现代低温制冷技术.ppt

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1、现代低温制冷技术第六章 吸附式制冷机n第一节 吸附制冷原理n第二节 吸附床与吸附式制冷系统设计n第三节 典型的吸附式制冷机第一节 吸附制冷原理n一.吸附现象 n二.物理吸附和化学吸附n三.吸附制冷工质对n四.吸附制冷循环一.吸附现象 n 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：1.来自晶格的缺陷，空位和错位等；2.来自化学杂质化学杂质：1.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，使大部分固体表面都

2、覆盖了一层单分子层的吸附质。2.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1.主要是依靠普遍存在于分子间的范德瓦尔力起作用。2.一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。3.可以形成多分子层吸附4.一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1.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

3、与形成等过程。2.一般为单分子层吸附。3.具有选择性，且差异较大。4.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。n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。n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：1.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。2.物理吸附：活性炭甲醇，活性炭氨，分子筛-水，硅胶水，3.化学吸附：金属氯化物（氯化钙，氯

4、化锰，氯化镍）-氨4.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：1.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）2.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）3.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

5、低温，甚至通过升华作用，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

6、吸附床的显热和吸附热排放出去。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n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。n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

7、式换热器），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。n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。n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。n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。n非常适用于吸附式压缩机n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。n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。n可方便构筑回热型吸附式制冷机，提高制冷

8、系数。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。nLaNi5-H2吸附式制冷系统，氢气为工质n荷兰，菲利浦公司n吸附器中把中心管和外管组成的环形分成内外两个部分。n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。nJPL设计的氢吸附器结构n为了强化换热，在吸氢材料中加填了很多高纯铜箔圆片n两端的堵头，减小吸附器的死体积二.吸附式制冷系统n划分：工作温度范围 工质n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

9、制冷效果。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：1.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。2.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。3.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。4.对制冷气体尽可能降低温

10、度，甚至在其达到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：1.110150K，活性炭-甲烷物理吸附2.5590K，甲烷+镨铈氧化物（Pr1-nCenOx，PCO）化学吸附3.1430K，CH4+PCO+LH2金属吸氢材料吸氢化学吸附4.710K，CH4+PCO+LH2金属吸氢材料吸氢+SH2金属吸氢材料吸氢化学吸附5.45K，CH4+PCO+LH2金属吸氢材料吸氢+氦机械压缩式系统6.1K，带液氦预冷的活性炭-氦3（C/He3）物理吸附nJPL，LaNi5-H2吸附式制冷机节流系统n节流阀的开度由上下流的压差和弹簧的预紧力所决定n优点：比小孔节流阀的抗堵性能好n美国，A

11、ESC公司，氢吸附式制冷机节流阀n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n一.活性炭-甲烷物理吸附制冷机（110150K）n二.镨铈化合物（Pr1-nCenOx，PCO）化学吸附制冷机n三.金属吸氢材料吸氢的化学吸附式制冷机（14K30K）n四.SH2金属吸氢材料吸氢化学吸附式制冷机（7K10K）n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）n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）n175K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

12、在作用一电压的情况下，不同材料的两端会产生温差。n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。n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。nJPL，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。n活性炭-甲烷作为第一级吸附式制冷n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）n经冷却器进一步冷却，再进入节流阀，产生70K的液态氧n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

13、进一步降低二.镨铈化合物（Pr1-nCenOx，PCO）化学吸附制冷机nPCO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。nCKr作为预冷级，在140K提供冷量，PCO则在80K制冷。n实验结果，表6-3。n1972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。n1985年，美国，JPLn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

14、吸附式制冷机（7K10K）n低压下吸氢材料（钯）吸氢，可将氢气的饱和压力降得很低。n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。n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。n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。n采用60K左右的冷源预冷n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）n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）n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

15、械压缩式系统的复合制冷 机（45K）n液氢固化升华制冷得不到7K以下的低温n获得7K以下的低温，C-He吸附式制冷机能耗太大n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n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n第一级预冷，采用G-M制冷机，获得70K的低温；n上者作为金属吸氢吸附式制冷机的预冷级，获得20K的液氢；n高低压吸附床方式，获得14K的液氢；n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n采用液氦（3K）预冷，可使活性炭-氦3

16、物理吸附制冷在1K以下的低温有效工作。n3K以下温度的液氦可通过LHen的减压蒸发得到本章小结n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n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