2015制冷學會學術(shù)年會集car

1、加熱及冷卻方式對能吸附制冷床溫變化的影響苑中顯瑋(中國制冷學會，100124)摘要 根據(jù)吸附式制冷原理，設計建立了拋物槽式能吸附制冷系統(tǒng)，并對實驗性能進行優(yōu)化分析。結(jié)果表明，有拋物槽吸附床內(nèi)平均溫度升高幅度明顯高于無拋物槽情況。脫附完成后水冷的冷卻效果明顯。在相同的吸附時間下，水冷吸附的吸附量大于自然吸附的吸附量，同時，水冷吸附實驗可以適當縮短吸附時間，提高系統(tǒng) SCP。吸附制冷 床溫 拋物槽 水冷 吸附量Li Xiaohong Wang Wenchao Du Songwei Du Cxu Yuan Zhongxian(College of Environmental and Energy E

2、ngineering，Beijing University of Technology ，Beijing 100124)工業(yè)余熱等低品位能源驅(qū)動，是節(jié)能和開發(fā)新能源的有效工具3。吸附式制冷技術(shù)熱源溫度范圍較廣（50- 600）4、結(jié)構(gòu)簡單、初投資少、運行費用低、無0前言隨著能源和環(huán)境問題與社會經(jīng)濟發(fā)展的日益運動、噪音小、長且適用于振動或旋轉(zhuǎn)等場突出，新能源和可再生能源經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)在世界能源供應結(jié)構(gòu)中占據(jù)一席之地，受到各國的廣所。同時也可用于食物和醫(yī)用，特別是在沒有電力供應的偏遠地區(qū)，這是一種非常有利的制冷方式5。吸附式制冷系統(tǒng)雖然具有這些優(yōu)點，但某些吸附系統(tǒng)需要保持真空狀態(tài)，并且相對于傳

3、統(tǒng)制冷系統(tǒng)來說，其體積和重量較大， SCP 和COP 低6。本實泛重視，開發(fā)利用新能源和可再生能源成為世界能源可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。輻射能是迄今為止世界上最大和最豐富的清潔性能源。被地球表面的輻射能遠高于年度全球能源使用量。來自的可用能（821015W）高于 2006 年全球所需能驗采用能真空管集熱器與吸附床設計，該量的 5200 倍1。最近幾年，許多利用新型結(jié)構(gòu)吸附床承壓能力強，可以直接吸收能，能的技術(shù)不提高對能的有效利用，從而使能吸附制冷技斷發(fā)展，這些技術(shù)符合了 21 世紀環(huán)保、節(jié)能和可持術(shù)更具實用性。實驗測定該吸附床具有較高的集熱溫度，滿足吸附脫附性能要求。續(xù)發(fā)展的趨勢。此外，目前國

4、際和國策提出利用新能源或者可再生能源的環(huán)境友好型系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的制冷系統(tǒng)2。吸附式制冷因采用無氟利昂的制冷劑，是一種環(huán)境友好的制冷技術(shù)。它可以直接由能和基金項目：國家自然科學基金（No.51276005）作者簡介：，（1990- ），女，生；苑中顯，（1962-），男，教授1Abstract According to the principle of adsorption refrigeration, a parabolic trough solar adsorption refrigeration system is designed and built. And the performanc

5、e of the experiment isysized optimally. The results showt the average temperaturehe adsorption bed of a parabolic trough is significantly highernt without parabolic trough. The cooling effect of water is obvious after the desorption. The adsorption capacity of water cooling adsorption is greaternt o

6、f natural adsorption at the same adsorption time. At the same time, the adsorption experiment of water cooling can shorten the adsorption time and improve the SCP.Keywords Adsorption refrigeration Bed temperature Parabolic trough Water cooling Adsorption capacityEFFECT OF HEATING AND COOLING METHOD

7、ON THE BED TEMPERATURE IN THE SOLAR ADSORPTION REFRIGERATION器（吸附床壓力）；7 吸附床；8 拋物槽集熱器；9 步進電機；10 循環(huán)水路；11 循環(huán)水泵；12吸附式制冷技術(shù)的性能在很大程度上取決于所使用的工質(zhì)對，工質(zhì)對的熱力性質(zhì)對系統(tǒng)性能系數(shù)、溫升幅度、設備材料、投資等影響頗大。根據(jù)實際熱源溫度的高低選擇適用的工質(zhì)對才能有效地發(fā)揮系統(tǒng)的作用。一個好的吸附式制冷系統(tǒng)應該保證系統(tǒng)具有較強的吸附能力，制冷劑應保證每體積的潛熱大，無毒，不易燃，無腐蝕，具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性7。本實驗采用 ZSM-5 沸石分子篩-水工質(zhì)對，沸石-水工質(zhì)

8、對的解吸溫度范圍較寬（70250），吸附熱（33004200kJ/kg）、蒸發(fā)潛熱（24002600kJ/kg）均較大，沸石-水性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫下不起反應，且經(jīng)過多次吸附-解吸后吸附性能基本不變，沸石的吸附等溫線在超過一定壓力后基本水平，隨壓力變化不大，這樣，冷凝溫度升高對制冷量和系統(tǒng)COP 的影響不大，能使吸附制冷系統(tǒng)在較大的溫度范圍內(nèi)冷凝散熱而保持高性能，對環(huán)境的適應能力強8。圖 2 蒸發(fā)器/冷凝器為了提高吸附床的集熱效率，為吸附制冷系統(tǒng)提供充足的熱量，提出了基于南北水平式的自動跟蹤系統(tǒng)的設計方案，開發(fā)研制適用于日照充足地區(qū)的拋物槽式能集熱器的自動系統(tǒng)，通過拋1實驗裝置及步驟物槽的自動轉(zhuǎn)動

9、，將光照實時地匯集到集熱管上。吸附床由真空集熱管和冷卻銅管，吸附劑1.1 實驗裝置（ZSM-5 沸石分子篩）填充在真空管內(nèi)管和冷卻銅管組成的空腔內(nèi)，結(jié)構(gòu)如圖 3 和 4 所示。能吸附式制冷的原理為以某種具有多孔性的固體作為吸附劑，某種氣體作為制冷劑，形成吸附制冷工質(zhì)對，在固體吸附劑對氣體吸附物吸附的同時，流體吸附物不斷地蒸發(fā)成可供吸附的氣體，蒸發(fā)過程對外界吸熱實現(xiàn)制冷；吸附飽和后利用能加熱使其解吸9。根據(jù)吸附式制冷原理，設計并建立了拋物槽式能吸附式制冷系統(tǒng)，如圖 1 所示。該系統(tǒng)通過拋物面槽式聚光鏡面將光匯聚在焦線上，在焦線上安裝能真空管吸附床吸收聚焦后的輻射能。冷卻方式采用循環(huán)水冷卻，能夠快

10、速冷卻脫附后的吸附床，縮短循環(huán)時間，提高制冷效率。系統(tǒng)采用 ZSM-5 沸石分子篩作為吸附劑，水作為制冷劑。蒸發(fā)器/冷凝器采用管翅式結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示，該結(jié)構(gòu)換熱性能好，不會因壓差小而滯留水/汽。圖 3 吸附床縱向剖面圖圖 4 吸附床水平放置示意圖（：mm）吸附床內(nèi)布置有溫度測點和傳質(zhì)通道，溫度測點用于測量吸附床內(nèi)吸附劑的溫度變化，傳質(zhì)通道使制冷劑氣體更好地進入吸附床，床內(nèi)測溫點分布情況如圖 5 所示。圖 1能固體吸附式制冷系統(tǒng)裝置圖1 蒸發(fā)器；2 冷凝器； 3 恒溫；4 真空泵（對系統(tǒng)進行真空處理）；5 壓力傳感器（蒸發(fā)器/冷凝器壓力）；6 壓力傳感2120110拋物槽聚光I s 795W

11、 / m21009080無聚光裝置I s 940W / m2圖 5 吸附床溫度測點的分布示意圖（：mm）70601.2 實驗步驟5002004006008001000脫附過程：過程開始時，吸附床內(nèi)充滿了吸附有制冷劑的吸附劑，呈密閉狀態(tài)的吸附床在拋物槽聚光時間（s）條件下吸收輻射能溫度升高，制冷劑獲得能量從圖 6 有無拋物槽聚光情況下吸附床內(nèi)平均溫度隨時間的對比吸附劑表面脫附，同時床內(nèi)壓力升高，當壓力達到冷凝溫度對應的飽和壓力時，打開閥門，制冷劑蒸汽通過管路進入冷凝器冷凝。當吸附床內(nèi)壓力與冷凝器中壓力相等時，關閉閥門，脫附過程結(jié)束。2.2直射強度的變化對于以能為主要驅(qū)動力的固體吸附式制冷裝置，輻

12、射能量是實驗循環(huán)的主要影響因 輻射量在一天中的變化情況尤為重素。因此分析吸附過程：對吸附床用遮陽布進行遮陽處理，同時打開連接冷卻銅管的循環(huán)水路對吸附床進行強制水冷，吸附床內(nèi)溫度和壓力降低，當壓力下降至蒸發(fā)溫度對應的飽和壓力時，打開閥門，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑液體蒸發(fā)吸熱，達到制冷效果。蒸發(fā)出來的制冷劑蒸汽進入吸附床被吸附，當吸附床內(nèi)壓力與蒸發(fā)器內(nèi)壓力相等時，關閉閥門，吸附過程結(jié)束。要。直射輻射強度由天裕德科技提供的DRT-2-2 型直接輻射表測得，波段為 280-3000nm。圖 7 測得了 2015 年 7 月 3 日市朝陽區(qū)一天中（6：00-18：00）直射輻射強度隨時間變化曲線，天氣晴朗、無云

13、、微風，由圖，從早上6：00 開始，直射輻射強度隨時間持續(xù)升高，到中午時段（10：00-12：00）基本穩(wěn)定，最大維持在830W/m2,下午2實驗系統(tǒng)優(yōu)化分析直射輻射強度持續(xù)下降，到 18：00 下降到 320W/m2。圖 7 為本系統(tǒng)理論計算提供了實驗數(shù)據(jù)。2.1 拋物槽集熱器性能分析拋物槽集熱器的性能對吸附床能得到多少能量有直接影響。拋物槽集熱器的作用是把照射到集熱器（7.3）900鏡面的陽光反射到吸附，以提高陽光的能流密800度。輻射強度對吸附床內(nèi)溫度也有直接的影響。圖 6 對比了有無拋物槽聚光情況下吸附床內(nèi)平均溫度700隨時間變化曲線，由圖，在起始溫度一定的情況下，照射時間同為 100

14、0s，盡管無拋物槽情況下輻射強度較高（930-950W/m2），有拋物槽情況下太陽輻射強度較低（770-820 W/m2），但有拋物槽吸附床內(nèi)平均溫度升高幅度（ 63.83）明顯高于無600500400拋物槽吸附床內(nèi)平均溫度升高幅度（9.89），以彌補拋物300無拋物槽情況下輻射強度的偏高槽集熱器對吸附床帶來的溫度快速升高，由此可見拋物槽聚光效率高，能夠快速達到系統(tǒng)脫附所需的溫 度，有利于縮短吸附制冷循環(huán)時間。時間（hh:mm:ss）直射輻射強度隨時間變化曲線圖 7 一天中2.3 冷卻過程水冷性能分析脫附過程吸附床內(nèi)溫度越高越有利于脫附，但脫附完成后吸附床的冷卻問題是制約制冷效率的一大因3直射

15、輻射強度（W/m2）溫度（）6:20:016:50:017:20:017:50:018:20:018:50:019:20:019:50:0110:20:0110:50:0111:20:0111:50:0112:20:0112:50:0113:20:0113:50:0114:20:0114:50:0115:20:0115:50:0116:20:0116:50:0117:20:0117:50:01后 C-C 剖面的 8、9 號測點最后吸附升溫，說明吸附床內(nèi)吸附劑都能完成吸附過程，不存在不吸附現(xiàn)象。 B-B 剖面溫度整體高于A-A 剖面和C-C 剖面，這是因為 A-A 剖面和C-C 剖面位于吸附床的

16、兩端，存在散熱損失，吸附完成后兩剖面溫度趨于一致。圖 9、圖 10 同時對比了自然吸附和水冷吸附兩種情況下吸附床內(nèi)溫度隨時間變化情況。水冷對降低吸附過程吸附床內(nèi)溫度效果不明顯，但可以縮短吸附時間，使吸附劑盡快達到吸附飽和，自然吸附情況下 1200s 8、9 號測點溫度開始趨于平衡，全部吸附劑吸附飽和。水冷素，一個好的冷卻方式能快速冷卻吸附床的溫度盡快使系統(tǒng)進入吸附階段。本實驗系統(tǒng)采用水冷強制冷 卻，自吸泵選取:功率 125W,轉(zhuǎn)速 2850T.P.M，最大流量 30L/min，使用揚程 0-30m，使用吸程 0-12m，電壓 220V，電流 1.8A。脫附完成后首先對吸附床進行遮陽處理，打開自

17、吸泵對冷卻銅管充水強制冷卻，水的質(zhì)量流量為 0.558kg/s。圖 8 對比了水冷和風冷對吸附床冷卻速度的影響，根據(jù)圖 5 每個剖面選取一個溫度測點，A 剖面選取 1 號測點，B 剖面選取 4 號測點，C 剖面選取 8 號測點。由圖，在 30min 內(nèi)水冷引起吸附床內(nèi)溫度下降速率明顯高于強制風冷，表 1 給出了 30min 內(nèi)吸附床溫度具體的溫降值，由此可得水冷的冷卻效果明顯。吸附情況下吸附床內(nèi)溫度先因吸附熱的溫度升高，吸附基本飽和后因為水冷的原因吸附床內(nèi)溫度開始下降，最后各截面溫差減小，吸附床內(nèi)溫度分布均勻。800s 8、9 號測點溫度開始下降，全部吸附劑吸附飽和。由此水冷吸附實驗可以適當縮

18、短吸附時間，提高系統(tǒng)的SCP。130120（7.2）4號測點755號測點110強制風冷70656號測點1003號測點7號測點4號測點6090552號測點1號測點508號測點801號測點水冷4570408號測點359號測點60-2000200 400 600 800 1000 1200 1400時間（s）1600 1800 20003025-2000 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000時間（s）圖 9 吸附過程吸附床內(nèi)溫度隨時間變化曲線（自然吸附）（7.10）3號測點805號測點6號測點704號測點7號測點2號測點60圖 8 水冷和風冷對吸

19、附床冷卻速度的影響501號測點表 1 不同冷卻方式對應的溫降值（間：30min）：；時9號測點408號測點30-2000 200 400 600800 1000 1200 1400 1600 1800 2000時間（s）2.4 吸附過程有無水冷情況下吸附床內(nèi)溫度分布吸附過程伴隨著吸附熱的吸附床內(nèi)溫度有所升高，由圖 9、圖 10，吸附過程由進口開始，依次向 傳遞，結(jié)合圖 5 吸附床內(nèi)溫度測點的分布情況，位于吸附床進口位置 A-A 剖面的 1、2 測點溫度首先升高，溫度達到最大值基本吸附飽和后緊接著位于B-B 剖面的 3-7 號測點溫度升高，基本吸附飽和4溫度（）溫度（）溫度（）溫度測點冷卻方式1

20、 號測點4 號測點8 號測點強制風冷15.414.615.7水冷87.7113.181.4 g =0.935 ； r 為金屬管選擇性涂層的吸收率，（7.15）75r =0.95； t 為時間間隔， t =10s。3號測點705號測點6號測點65根據(jù)中水溫的下降來計算吸附制冷量涉及與7號測點4號測點60環(huán)境交換的熱損失問題，受環(huán)境影響較大。因而55通常以吸附過程吸附的制冷劑質(zhì)量來計算吸附制冷量，忽略顯熱變化，吸附制冷量計算公式如下：501號測點8號測點2號測點45Q m H40refe9號測點35式中， m 為吸附制冷劑的質(zhì)量，kg； He 為對應蒸發(fā)溫度下制冷劑的汽化潛熱，He 2400kJ

21、/ kg 。那么，30-2000 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000時間（s）圖 10 吸附過程吸附床內(nèi)溫度隨時間變化曲線（水冷吸附）2.5 制冷性能分析集熱器接收照射來的陽光，再將陽光反射到COP Q/ Irefr真空管的過程是一個很復雜的過程，既受到集熱器本身性質(zhì)的影響，還受到外部環(huán)境如鏡面灰塵等的影響/ ma ts SCP 1000Qref10，以下計算僅考慮主要影響，則真空集熱管吸收的輻射為式中， ma 為吸附劑的質(zhì)量， ma 3.152kg ； ts為吸附時間，s。 I A g r tIr1000由此計算實驗期間系統(tǒng)性能參數(shù)如表

22、 2 所示。由，在相同的吸附時間下，水冷吸附的吸附量表 2實驗條件下調(diào)節(jié)拋物槽的角度滿足上述條件以保證接收的輻射能全部為直射。式中， Ir 為真空集大于自然吸附的吸附量，水冷吸附有利于吸附過程的進行。對比 7.10 和 7.15 的實驗數(shù)據(jù)，雖然吸附時間越長，吸附量越大，但吸附量的增幅很小，并降低了系統(tǒng)的 SCP。因此，合理控制吸附時間有利于縮短循環(huán)時間提高系統(tǒng)SCP。熱管吸收的熱量，kJ； I 為升溫脫附階段一的直射輻射強度，W/m2； A 為拋物槽反次射器開口面積， A=2.4066 m2； 為聚光反射鏡的效率， =0.7 ； g 為吸附床玻璃管的透射率，表 2 實驗系統(tǒng)性能參數(shù)m (g)

23、Qref (kJ)I r (kJ)日期吸附時間(min)COPSCP(W/kg)6.990 （自然吸附）1503605592.420.064421.157.254 （自然吸附）123295.25409.930.054628.917.330 （自然吸附）118283.27513.390.037649.927.1054 （水冷吸附）1353246080.480.053331.737.1530 （水冷吸附）1303126143.370.050854.993結(jié)論高幅度（ I s 795W / m2 ）明顯高于無拋物槽吸附床內(nèi)平均溫度升高幅度（ I s 940W / m2 ）。實驗給出本文對設計建立的拋

24、物槽式能吸附式制冷系了 7 月 3 日一天中直射輻射強度隨時間變化情統(tǒng)性能進行了優(yōu)化分析，在起始溫度一定的情況下，照射時間同為 1000s，有拋物槽吸附床內(nèi)平均溫度升況，為理論計算提供了實驗數(shù)據(jù)。同時脫附完成后水5溫度（）冷引起吸附床內(nèi)溫度下降速率明顯高于強制風冷，水冷的冷卻效果明顯。相同吸附時間下，水冷吸附的吸附量大于自然吸附的吸附量，水冷吸附實驗可以適當縮短吸附時間，提高系統(tǒng)SCP。參考文獻1. H.Z. Hassan, A.A.mad, R.Bennacer. Simulation of anadsorption solar cooling system. Energy2011, 36:530-537.2. E.E Anyanwu. Environmental pollution: restructuring therefrigeration industry as a way out. Environment Protection Engineering2000, 26(4):17-28.3. 吸附式制冷吸附床內(nèi)傳熱傳質(zhì)數(shù)學石油化工學院學報, 2005,13(3):61-64.，吳立志，模型的數(shù)值求解.4. Wa