[发明专利]固体吸附制冷

说明书

本发明总地涉及固体吸附制冷，并且更具体地涉及用在固体吸附制冷系统中的吸附和热交换器设备以及用于制造这样的设备和包括这些设备的装置和系统的方法。

固体吸附制冷系统通过固体物质(吸附剂)对制冷剂蒸气(吸附质)的吸附和解吸被驱动。与由机械压缩机驱动的传统蒸气压缩冷却系统相比，不需要电能来驱动制冷循环。基本的循环涉及吸附阶段和解吸阶段。在吸附阶段中，制冷剂蒸气被吸附剂物质吸附，导致热释放。在解吸阶段，热被应用于吸附剂，导致制冷剂的解吸。在这些过程期间传递的热通过热交换器在吸附剂与系统的热传递流体之间传输。热传递流体因此被加热至高温以提供解吸所需要的工作热量并且被冷却至低温以接收在吸附期间排出的热量。吸附和解吸过程结合在蒸发器/冷凝器中的制冷剂的蒸发和冷凝而进行。在简单的系统中，解吸阶段中所蒸发的吸附质被从吸附器单元提供给冷凝器，在冷凝器处蒸气在由解吸过程所引起的高压下冷凝，散出热量。在冷凝器中的热量散出之后，流体制冷剂通过控制设备(例如膨胀阀或虹吸管)被传送到系统的蒸发器中。这里，降低后的系统压强使得冷凝的制冷剂蒸发。在蒸发期间，热量从环境中被抽取，导致制冷。在这个过程期间，制冷剂蒸气的再次吸附发生在吸附器单元中，降低系统压强并且促进蒸发，直到吸附剂被充满制冷剂蒸气为止。

制冷循环可以被用于通过利用在冷凝期间的热释放或者在蒸发期间的热抽取加热或冷却环境。连续的加热或冷却可以通过操作多个吸附器单元并且每个吸附器单元中的操作循环之间有适当的相移来实现。例如，两个单元可以反相地运行，或者具有90°相移的四个单元等等。在任何情况下，系统运行都是完全通过在解吸阶段中的热输入而被驱动的，没有另外的机械功的输入。因此，在过量的热量可方便得到(例如来自自然热源或者作为另一过程的副产品)的情况下，固体吸附冷却相对于传统蒸气压缩冷却而言非常优选的。例如，来自太阳的充足热量供应的可用性与对于冷却的需求经常一起出现，导致针对该技术的各种太阳能冷却应用。此外，固体吸附系统中所使用的制冷剂通常是水或甲醇。这两者都是环保的并且不会造成全球变暖，不同于蒸气压缩系统中通常所使用的氟碳制冷剂。

考虑到当前的废热重用和三联产系统(电、加热和/或冷却的同时产生)的趋势，热驱动制冷技术被预期会有非常大的发展，总体上减少电需求量并且有助于提升能量效率。然而，固体吸附制冷系统的冷却功率与相同大小的蒸气压缩系统相比是非常小的。这个问题的主要原因是缓慢的热传输，导致很慢的吸附和解吸循环。特别是，固体吸附系统的单位制冷功率受热传递流体与吸附剂材料之间的很差的热传递特性的限制。固体吸附系统中的限制性的总体热传递系数取决于从热传递流体到热交换器以及从热交换器到吸附剂材料的热流动。单位制冷功率取决于总体热传递系数以及吸附剂材料本身内的热流动。

在第一代吸附制冷系统中，吸附器单元使用粉末床。在这些单元中，铺在金属热交换器表面上的松散吸附剂粉末床形成了基本的吸附设备。在典型的这种粉末床中，吸附剂粉末可能具有在0.1W/(m.K)的范围内的热导率λ。因为高空隙度、颗粒之间的热界面以及曲折的热路径，这个值大大低于体材料的热导率(玻璃5W/m.K；碳100W/m.K)。热传递流体和吸附剂材料之间的总体热传递系数h的典型值可能在20W/(m².K)的范围内。提高这些系统的单位制冷功率的努力包括使用单片吸附剂代替颗粒吸附材料以及使用具有高热导率的吸附剂材料。合成(consolidated)的吸附剂材料已经由石墨、金属泡沫或者结合到诸如树脂之类的基质中的吸附剂颗粒构成。复合吸附剂材料也已经由吸附剂颗粒与具有更高的热导率的颗粒的混合物产生。利用这样的材料，热传递系数h可以被提高到大约200W/(m².K)，热导率λ在0.3W/(m.K)的范围内。然而，这些合成材料通常会受累于对吸附质蒸气的很差的渗透性。最近，在热交换器与吸附剂材料之间的热界面处的热传递已经通过以下方式被提高了，即，用被分散在合适的基质中的吸附剂材料涂覆热交换器散热片或导管或者将吸附剂(通常是一种沸石)直接合成在外部热交换器表面上。在这样的系统中，已经得到了在1000W/(m².K)的范围内的热传递系数h。在其它方法中，热交换器通道或管道的形状、布置或耦接已经被处理以改进热交换器本身的性能、成本、可靠性或紧凑性。然而，尽管有了全部的上述改进，固体吸附制冷系统中的总体热传递系数仍然不合要求地低，从而限制了针对给定速率的热输入以及给定面积的热交换器和吸附剂材料可得到的制冷速率。