相变材料储热增强的硅胶-水吸附制冷循环可逆性分析与热力学优化

为解决吸附制冷系统热力学效率低下的问题，研究人员开展了基于PCM(相变材料)储热的双床双级吸附制冷系统可逆性分析研究。通过构建热质回收模型结合熵产分析，发现系统总熵降至760.13 J/K，COP提升至0.626，卡诺效率达1.92，揭示了储热系统对吸附循环可逆性的双重影响机制。该研究为优化再生式吸附制冷系统的热力学性能提供了新思路。

　　

在应对全球能源危机的背景下，吸附制冷技术因其可利用低品位热源（如太阳能、工业废热）而备受关注。然而，传统吸附制冷系统存在热力学效率低、间歇运行导致的能量浪费等问题，特别是系统不可逆性造成的能量损失严重制约了其实际应用性能。如何通过热力学优化提升系统可逆性，成为该领域亟待解决的关键科学问题。

非洲可持续能源发展卓越中心（Africa Center of Excellence for Sustainable Power and Energy Development, University of Nigeria）的研究团队在《Next Energy》发表了创新性研究成果。他们构建了集成相变材料(PCM)储热的双床双级硅胶-水吸附制冷系统，通过实验与模拟相结合的方法，系统分析了热质回收模型对系统可逆性的影响机制。研究采用熵产分析、卡诺效率计算和吉布斯自由能评估等热力学方法，结合4 kg硅胶吸附床和10 kg石蜡储热系统的实验测试，揭示了储热系统与吸附循环的协同作用规律。

关键技术方法包括：1) 构建含PCM储热的双床吸附制冷实验系统；2) 基于第二定律的熵产分析模型；3) 热质回收过程的等压可逆性评估；4) 采用Clausius-Clapeyron方程预测压力-温度行为；5) 通过吉布斯自由能判定系统状态平衡。

热交换特性分析

实验数据显示，热源温度从60℃升至95℃时，吸附床热交换量增加7.7 kJ，而冷却相负热交换达-6.75 kJ。这种不对称性反映了吸附/解吸过程的热力学不可逆性，为后续熵产分析提供了基础数据。

熵产机制解析

研究发现系统总熵产为1102.52 J/K，其中吸附床贡献最大（996.52 J/K）。引人注目的是，热质回收使总熵降至760.13 J/K，降幅达31%。相变材料储热虽然增加了45.1 J/K的熵产，但通过平抑温度波动使系统COP提升至0.626，证明了储热系统"以局部熵增换全局效率"的优化机制。

热力学平衡状态

吉布斯自由能分析显示，当系统达到平衡时，焓变(3.74 kJ)显著低于热交换量(7.7 kJ)，蒸汽压力稳定在2.088 kPa。这种差异揭示了吸附床内部传热传质阻力导致的能量耗散，为优化吸附剂-制冷剂工质对的选择提供了理论依据。

实验验证

对比模拟与实验结果发现，卡诺效率的相对误差仅9.3%，验证了模型的可靠性。热质回收使比制冷功率(SCP)达到150 W/kg，较传统间歇循环提升25%。特别值得注意的是，相变材料储热虽然使系统熵增11.3 J/K，但通过维持热源温度稳定，将exergy效率提升至32%，展现了热管理对系统性能的双重影响。

这项研究的重要意义在于：首次系统揭示了热质回收与储热协同作用下吸附制冷系统的可逆性演变规律，建立了包含PCM储热的完整熵产分析模型。研究发现的热质回收"熵减效应"（ΔS=-342.39 J/K）为设计高效再生式吸附制冷系统提供了新思路。特别是提出的"吉布斯自由能-操作参数"关联模型，实现了对系统平衡状态的定量预测，为吸附制冷系统的热力学优化建立了新方法。这些成果对推动太阳能驱动的绿色制冷技术发展具有重要指导价值。