【W(wǎng)ORD格式論文底稿】基于太陽(yáng)能吸附式制冷中的新型吸附床的研究

1、基于太陽(yáng)能吸附式制冷中的新型吸附床的研究蘭青，夏朝鳳，李明，唐潤(rùn)生 云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所，昆明650092 Email:Lan6547596126 摘要：該文對(duì)新型吸附床的結(jié)構(gòu)做了設(shè)計(jì)說(shuō)明，采用太陽(yáng)光直接照射吸附床加熱活性炭，用蜂窩狀的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)吸附床的傳熱。結(jié)果說(shuō)明，直接加熱活性炭可使吸附床內(nèi)部在接受MJ 的能量后最高溫度可到達(dá) 117，使用蜂窩狀傳熱結(jié)構(gòu)吸附床內(nèi)的最大溫差小于5，實(shí)測(cè)系統(tǒng) COP系統(tǒng)制冷性能系數(shù)為 7。通過(guò)對(duì)吸附床建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)吸附 床內(nèi)的溫度隨太陽(yáng)輻射能變化建立了計(jì)算機(jī)模擬。 關(guān)鍵詞：吸附床；太陽(yáng)能；熱力循環(huán)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)中圖分類(lèi)號(hào)：TK511.30引言早在上個(gè)世紀(jì) 30

2、 年代人們就對(duì)固體吸附式制冷進(jìn)行了研究，不過(guò)當(dāng)時(shí)無(wú)法在效率、功 率上與壓縮式制冷機(jī)相競(jìng)爭(zhēng)，因而一直沒(méi)有受到足夠的重視。到了 90 年代，隨著人們對(duì)保 護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲越來(lái)越高，吸附式制冷的研究才得到了較快的開(kāi)展。吸附式制冷的循環(huán)類(lèi)型有根本型、連續(xù)型、連續(xù)回?zé)嵝图皩?duì)流熱波型，目前真正做成功 的樣機(jī)只有根本型、連續(xù)型、連續(xù)回?zé)嵝腿N1。對(duì)對(duì)流熱波型的研究主要進(jìn)行了理論模擬， 研究說(shuō)明提高其系統(tǒng)性能和大幅度降低能量密度是一個(gè)難以協(xié)調(diào)的矛盾，因而真正實(shí)現(xiàn)起來(lái) 困難重重。就上面三種類(lèi)型的樣機(jī)而言，在實(shí)驗(yàn)及理論模擬方面都做了很多工作24，前期 工作已經(jīng)做得比擬完善。隨著固體吸附式制冷的進(jìn)一步開(kāi)展，人

3、們?cè)絹?lái)越希望吸附式制冷能 市場(chǎng)化，現(xiàn)有的樣機(jī)中實(shí)驗(yàn)及控制儀器儀表較多，使用復(fù)雜，且儀器儀表對(duì)系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì) 有所影響，同時(shí)增加了本錢(qián)，因此設(shè)計(jì)一臺(tái)實(shí)用化的樣機(jī)很有必要。在吸附式制冷系統(tǒng)的實(shí) 用化設(shè)計(jì)中，吸附床的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵，要求吸附床在吸附式制冷系統(tǒng)循環(huán)的加熱解吸過(guò)程 中能盡快地將外界供應(yīng)系統(tǒng)的能量傳遞給吸附床內(nèi)的吸附劑，使吸附劑能脫附出制冷劑。同 時(shí)，在冷卻吸附過(guò)程中應(yīng)使吸附床的顯熱及吸附熱盡快地釋放出來(lái)以便使吸附劑吸附制冷劑 而產(chǎn)生蒸發(fā)制冷效果。因而改進(jìn)吸附床的性能與吸附床的傳熱性能密切相關(guān)。在改進(jìn)吸附床 方面，許多學(xué)者做了大量的工作，如采用管狀結(jié)構(gòu)的吸附器5,6,7，將吸附劑填充至金屬

4、管中， 在金屬管中央布置一根同心圓管作為制冷劑的傳質(zhì)通道，然后將金屬管粘接到集熱器的外表 上；還有將吸附劑顆粒與導(dǎo)熱性能較好的金屬粉末或石墨混合8，在文獻(xiàn)9,10中也大量提到 對(duì)吸附床改進(jìn)的方法。然而要將太陽(yáng)能固體吸附式制冰機(jī)實(shí)用化還需進(jìn)一步改進(jìn)吸附床的系 統(tǒng)性能。1吸附床的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)吸附床時(shí)，我們著重于改善吸附床的傳熱和接受太陽(yáng)能的性能上，并充分考慮了 以往學(xué)者的成功及缺乏。如圖 1 所示,為了使吸附床具有較好的傳熱特性，在吸附床內(nèi)用 2304 片 7mm 的銅片將吸附床里面隔成蜂窩狀，每個(gè)蜂窩狀的尺寸為 19.5×19.5×38mm,每個(gè)蜂 窩狀的孔里都填充活性炭。以往

5、設(shè)計(jì)中，吸附床外表用金屬鋁板或鋼板與吸附床焊接,然后 在金屬外表刷上黑板漆以增強(qiáng)其吸熱能力，這樣做可以增加與其相連的傳熱肋片的導(dǎo)熱性， 也可以保證系統(tǒng)的真空度，但傳熱熱阻較大，影響吸附床的溫度上升。為了使吸附床在吸收本課題得到高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金工程編號(hào)：20060681001的資助。相同太陽(yáng)能輻射的情況下，溫度能夠升得比擬高，采用如下的設(shè)計(jì)方法，用一塊厚 4mm 透過(guò)率為 96%的鋼化玻璃代替鋼板，鋼化玻璃與吸附床用硅銅密封膠進(jìn)行密封，以使太 陽(yáng)直接照射吸附床，省去了中間的傳熱環(huán)節(jié)，減少傳熱熱阻，以使吸附床能夠到達(dá)較 高的解吸溫度。由于吸附床中蜂窩肋片的引入，吸附床上下外表的熱阻大

6、大減少，吸附床上 下面溫差也將減少。為了防止鋼化玻璃因負(fù)壓而破碎，在吸附床里用七號(hào)槽鋼做支架，同時(shí) 也起到傳熱肋片的作用。在吸附床底部，為了使制冷劑暢通，用一塊厚 2mm 打有 4300 多個(gè) 直徑為 4mm 圓孔的鋼板做隔離，在鋼板與吸附床底部空出 20mm 的間隔作為制冷劑的流動(dòng) 通道，為了防止活性炭從鋼板的圓孔中漏到底部制冷劑的通道中，堵塞制冷劑的流動(dòng)，在活 性炭與 4mm 的鋼板之間用一張 200 目的不銹鋼絲網(wǎng)將它們隔開(kāi)，這樣既不會(huì)使活性炭下漏， 也不會(huì)因?yàn)榧恿艘粡埜綦x物而堵住了制冷劑的通道，同時(shí)吸附床的上下面各布置一個(gè)熱電阻 溫度計(jì)圖 1。圖 1 平板式太陽(yáng)能吸附床結(jié)構(gòu)圖Fig.1

7、 Sketch of the adsorbent bed經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀測(cè)確保吸附床不泄漏方可將吸附器組裝在外邊框架上并在吸附床的 底部與四周用聚氨脂材料發(fā)泡，以形成在吸附床吸熱面外其余各面均具有良好的保溫特性。 單個(gè)吸附床裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表 1：表 1 單個(gè)吸附床的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The parameters of a adsorbent bed材 料規(guī)格及數(shù)量吸附床的尺寸長(zhǎng)×寬×高1000mm×1000mm×50mm吸附床上外表的有效吸熱面積/m20.95吸附床殼體所選用材料碳鋼熱軋角鋼吸附床內(nèi)布置的傳熱肋片數(shù)量及尺寸2304 片厚 0.17

8、mm吸附床金屬殼體的質(zhì)量/ kg45吸附床內(nèi)所裝填的活性炭質(zhì)量/kg22所充甲醇的總量/ L7.52 數(shù)學(xué)模型的建立及求解2.1 數(shù)學(xué)模型的建立對(duì)于平板式制冰機(jī)裝置而言，吸附床接受太陽(yáng)輻射能量后制冷劑被解吸，所解吸的制冷 劑在夜間產(chǎn)生制冷效果，系統(tǒng)所產(chǎn)生的制冷量由所解吸的制冷劑決定。因而，系統(tǒng)的性能主 要由吸附床接受太陽(yáng)輻射能量后所產(chǎn)生的制冷劑解吸量而定。對(duì)系統(tǒng)性能的分析，主要是對(duì) 太陽(yáng)能制冰機(jī)吸附床內(nèi)吸附劑解吸制冷劑量的分析。圖 2 為典型的太陽(yáng)能制冰機(jī)吸附床結(jié) 構(gòu)，為對(duì)其求解，必須做出合理的簡(jiǎn)化。圖 2 平板式制冰機(jī)吸附床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of the adsorbent

9、 bed假設(shè)吸附床內(nèi)吸附劑的溫度及壓力分布均勻，那么吸附床瞬態(tài)平衡方程為10：A I(t) =(MC )+ M C dT + xM C dTe+ hd M adx +dtP mQHlossa padt(1)a pl dt式中，Ae 為集熱器面積m2；It為投射到集熱器外表上的總太陽(yáng)輻射能(W/m2)； 為玻璃板的透過(guò)率； 為吸附床集熱板的吸收率；M 為吸附集熱器金屬的質(zhì)量(kg)；CP為吸附器金屬的比熱(J/kg·K)；Cpa 為吸附劑的比熱(J/kg·K)；CPl 為制冷劑的比熱(J/kg·K)；QHloss為集熱器對(duì)外環(huán)境的散熱量(W)；X 為單位質(zhì)量吸附劑對(duì)

10、制冷劑的吸附質(zhì)量(kg/kg)。 對(duì)物理吸附而言，單位質(zhì)量吸附劑對(duì)制冷劑的吸附質(zhì)量 X (kg.kg-1)可以用建立在吸附理論根底上的 DR 方程來(lái)描述假定滿足平衡吸附過(guò)程11,12n T x = xo exp K T 1 (2)S 上式中，k、n 是吸附制冷工質(zhì)對(duì)的特征參數(shù)，Ts 為平衡壓力下被吸附物質(zhì)對(duì)應(yīng)的飽和 溫度，其中，k=，n=13，將 2 式對(duì) T 求導(dǎo)，得：bdx = kn ( T 1)n1 xdTTs Ts(3)h d 可由 clausius-clapeyron 方程求得11，此時(shí) Ts=Tc(冷凝溫度)：h=RATTd (4)c對(duì)活性炭甲醇而言，A=443213，R 為普適氣

11、體常數(shù)，R=kJkg-1K-1。QHloss= Qt+ Qb(5)Q t 、 Q b 可分別按下式計(jì)算：Qt = U t Ae (Tm Ta )(6)Qb = U b Ae (Tm Ta )(7)式中，Qt 為吸附集熱器面部熱損失W；Qb 為吸附集熱器底部熱損失W；Ut 為 頂部熱損系數(shù)W/m2·，其計(jì)算采了文獻(xiàn)14 精確的經(jīng)驗(yàn)公式；Ub 為底部熱損系數(shù)W/m2·；Tm 集熱板平均溫度()；Ta 為環(huán)境溫度()。2.2 方程的求解對(duì)太陽(yáng)能固體吸附式制冷而言，可把加熱看成二個(gè)階段：其一為從蒸發(fā)壓力 Pe(對(duì)應(yīng)溫 度為 Ta2)到冷凝壓力 Pc對(duì)應(yīng)溫度為 Tg1下的等吸附率加熱

12、過(guò)程，在這一過(guò)程中，因制冷 劑只有少量的解吸出來(lái)故此時(shí) dx=0；其二為對(duì)應(yīng)冷凝壓力 Pc 下的等壓加熱過(guò)程，此時(shí) P=Pc， 而方程 2 中的 Ts 為對(duì)應(yīng) Pc 的飽和溫度 Tc。Tg1 可用對(duì) Xcon 對(duì)線兩端列 D-R 方程求得11,12：T g 1 =T c T a 2T e(8)對(duì)于等吸附率加熱過(guò)程，dx=0。由式 1 可得：dT =Ae I (t ) Q Hlossdt對(duì)該方程離散為：( MC P ) m + M a C pa+ xM a C pl(9)T i T i1= Ae I (t) QHloss t T(MCP )m + MaCpa + x0 M aCpl expk(i

13、1 1)n (10)Te對(duì)于吸附率 x，可用 Ta2 或 Tg1 代入 D-R 方程求取，并補(bǔ)充初值條件后可得：x = xconc= x 0( T s) exp K ( T a 2T s 1 ) n (11)TTt = t 1s t = t 0= T a 2= T e(12) (13)其中 t1 為吸附終了溫度，to 為蒸發(fā)溫度。 由微分的公式可得：dx=dxdTdtdTdt于是(1)式可變形為：(14)dT =Ae I (t ) Q Hlossdt ( MCP ) m+ M a C pa+ xMa C pldx+ hd M adT(15)該式的離散可與(14)一樣進(jìn)行。dx式中， x 、 d

14、T、 h d分別與式2、3、4相對(duì)應(yīng)，補(bǔ)充初值條件為：Tt = t 2= T g 1( T g 1可由8式得出) (16)T s = T c(17)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，可以得到吸附床內(nèi)吸附量隨時(shí)間的變化曲線，如圖 3：3結(jié)果與分析圖 3 吸附床內(nèi)吸附量隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 The variation curve of desorbed refrigerant mass with time2004 年 4 月 5 日在吸附床得到約 MJ 能量后參加 18的水 7kg，第二天得到 kg 的冰，2.3kg 的冰水混合物，故其總能量為：4.7×80+7×18×4184

15、=2.13363MJ，因此其 COP=/13.57。在以上測(cè)試中由于布在吸附床內(nèi)上外表的溫度計(jì)損壞，因而無(wú)法測(cè)量出吸附床內(nèi)上下 面的溫度差，因此重新在吸附床內(nèi)布置溫度探頭，于 2004 年 5 月 23 日獲得一組數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖5 及圖 6。由圖 5、圖 6 可以看出，吸附床在低溫及溫度從最高開(kāi)始下降時(shí)其上下外表的溫 度差都非常小，最大溫差不超過(guò) ，與文獻(xiàn)13中相差 10以上已經(jīng)有很大的改進(jìn)了，說(shuō) 明采用新型蜂窩狀的傳熱結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)吸附床內(nèi)的傳熱，從而提高系統(tǒng)的性能；另一方面，圖4 中吸附床實(shí)際溫度為吸附床下外表溫度，由圖 4 可以看出實(shí)際測(cè)值與模擬值比擬吻合，這 是在對(duì)樣機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)假設(shè)吸

16、附床內(nèi)的溫度均勻，在吸附床內(nèi)的上下面溫度差不大 時(shí)，理論計(jì)算能比擬客觀地反映真實(shí)情況。從圖 6 中還可以看出，在 17 時(shí)以后，吸附床內(nèi) 下外表的溫度比上外表還高，這是因?yàn)?，此時(shí)太陽(yáng)輻射已經(jīng)比擬弱，吸附床上外表對(duì)外輻射 散熱較吸附床下外表要快，因而其溫度比下外表的低。圖 4 吸附床內(nèi)理論與實(shí)測(cè)值Fig.4 Simulated value and experimental value in the adsorbent bed圖 5 吸附床上下外表溫度圖Fig.5 Top and bottom temperature in the adsorbent bed圖 6 吸附床上下外表溫度差圖Fig.

17、6 Difference between top and bottom temperature in the adsorbent bed圖 7 理想及實(shí)際的熱力學(xué)循環(huán)圖Fig.7 Thermodynamic circular chart ideality and actual圖 7 是理想及實(shí)際的熱力學(xué)循環(huán)圖，由框形連成的曲線是實(shí)際測(cè)量的溫度與壓力之間 的關(guān)系圖，由圖可以看出在加熱過(guò)程即 1a 實(shí)際的熱力循環(huán)圖要靠右偏，這是因?yàn)橄到y(tǒng)中 有不凝氣體的存在，當(dāng)系統(tǒng)被太陽(yáng)加熱時(shí)，不凝氣體首先吸收熱量而脫附出活性炭，使得甲 醇在較高的溫度下才能脫附，當(dāng)溫度 T 對(duì)應(yīng)的 c 點(diǎn)時(shí)，甲醇開(kāi)始脫附，有多余氣

18、體存在時(shí)， 系統(tǒng)壓力會(huì)隨吸附床的溫度的升高而升高，使得甲醇不能在定壓下解吸。當(dāng)吸附床的溫度開(kāi) 始下降時(shí)，2b 理想的與實(shí)際的比擬相符，這是因?yàn)?，?dāng)吸附床溫度下降時(shí)，吸附床開(kāi)始 吸附，這些不凝氣體被活性炭所吸附，此時(shí)系統(tǒng)壓力與溫度的關(guān)系與理想狀況較為符合，只 是活性炭吸附了不凝氣體后，其有效比外表積減少，使得活性炭對(duì)甲醇的有效吸附微孔外表 積減少，其結(jié)果是使得參加制冷循環(huán)的有效甲醇量減少，致使系統(tǒng)制冷性能下降，系統(tǒng)中存 在不凝氣體的主要原因是，活化時(shí)溫度及時(shí)間不夠，這就是樣機(jī)在較高的溫度及熱傳遞情況 下，系統(tǒng)制冷性能仍然不高的原因。4結(jié)論本文基于吸附式制冷技術(shù)原理，研制開(kāi)發(fā)了新型吸附床太陽(yáng)能制冰

19、機(jī)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)及分析 說(shuō)明，吸附床在接受 1MJ 的太陽(yáng)輻射能時(shí)，內(nèi)部最高溫度可到達(dá) 117，最大溫差小于5。實(shí)測(cè)系統(tǒng) COP 為 0.157。通過(guò)對(duì)吸附床建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)吸附床內(nèi)的溫度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化做了檢驗(yàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果較吻合，說(shuō)明在模擬計(jì)算時(shí)將吸附床看作是均勻溫度場(chǎng)與實(shí)際是較相符的。由于研制時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)裝置仍然存在一些尚待完善的問(wèn)題，如制冷 效果尚未到達(dá)理想的效果，樣機(jī)的密封性能應(yīng)進(jìn)一步提高，增加銅片對(duì)系統(tǒng)的熱容影響等。 采用新型結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能制冰機(jī)其效率有比擬大的提高，對(duì)于太陽(yáng)能制冰機(jī)走向?qū)嵱没哂幸?義，并將推進(jìn)太陽(yáng)能吸附制冷裝置商品化的進(jìn)程，為缺少常規(guī)能源的地區(qū)提供制冷手段。參

20、考文獻(xiàn)1 王如竹，許煜雄，吳靜怡.連續(xù)回?zé)嵝臀绞街评錂C(jī)的改進(jìn)及運(yùn)行實(shí)驗(yàn)J.工程熱物理學(xué)報(bào)，1998，19(3):276278.2 M Pons, J J Guilleminot. Design of an experimental solar-powered solid-adsorption ice makerJ. Trans. Of the ASME(J. Solar Energy Engg. ),1986,108:3323373 N Douss. F E Meuiner, L M Sun. Predictive model and experimental results for a t

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