摘 要

本文设计并搭建了MIL-101/异丁烷工质对双床吸附制冷系统，考察半循环时间、蒸发温度、冷凝温度和回质时间等参数对MIL-101/异丁烷工质对双床系统制冷性能的影响。结果表明，在半循环时间为10 min、预冷预热时间为120 s、蒸发温度为15 ℃、热水温度为85 ℃和冷凝温度为15 ℃时，双床吸附制冷系统的单位制冷量和SCP分别为分别65.20 kJ/kg和108.67 W/kg；当回质时间为10 s，相比无回质过程，系统制冷量和SCP分别提高约26%和24%。

关键词：吸附制冷 MIL-101 异丁烷 双床

Study on cooling performance of MIL-101/isobutane double-bed adsorption refrigeration system

Abstract

In this work, a double-bed adsorption refrigeration system with MIL-101/isobutene working pairs was designed. Influence of half cycle time, evaporation temperature, condenser temperature and mass recovery time on the cooling performance of double-bed adsorption cooling chiller with MIL-101/isobutene working pairs were tests. Results show that the cooling capacity and SCP of the ACS are 65.20 kJ/kg and 108.67 W/kg at the half cycle time of 10 min, pre-cooling/pre-heating time of 120 s, evaporation temperature of 15 °C, hot water temperature of 85 °C and condenser temperature of 15 °C. When the recovery time is 10 s, the cooling capacity and SCP are higher about 26% and 24% than that of the basic adsorption cooling cycle.

Key Words: Adsorption cooling; MIL-101; Adsorber; Isobutane; double bed

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 概 述 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 吸附制冷技术 1

1.1.2 吸附制冷基本原理 2

1.2 吸附制冷工质对 3

1.2.1 传统吸附制冷工质对 3

1.2.2 新型吸附制冷工质对 4

1.3 吸附制冷系统循环优化 4

1.3.1. 回热 4

1.3.2. 回质 5

1.3.3. 回热回质结合 6

1.4 本文主要研究内容 6

第二章 实 验 7

2.1 主要原料和试剂 7

2.2 主要仪器及设备 7

2.3 MIL-101/异丁烷双床吸附制冷系统 7

第三章 结果与讨论 10

3.1 MIL-101/异丁烷双床系统吸附制冷特性曲线 10

3.2 MIL-101/异丁烷双床吸附制冷循环参数 10

3.2.1 半循环时间 10

3.2.2 预冷预热时间 12

3.2.3 蒸发温度 13

3.2.4 冷凝温度 14

3.2.5 热水温度 15

3.3 回质过程 17

3.4 吸附制冷循环稳定性 20

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 23

致 谢 26

第一章 概 述

1.1 研究背景

1.1.1 吸附制冷技术

近几十年来，人类谋求经济的高速发展，不惜以牺牲环境为代价，竭泽而渔，焚林而猎，人类面临着越来越严峻的挑战。不可再生能源的大量消耗，全球变暖、温室效应、臭氧空洞等问题日益严重，对能源需求日益增加，能源战略在今后国家的经济发展和社会建设中起着越来越重要的作用^[1]。

由于用于机械压缩制冷的CFC和HCFC制冷剂会严重破坏臭氧层，被全面禁用，发展新型环保型制冷技术的任务迫在眉睫。蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、机电制冷以及吸附式制冷是当前应用最为广泛的。然而蒸汽式压缩制冷需靠电力驱动，只能建设在电力资源丰富的区域，无法大面积应用，不环保且浪费能源；吸收式制冷能够运用工业余热驱动，但仅仅只限于高温热源，当热源温度较低时，制冷剂热力系数低，不能广泛应用于工业废热的处理；机电制冷成本高，且需要电源充足的情况下才可以使用，导致机电制冷只能小范围应用于工作要求高的场合^[1]；而吸附制冷是利用固体吸附剂对吸附质（制冷剂）的吸附过程而获得冷量，可用太阳能或工业余热驱动等低品位热能，具有绿色环保、结构简单、运行费用低、清洁无污染、无噪音和应用范围广等诸多优点^[2]。

随着社会各界对环境和生态的重视，在制冷应用方面热吸附系统受到广泛关注。相比于传统压缩式制冷技术，吸附式制冷技术使用环保型制冷剂（如水、乙醇等），通过与吸附剂组成制冷工质对来利用包括工业废热、太阳能和地热等低品位废热进行吸附制冷^{[3, 4]}。

相比于吸收式制冷，吸附式制冷可利用温度较低的热源驱动^[3]；吸附式制冷机由于避免了吸收式制冷可能产生的盐溶液腐蚀，所以其有更长的运行周期。虽然吸附式制冷技术有很大的商业化潜力，但由于它的制冷功率（SCP）和性能系数（COP）低，以及吸附床的传热传质较差，整个制冷系统设备体积庞大、设备制造的费用高，这些缺陷一直阻碍着技术的发展。

1.1.2 吸附制冷基本原理

吸附式制冷是通过利用多孔固体吸附剂能够在较高温度解吸制冷剂，较低温度下吸附制冷剂的性质，不断交替切换，从而实现吸附-解吸循环制冷的过程^[2]。常见的吸附式制冷系统主要由以下几个部分组成：吸附器、冷凝器、蒸发器、管路和控制阀^[4]。完整的吸附制冷循环过程包括加热解吸过程和吸附制冷过程，如下图1-1所示。

（1）加热解吸过程：采用低品位热源如太阳能或工业余热来提供解吸热（），加热再生吸附床，在较高的温度下解吸出固体吸附剂上的制冷剂。在制冷系统中，当制冷剂蒸汽压与冷凝器在冷凝温度是对应的冷凝压力相等时，打开连接冷凝器与吸附床的阀门，制冷剂在冷凝器中发生相态变化，由气态冷却为液态，同时释放出冷凝热（）。在加热解吸过程结束后，制冷剂冷凝液通过管路和膨胀阀进入蒸发器中。

（2）吸附制冷过程：当加热解吸过程结束后，吸附床处于高温状态，利用换热流体移除吸附床和装填吸附剂的显热，进而冷却吸附床层，降低系统内部压力，当内部压力低于制冷剂蒸发温度下所对应的饱和蒸汽压时，打开吸附床和蒸发器之间阀门。由于压强减小，液态制冷剂持续蒸发，蒸发的气态制冷剂被吸附床中的吸附剂吸附，在吸附制冷过程中由吸附剂所产生的吸附热（）被流动的换热流体及时移除。制冷剂的蒸发过程为吸热过程，需要从外界吸收热量（）。当一个吸附制冷过程结束后，将系统手动切换到加热解吸过程。

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