蓄冷适用的新材料

吸收式蓄冷
图8（a）所示为吸收式蓄冷的简单原理图。作为例子，利用液体工质对 LiBr/H₂O，并使设置在稀溶液下游的阀门处于开启位置，于是，稀溶液（含低浓度吸收剂）泵送至高压区，在彼处载冷时混合液在发生器内加热。
热量（发生器的加热量）的作用是使制冷剂（H₂O）与吸收剂（LiBr溶液）分离。于是，所产生的制冷剂蒸汽流入冷凝器而凝结成水，从而用作外部冷冻水。冷冻水从冷凝器出来后，流入蓄冷接收器，同时浓溶液从接收器出来之后，流入另一个接收器。
蓄冷接收器内的冷冻水（冷却液）可用于产生空调需要的冷却效应。在卸冷期间，出于稀溶液下游的阀门关闭，同时从蓄冷接收器流出的冷冻水流过开启的阀门，边膨胀边流入蒸发器。蒸发器内的水蒸气被浓溶液吸收，于是形成了低压制冷效应。当浓溶液吸收了蒸汽时，会释放吸收热，这种热量可用于加热用途。于是，来自吸收器的稀溶液一点点地蓄积在中间接受器内。
吸附式蓄冷
图8（b）所示为吸附式蓄冷的简单原理图。吸附现象是基于可逆的化学反应或物理作用过程在固体（吸附剂）和气体（制冷剂）之间发生相互作用的结果。
在载冷期间，与冷凝器连接的解吸器（在卸冷期间也用作吸附器）由热源加热（位于解吸器下游的阀门开启）。于是，制冷剂蒸汽从解吸器流入冷凝器，而被外部冷却液冷却为液体。由此通过膨胀阀，蓄积在低压蒸发器内， 就这样发挥了制冷作用。在卸冷期间，吸附器下游阀门关闭。
吸附器为外部冷却液冷却，因而其压力随之降低。当压力降至低于蒸发器内现有压力时， 蒸发器下游阀门便会开启，于是，蒸发器内的制冷剂转化成了蒸汽，并因压差送向吸附器。通过采用这种方式，蒸发器内获得了对空调有用的制冷效应。
工质对的选择
在蓄冷装置的载冷或卸冷过程中，因频繁利用液体工质对于吸收（吸附），故产生了一些重要的热量流和质量流。对于将蓄冷装置用于空调来说，这些工质对的热工性能起着重要的作用。这种情况中热工性能主要是指蓄冷能力或依靠制冷蒸发器所获得的蓄冷量与吸收（附）剂质量或体积之比。
图9所示为空调适用的工质对热工性能。图10所示为这些工质对的蓄冷能力和最低加热温度。由最后这两个图表可知，吸收（附）式蓄冷系统最适合、最高效的工质对是作为制冷剂的水和作为吸收（附）剂的固体/气体。为了满足对工质对的最严要求，制冷剂应该当具备环境安全性、比潜热大、无毒、不燃、不腐蚀、热稳定性高、成本低以及在吸收系统中溶液挥发可能性最大这些特点。
说到吸附质，尤其是吸附剂，应当符合吸附能力大、吸附能力随温度变动而有较大的变化，解吸等温线较平坦及良好的制冷剂相容性这些要求。总的来说，迄今仍然没有发现哪一种工质对很理想地符合所有这些要求。
吸收式系统适用的工质对
在吸收式系统适用的吸收剂/制冷剂之中，最常用的工质就是 LiBr/H₂O 和 H₂O/NH₃。第一种工质对常常适用于空调系统，而第二种工质对可适用于零度以下的用途，如制冰等。工质对 H₂O/NH₃ 有几个特点:
– 发生器进口温度高（约90~180°C，而 LiBr/H₂O 只有70~90°C）；
– 压力高，故泵功率大；
– 为分离发生器出口的氨蒸汽而设置了精馏器，故系统比较复杂；
– 因有氨蒸汽存在，故有爆炸的危险。
因此，LiBr/H₂O 工质对最适用于空调设备。表5所示为指定运行条件下（吸收温度25°C，蒸发温度10°C，冷凝温度30°C）四种工质对 LiBr/H₂O、NaOH/H₂O、LiCl/H₂O 和 CaCl₂/H₂O 的运行性能对比。可以指出，对于蓄冷能力来说，工质对 NaOH/H₂O 和 LiCl/H₂O 的性能最卓越。
表5 – 指定运行条件下四对吸收式运行性能比较

 
NaOH 的优点是价格低廉，而缺点是工作温度为84~135°C ，对于利用太阳能说来，不太理想。CaCl 的价格较低，但蓄冷能力差，相对要求蓄冷槽必须较大。因为价格低且蓄冷能力强，故工质对 NaOH/H₂O 是最经济的材料。然而，因其工作温度要求较高，故太阳能集热器的工作效率很低。另外，这种工质对的腐蚀性很强。
吸附式系统适用的工质对
最常用的工质对是硅胶/H₂O 和沸石/H₂O，可满足下述要求：
硅胶/ H₂O
硅胶的蓄冷密度是水的四倍，而其吸附热约为2500kJ/kg且解吸温度可以很低，但常常超过50°C。通常，该温度不应超过120°C，而一般低于90°C。为了将吸附能力适当维持在4~6%（水中重量比），应添加到在二氧化硅原子表面上形成一个单一的羟基。
如果解吸温度过高（超过120°C)，吸附性能会明显地下降到吸附性能全部丧失的程度。此外，这个工质对的吸附量较低，为0.2kg/kg。
沸石/H₂O
沸石就是微孔隙很多的硅酸铝，使用很可靠，即使在很酷烈的环境条件下。因为合成沸石很昂贵，已经完成了对于天然沸石与合成沸石13X 的对比研究。由结果来看，当加热温度低于100°C时，天然沸石有可能作为蓄冷工质，取代合成沸石13X。
在工质对采用沸石/H₂O 的场合，吸附热大约为3300~4200kJ/kg，即远高于硅胶/ H₂O。此外，解吸温度可能达到200°C而不损失稳定性。沸石一般应用于热源温度在200~300°C之间的空调系统。图11所示为沸石晶胞示例。X  型和 Y 型孔隙大于其它类型孔隙，若不吸附水的话，其孔隙率可能达到50%。一个晶胞单元吸附之后可能含235个水分子，大部分水分子集聚在孔隙中央。这种工质对的吸附过程是物理型的，归因于含混合孔隙或微孔隙的吸附剂分子与制冷剂分子之间的范德华力的作用。
换热与性能提高
吸收（附）式蓄冷与吸收式制冷技术密切相关。一开始研究吸收式蓄冷时，就结合了太阳能，而且，这种系统理念基于吸收式设备技术而逐步完善。表6总结了利用工质对 LiBr/H₂O 的各种吸收式蓄冷技术。
表6 – 应用于空调设备的蓄冷技术

 
关于吸附式蓄冷，现已将工质对沸石/H₂O用于机车车厢空调系统。已经达到了足够的功率4.1kW，不过，仍需指出，因热导率低和吸附床孔隙率不足，减小了换热量和吸附质量。为了提高系统性能，拟对吸附式蓄冷设备采用两个性能评价参数：COP 和 SCP。前者是蒸发器的制冷量与热源供给热量之比，后者是半循环制冷功率与吸附床质量之比。为改善 COP 计，除了采用高效换热器之外，还采用了创新的循环。为改善 SCP 计，有必要采用适于优化换热和增大吸附床质量的更新的技术。表7中列出了非常适用于空调设备的三种水基工质对。
关于吸附式蓄冷的有关技术，阻碍它们商业化应用的主要因素是价格高、尺寸大以及需要辅助能源系统。
表7 – 三种吸附工质对的性能