吸附式制冷系统运行参数动态特性

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：针对燃料电池汽车余热驱动的吸附式制冷循环过程吸、脱附特性, 采用动态的分析方法，对吸附式制冷系统的主要部件吸附床在不同阶段(等容加热、等压解吸、等容冷却、等压吸附)的工作过程建立动态方程，同时对制冷系统的蒸发器及冷凝器建立相应的动态模型。利用数值方法对数学模型进行求解，分析吸附速率、吸附床温度、冷凝温度、蒸发温度、制冷功率等参数随时间的动态变化规律。研究结果表明：吸附速率在吸附过程进行到5 min时达到峰值，吸附床温度达到350 K后其升温速率开始减慢，吸附床温度降到315 K后的降温速率开始减慢，冷凝温度在解吸阶段进行到8 min时存在1个峰值，蒸发温度的变化趋势与制冷功率的变化趋势相反。

关键词：吸附式制冷； 动态运行特性；燃料电池汽车

中图分类号：TB61         文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2008)03-0459-05

Dynamic operating characteristics for adsorption refrigeration

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: Aiming at adsorption refrigeration cycle driven by waste heat of fuel cell electrical vehicle, applied method of dynamic analysis, dynamical equations of state for adsorbent bed were built up for different phases (heating for specific volume to fix, desorbing for pressure to fix, cooling for specific volume to fix and adsorbing for pressure to fix), dynamic equations of state for evaporator and condenser were also built up. Mathematical models were solved by numerical method. The relationship between time and several parameters (adsorption rate, temperature of adsorbent bed, condensing temperature，evaporating temperature and cooling power) was discussed. The results show that adsorption rate at adsorption process reaches a peak value at 5 min, and heating rate starts reduce slowly when the temperature of adsorbent bed attains 350 K, and cooling rate starts to reduce slowly when the temperature of adsorbent bed attains 315 K. The condensing temperature in the desorption process reaches a peak value at 8 min, and the variation trend of the evaporating temperature and cooling power is reverse.

Key words: adsorption refrigeration; dynamic operating characteristics; fuel cell electrical vehicle

环境破坏及能源短缺问题使吸附式制冷具有广阔的发展前景^[1-3]。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。N. Douss等^[4]采用集总参数模型对吸附制冷系统进行了模拟和预测。A. Hajji等^[5]对带翅片的长方体吸附床内的传热传质过程进行模拟。陈江平等^[6-7]对活性炭-乙醇的吸附性能进行了实验研究。燃料电池汽车吸附式制冷系统实际运行过程中，吸附床不断被加热和冷却，引起吸附床温度的交替变化，加之非平衡吸附的影响，导致解吸量(吸附床被加热)及吸附量(吸附床被冷却)的波动^[8]，从而引起冷凝负荷和制冷量的变化。因此，对吸附式制冷系统的仿真过程中，采用稳态分析方法是不合适的，要正确获得吸附式制冷系统的运行特性，就必须采用动态的分析方法^[9-11]。

1  吸附床的动态模型

为简化系统的模型，假设吸附床内的吸附剂布置均匀，其温度及压力均匀一致，可采用集总参数法进行分析。

根据能量平衡，吸附床升温阶段的动态方程包括等容加热阶段和等压解吸阶段，吸附床降温阶段的动态方程包括等容冷却阶段和等压吸附阶段^[12]。

等容加热阶段：

等压解吸阶段：

等容冷却阶段：

等压吸附阶段：

在系统的动态分析中，如仅考虑平衡吸附，则在对系统进行计算时只考虑温度与吸附量及解吸量的同步变化关系。但实际制冷系统运行过程中存在传质阻力，必然会出现吸附量及解吸量与温度变化的非同步问题，从而导致模拟计算结果与实际情况出现偏   差。因此，在系统动态模拟中，考虑非平衡吸附问题更与实际情况相符。非平衡吸附的产生主要体现在吸附速率上，吸附速率方程可表达如下^[13]：

吸附床内加热(或冷却)流体的热平衡方程可以表示为以下2种形式：

联立式(9)和式(10)，得到吸附床换热流体进出口温度之间的关系为：

2  蒸发器和冷凝器的动态模型

输入蒸发器的热量包括空调回风带入的热量和冷凝器输送吸附质所带入的热量，输出蒸发器的热量包括吸附质蒸发吸热所带走的热量，蒸发器的输入输出量的变化导致蒸发器内存储的吸附质能量的变化。假设蒸发器内温度及压力均匀，根据能量平衡方程，有下式成立：

冷凝器冷凝时，没有流体滞留，外界空气所带走的热量全部被用于冷却吸附床解吸出来的吸附质。假设冷凝器内的温度及压力均匀，冷凝器出口吸附质全部被冷凝成饱和液体，根据能量平衡方程得：

3  系统运行参数的动态变化规律

选取丰田汽车公司生产的型号为TOYOTA FCHV的一款燃料电池电动汽车为研究对象^[14]，设计制冷量为2.5 kW，燃料电池产生的余热以80 ℃热水的形式释放，其余热量为90 kW；选用椰壳活性炭/甲醇工质对作为燃料电池汽车余热驱动的吸附式制冷系统的吸附工质对；吸附式制冷循环方式采用两床连续回质循环^[3]；吸附床采用单元吸附管组合结构型式，冷凝器和蒸发器均采用管带式换热器，节流装置采用内平衡式热力膨胀阀^[15]。

3.1  吸附速率的动态变化

循环周期为40 min(其中冷却吸附阶段20 min)时吸附速率动态变化情况如图1所示。可见：

a. 在经历了短暂的等容过程以后，吸附床进入了吸附阶段，而且吸附速率时时都在变化。

b. 吸附初始阶段，吸附速率迅速增长，5 min后便达到了峰值，随后，吸附速率逐渐减少，直到吸附过程结束为止。

图1  制冷系统吸附速率与时间的关系

Fig.1  Relationship between adsorption rate and time for adsorption refrigeration

3.2  吸附床温度的动态变化

在系统的实际运行中，吸附床不断地处于加热与冷却中，使得吸附床的温度不断变化。循环周期为40 min时吸附床温度动态变化情况如图2所示。可见：

a. 在吸附床最初的升温段，吸附床的升温速率很快，当吸附床的温度达到350 K时，吸附床的升温速率开始减慢。这主要是由于在解吸过程中，外界供给吸附床的热量主要用于吸附剂解吸所需的解吸热以及吸附床升温所需的显热。在加热初始阶段，没有发生解吸，换热流体与吸附床通过温差传递的热量全部用于使吸附床的温度提高，当吸附床温度达到解吸温度后，通过温差传递的热量首先用于提供解吸热，剩余的热量才用于提高吸附床的温度，因此，限制了吸附床显热的吸收，减慢了吸附床的升温速率。

b. 在吸附床最初的降温段，吸附床的降温速率很快，当吸附床的温度达到315 K时，吸附床的降温速率开始减慢。这主要是由于在吸附过程中，冷却水从吸附床带走的热量包括吸附剂吸附吸附质时产生的吸附热以及吸附床降温所需的显热。在冷却初始阶段，没有发生吸附，冷却水与吸附床通过温差传递的热量全部用于使吸附床的温度降低，当吸附床温度达到吸附温度后，通过温差传递的热量首先用于带走吸附热，因此，限制了吸附床显热的释放，减慢了吸附床的降温速率。

图2  制冷系统吸附床温度与时间的关系

Fig.2  Relationship between temperature of adsorption bed and time for adsorption refrigeration

3.3  冷凝温度的动态变化

制冷系统运行时冷凝温度的动态变化情况如图3所示。可见，初始时刻没有解吸量，冷凝温度与外界空气的温度接近，在解吸初始阶段，解吸量迅速增加，解吸出来的吸附质进入冷凝器释放热量导致冷凝温度升高，解吸过程进行到8 min后，解吸速率下降，进入冷凝器的吸附质数量下降，冷凝温度的上升速率下降，到达某一温度后，进入冷凝器的吸附质数量进一步下降，加之外界环境空气的冷却作用，使得冷凝温度缓慢下降，当吸附床处于切换工作状态时，没有解吸量，此时，在外界空气的作用下，冷凝器继续被冷却到接近环境温度。

图3  制冷系统冷凝温度与时间的关系

Fig.3  Relationship between condensing temperature and time for adsorption refrigeration

3.4  蒸发温度的动态变化

制冷系统运行时蒸发温度的动态变化情况如图4所示。可见，蒸发温度的动态变化分成3个阶段：

第一阶段是在2个吸附床切换工作状态的起始阶段，在这一阶段，吸附床从原来的解吸状态转变为吸附状态。当吸附床的温度没有降低到吸附初始温度时，吸附床没有与蒸发器连通，系统没有冷量输出。这时蒸发温度由于外界热负荷的输入而逐渐升高，见图中曲线ab段。

第二阶段是当吸附床的温度降低到吸附初始温度后，由于吸附制冷效应，从而引起蒸发温度的下降。吸附床起始的吸附量较大，因此，蒸发温度的下降速率较大，当蒸发器的制冷量大于外界所需的热负荷时，蒸发温度继续下降，直到制冷量与外界热负荷相等并逐渐开始小于外界热负荷时，蒸发温度停止下降并开始回升，见图中曲线bc段。

第三阶段的开始位于蒸发温度开始上升的阶段，直到吸附过程结束开始新一轮循环，这一段的长短主要取决于蒸发温度、制冷量与循环周期，在系统的实际运行中第三阶段应尽量短一些。

图4  制冷系统蒸发温度与时间的关系

Fig.4  Relationship between evaporating temperature and time for adsorption refrigeration

3.5  制冷功率的动态变化

制冷系统运行时制冷功率的动态变化情况如图5所示。可见，制冷功率的变化与蒸发温度的变化相类似，也分为3个阶段：第一阶段是在2个吸附床切换工作状态的起始阶段，在这个阶段中，吸附床没有进行吸附过程，系统没有冷量输出，见图中曲线ab   段；第二阶段是当吸附床与蒸发器连通开始吸附过程后，吸附床起始的吸附量迅速增大，因此，系统的制冷功率也逐渐增大，见图中曲线bc段；第三阶段的开始位于制冷量开始下降的阶段，直到吸附过程结束便开始新一轮的循环，见图中曲线cd段。

图5  制冷系统制冷功率与时间的关系

Fig.5  Relationship between cooling power and time for adsorption refrigeration

4  结  论

a. 吸附速率在吸附初始阶段迅速增长，经过5 min达到峰值后逐渐减小。

b. 在吸附床的升温段，温度达到350 K时，吸附床的升温速率开始减慢；在吸附床的降温段，当温度达到315 K时候，吸附床的降温速率开始减慢。

c. 冷凝温度在解吸阶段进行到8 min时存在1个峰值。

d. 蒸发温度的变化包括三个阶段：第一阶段是在2个吸附床切换工作状态的起始阶段，蒸发温度逐渐升高；第二阶段是当吸附床的温度降低到吸附初始温度后，蒸发温度的下降速率较大；第三阶段的开始位于蒸发温度开始上升的阶段，直到吸附过程结束开始新一轮的循环。

e. 制冷功率的变化同样包括3个阶段，但趋势与蒸发温度变化的趋势相反。

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YANG Pei-zhi. The design of adsorption refrigeration system driving by fuel cell electrical vehicle waste heat[J]. Refrigeration, 2007, 26(2): 5-9.

收稿日期：2007-10-25；修回日期：2008-01-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50676110)；湖南省自然科学基金资助项目(04JJ3086)

通信作者：杨培志(1977-)，男，湖南浏阳人，讲师，从事固体吸附式制冷研究；电话：13908470812；E-mail: yang_peizhi@csu.edu.cn