCO ）化學(xué)吸附制冷機 三.金屬吸氫材料吸氫的化學(xué)吸附式制冷機（14K30K） 四.SH2金屬吸氫材料吸氫化學(xué)吸附式制冷機（7K10K） 五. LH2金屬吸氫材料吸氫+氦機械壓縮式系統(tǒng)的復(fù)合制冷 機（45K） 六.帶液氦預(yù)冷的活性炭-氦3（C/He3）物理吸附,一.活性炭-甲烷物理吸附制冷機（110150K）,175K以上溫區(qū)，采用熱電制冷系統(tǒng)（TEC）最簡單高效。它利用了熱電效應(yīng)，即在作用一電壓的情況下，不同材料的兩端會產(chǎn)生溫差。 在110150K溫區(qū)，從長壽命，無震動角度考慮，采用活性炭-甲烷物理吸附制冷機比較有效。,回?zé)嵩O(shè)計實現(xiàn)回?zé)嵝椭评溲h(huán)，從而提高吸附制冷機的的熱效率。 JPL，采用四臺吸附式壓縮機，吸附壓縮機的加熱解吸和冷卻吸附有特定設(shè)計的流體回路實現(xiàn)。采用回?zé)?，可實現(xiàn)76%的廢熱回收。,活性炭-甲烷作為第一級吸附式制冷 排熱溫度300K，經(jīng)熱電制冷TEC預(yù)冷畏190K，第一級吸附式制冷機冷卻為140K（高壓氧氣經(jīng)三步冷卻，在140K成為液體） 經(jīng)冷卻器進一步冷卻，再進入節(jié)流閥，產(chǎn)生70K的液態(tài)氧 如采用PCO吸附過程的釋熱來驅(qū)動C-CH4的解析過程，系統(tǒng)能耗能進一步降低,二.鐠鈰化合物（ Pr1-nCenOx，PCO ）化學(xué)吸附制冷機,PCO是氧化鐠和氧化鈰兩種固溶體的混合物，系美國聯(lián)合碳化物公司開發(fā)，用于從空氣中靠化學(xué)吸附方法提取氧氣。這一技術(shù)突破給吸附制冷開辟了一條新的途徑。 CKr作為預(yù)冷級，在140K提供冷量，PCO則在80K制冷。 實驗結(jié)果，表6-3。,1972年，荷蘭，Van Mal，研制金屬吸氫材料氫吸附式制冷機。LaNi5位吸附劑，獲得20K的低溫。 1985年，美國，JPL 成功進行了1429K的上萬小時的壽命試驗,三.金屬吸氫材料吸氫的化學(xué)吸附式制冷機（14K30K）,按照經(jīng)典連續(xù)型設(shè)計的25K吸附制冷機系統(tǒng),四.SH2金屬吸氫材料吸氫化學(xué)吸附式制冷機（7K10K）,低壓下吸氫材料（鈀）吸氫，可將氫氣的飽和壓力降得很低。 金屬吸氫材料在0C對氫氣吸附，可將氫氣的壓力降至226Pa，液氫可在10K下固化并升華。 采用兩支液氫杜瓦，可通過熱開關(guān)切換，是低溫器件連續(xù)保持在10K溫度下。 該制冷機不需耗能，其主要耗能在氫氣的液化過程。將液氫降壓，使其轉(zhuǎn)化為固態(tài)氫所需要的能耗與液化過程相比，可以忽略。,采用60K左右的冷源預(yù)冷 以LaNi4.8Sn0.2為吸附劑，使氫氣在2430K之間制冷級循環(huán)（高壓吸附床） 采用ZrNi吸氫材料達到真空低壓，使液氫降溫固化（低壓吸附床） 通過固態(tài)氫的升華，達到10K的低溫,五. LH2金屬吸氫材料吸氫+氦機械壓縮式系統(tǒng)的復(fù)合制冷 機（45K）,液氫固化升華制冷得不到7K以下的低溫 獲得7K以下的低溫，C-He吸附式制冷機能耗太大 獲得45K的低溫，方法有：（1）磁制冷，采用順磁鹽材料絕熱去磁；（2）氦機械壓縮機，使氦在室溫下排氣 多重復(fù)疊，注意潤滑油與He的分離，避免其進入J-T節(jié)流閥造成阻塞,第一級預(yù)冷，采用G-M制冷機，獲得70K的低溫； 上者作為金屬吸氫吸附式制冷機的預(yù)冷級，獲得20K的液氫； 高低壓吸附床方式，獲得14K的液氫； 絕熱去磁制冷，通過對14K熱沉的排熱，獲得4.5K的低溫，使得氦氣液化,六.帶液氦預(yù)冷的活性炭-氦3（C/He3）物理吸附,采用液氦（3K）預(yù)冷，可使活性炭-氦3物理吸附制冷在1K以下的低溫有效工作。 3K以下溫度的液氦可通過LHe 的減壓蒸發(fā)得到,本章小結(jié),第一節(jié) 吸附制冷原理 一.吸附現(xiàn)象 二.物理吸附和化學(xué)吸附 三.吸附制冷工質(zhì)對