新型太陽(yáng)能吸附制冷系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究

杜春旭，侯曉煌，苑中顯，李曉紅，吳玉庭

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124）

新型太陽(yáng)能吸附制冷系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究

杜春旭，侯曉煌，苑中顯，李曉紅，吳玉庭

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124）

采用新型吸附床結(jié)構(gòu)建立一套太陽(yáng)能固體吸附式制冷系統(tǒng)，利用ZSM-5沸石分子篩-水作為工質(zhì)對(duì)進(jìn)行空調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域吸附脫附制冷性能研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得吸附床內(nèi)溫度可達(dá)130℃，與太陽(yáng)輻照度有密切的關(guān)聯(lián)，床內(nèi)沿軸線有溫差分布，周向溫度分布均勻。吸附過(guò)程沿制冷劑進(jìn)口方向有時(shí)滯后，吸附床溫度對(duì)吸附過(guò)程有影響，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)COP變化范圍為0.02～0.05之間。

太陽(yáng)能；ZSM-5沸石分子篩；吸附式制冷；制冷系數(shù)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，常規(guī)能源的消耗劇增和環(huán)境污染的加劇成為人們高度關(guān)注的問(wèn)題，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境問(wèn)題日益引起各國(guó)重視。固體吸附式制冷技術(shù)作為采用低品位能源驅(qū)動(dòng)的綠色環(huán)保制冷技術(shù)，成為能源利用與環(huán)境保護(hù)的高效中介［1］，同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪音、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、使用綠色制冷劑的優(yōu)點(diǎn)，也越來(lái)越受到關(guān)注。

吸附床是太陽(yáng)能固體吸附式制冷系統(tǒng)中的核心裝置，合理設(shè)計(jì)吸附床結(jié)構(gòu)可有效改善固體吸附式制冷的性能。以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)熱源的吸附式制冷系統(tǒng)的吸附床主要有平板式結(jié)構(gòu)和管殼式結(jié)構(gòu)［2］。國(guó)內(nèi)外普遍采用的吸附集熱器是平板型結(jié)構(gòu)［3-5］，但其脫附溫度低，受天氣環(huán)境影響大。文獻(xiàn) ［6-8］則研究了圓管型吸附集熱器，其吸附制冷性能較優(yōu)于平板型。由于真空集熱管擁有更高的集熱效率，近年來(lái)有許多學(xué)者將其用于太陽(yáng)能吸附制冷中。文獻(xiàn) ［9，10］對(duì)玻璃真空集熱管做為吸附床進(jìn)行了研究，顯示出更好的集熱與脫附性能。

吸附床的設(shè)計(jì)主要考慮吸附劑解吸/吸附速度、吸附床的傳熱傳質(zhì)、體積容量 （吸附劑的填充量）、承壓能力、加工工藝、制造成本以及操作方便等因素。其中對(duì)吸附床的性能起關(guān)鍵作用的因素是吸附床的傳熱傳質(zhì)性能。針對(duì)太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)，還應(yīng)充分考慮太陽(yáng)輻照的利用問(wèn)題。通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)有吸附床的傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化和新型吸附床的設(shè)計(jì)研究，參考管狀結(jié)構(gòu)的吸附器，本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種新型太陽(yáng)能直接利用吸附床結(jié)構(gòu)，即將吸附劑填充至金屬-玻璃真空集熱管中，在管中央布置一同心銅管，作為系統(tǒng)對(duì)外散熱通道，同時(shí)在吸附床內(nèi)軸向布置金屬網(wǎng)管作為傳質(zhì)通道，以利于制冷劑軸向傳質(zhì)［11，12］。該床在具有管狀結(jié)構(gòu)吸附器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，能使吸附床內(nèi)吸附劑達(dá)到更高的溫度，可有效利用太陽(yáng)能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

太陽(yáng)能固體吸附式制冷系統(tǒng)主要由吸附床（集熱器）、蒸發(fā)器、冷凝器、儲(chǔ)液罐以及其他輔助設(shè)備等組成。吸附床為核心，有集熱性能，也是吸附脫附過(guò)程發(fā)生的場(chǎng)所，所以吸附床的集熱性能以及傳熱傳質(zhì)性能直接影響吸附式制冷系統(tǒng)的性能。本文利用金屬-玻璃真空集熱管構(gòu)建了新型的太陽(yáng)能固體吸附式制冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以太陽(yáng)能為直接驅(qū)動(dòng)熱源，由吸附床、冷凝器、蒸發(fā)器、水箱、真空泵、管道閥門、溫度壓力傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 固體吸附式制冷系統(tǒng)裝置示意圖

由圖1可知，該吸附床結(jié)構(gòu)主要由金屬-玻璃真空集熱管組成，同時(shí)為了增強(qiáng)其冷卻效果，內(nèi)插一根冷卻銅管作為自然冷卻通道。在冷卻銅管與集熱管之間形成的空腔內(nèi)填充吸附劑，此種填充方式可以直接利用太陽(yáng)能對(duì)吸附劑進(jìn)行加熱，可有效利用集熱管接收的太陽(yáng)輻射能。吸附床的具體結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖2所示。

圖2 吸附床結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

該集熱管吸附床具有高效集熱性，能將接收到的太陽(yáng)輻射能有效傳遞到緊貼于其金屬管內(nèi)表面的吸附劑層，減少了熱損失，提高了傳熱性能；內(nèi)插冷卻銅管可在需要冷卻的情況下通過(guò)自然冷卻或強(qiáng)制冷卻，形成有效的冷卻換熱通道。為了便于觀測(cè)吸附床內(nèi)吸附劑的溫度變化情況，在吸附劑層內(nèi)布置多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，溫度傳感器為A級(jí)鉑電阻溫度傳感器，精度±0.1℃，采用四線制高精度測(cè)溫方式，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。試驗(yàn)系統(tǒng)安裝2個(gè)絕壓壓力變送器，量程0～20kPa，精度0.25%Fs，用于測(cè)量吸附床內(nèi)以及蒸發(fā)/冷凝壓力，以便于系統(tǒng)分析與運(yùn)行。為了提高吸附床傳質(zhì)性能，在吸附劑層內(nèi)還放有金屬網(wǎng)管狀傳質(zhì)通道，金屬網(wǎng)管直徑8mm，網(wǎng)孔直徑2mm，有利于制冷劑蒸汽在吸附床內(nèi)的流動(dòng)傳質(zhì)。

圖3 吸附床內(nèi)部溫度測(cè)點(diǎn)的分布示意圖 （單位：mm）

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

該系統(tǒng)測(cè)試地點(diǎn)為北京市北京工業(yè)大學(xué)能源樓樓頂，測(cè)試時(shí)吸附床南北水平放置，系統(tǒng)采用ZSM-5分子篩-水工質(zhì)對(duì)，ZSM-5沸石分子篩填充量為3.152kg。實(shí)驗(yàn)前，首先對(duì)ZSM-5分子篩在350℃環(huán)境下高溫活化8小時(shí)，再填充。然后關(guān)閉閥門Vc、Ve，對(duì)吸附床及管道抽真空至1Pa，關(guān)閉Vt閥門。然后分別打開Vc、Ve，將蒸發(fā)器、冷凝器抽真空至對(duì)應(yīng)的飽和壓力，最后關(guān)閉Vp。

2.1 吸附脫附過(guò)程

首次吸附時(shí)，吸附劑溫度接近環(huán)境溫度，關(guān)閉Vc，打開Ve，吸附飽和后，關(guān)閉閥門Vt、Ve，使吸附床接收太陽(yáng)輻照，吸附床內(nèi)開始升溫，隨著太陽(yáng)輻照度的增強(qiáng)，吸附床內(nèi)升溫加快，同時(shí)床內(nèi)壓力升高，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)冷凝器溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，打開閥門Vt、Vc開始脫附。脫附過(guò)程中吸附床不斷接收太陽(yáng)輻射能。脫附結(jié)束后，關(guān)閉Vt、Vc。

2.2 循環(huán)過(guò)程太陽(yáng)輻照強(qiáng)度與系統(tǒng)內(nèi)溫度壓力的變化關(guān)系

本系統(tǒng)直接以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)熱源，太陽(yáng)輻照度是系統(tǒng)順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。為了能更好的分析吸附床內(nèi)部的吸附脫附性能，利用TBQ-2總輻射表來(lái)記錄吸附床表面接收的太陽(yáng)輻照度的變化，將同一時(shí)刻的吸附床內(nèi)部溫度 （以3號(hào)測(cè)點(diǎn)為代表）、環(huán)境溫度以及吸附床內(nèi)壓力和太陽(yáng)輻照度在圖4中表示出來(lái)。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與吸附床內(nèi)部的溫度有密切關(guān)聯(lián)，吸附床內(nèi)溫度隨太陽(yáng)輻射的增加而逐漸增加，并且存在一定的滯后，同時(shí)吸附床內(nèi)的壓力也在隨之增大。

以8.12日實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，簡(jiǎn)要分析吸附床在循環(huán)過(guò)程中其內(nèi)部溫度和壓力與太陽(yáng)輻照度之間的關(guān)系。圖4可分為五個(gè)階段：階段Ⅰ為吸附，從上午8∶43開始，吸附過(guò)程中，集熱管進(jìn)行遮陽(yáng)處理，伴隨吸附熱的釋放，床內(nèi)溫度逐漸升高，吸附完成后，關(guān)閉閥門Ve、Vt。進(jìn)入階段Ⅱ，吸附床接收太陽(yáng)輻照，開始大幅升溫，此階段太陽(yáng)總輻照達(dá)到700W·m-2以上，床內(nèi)溫度快速升高，壓力也隨之升高。階段Ⅲ，吸附床內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)冷凝溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力，打開閥門Vt、Vc，開始脫附。此階段太陽(yáng)輻射強(qiáng)度持續(xù)升高，保證了冷凝過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，在此階段床內(nèi)溫度達(dá)到最大值。理論上脫附階段應(yīng)為等壓過(guò)程，但是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)冷凝器沒(méi)有按照最大換熱量設(shè)計(jì)，所以系統(tǒng)壓力在脫附過(guò)程中存在逐漸上升現(xiàn)象，當(dāng)吸附劑達(dá)到最高溫，隨著輻照度的下降開始下降時(shí)，關(guān)閉Vt、Vc，進(jìn)入階段Ⅳ，系統(tǒng)降溫，利用遮陽(yáng)布遮擋集熱管和對(duì)冷卻銅管強(qiáng)制通風(fēng)，床內(nèi)壓力和溫度快速下降。階段Ⅴ，冷卻過(guò)程中，當(dāng)床內(nèi)壓力達(dá)到蒸發(fā)溫度所對(duì)應(yīng)的飽和壓力，打開閥門Vt、Ve開始第二次吸附，由于吸附熱的釋放，吸附床內(nèi)溫度會(huì)有所升高，隨著吸附接近飽和，床內(nèi)溫度趨于平緩。

圖4 吸附床內(nèi)壓力、溫度、環(huán)境溫度及太陽(yáng)總輻照度曲線

圖5為圖4中第一次吸附階段吸附床內(nèi)溫度曲線，結(jié)合圖3所示截面A、截面B上的溫度測(cè)點(diǎn)，從圖中可以看出吸附開始時(shí)，吸附過(guò)程沿著進(jìn)口方向逐漸向內(nèi)部傳遞，由于吸附過(guò)程為放熱過(guò)程，截面A測(cè)點(diǎn)的溫度先于截面B升高。通過(guò)圖5可以看出，吸附床內(nèi)的總體溫度分布徑向接近均勻。

圖5 吸附過(guò)程中吸附床內(nèi)溫度曲線

2.3 吸附脫附循環(huán)的Claperon圖

本系統(tǒng)采用單床間歇式循環(huán)，包括吸附和脫附兩個(gè)過(guò)程，其循環(huán)過(guò)程通常在Claperon關(guān)系圖中表示，如圖6所示：

圖6 吸附式制冷循環(huán)Claperon圖

圖6中：pe：蒸發(fā)溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力；Ta1：吸附開始時(shí)的吸附劑溫度；Tg1：升溫結(jié)束后的吸附劑溫度；pc：冷凝溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力；Ta2：吸附結(jié)束時(shí)的吸附劑溫度；Tg2：最大解吸溫度

隨著吸附過(guò)程的進(jìn)行，產(chǎn)生制冷效果。系統(tǒng)的制冷效果可以由蒸發(fā)器所處的保溫水箱的水溫變化來(lái)分析計(jì)算。實(shí)際循環(huán)過(guò)程為a→b→c′→d→a′→a。其中：a→b—吸附床的顯加熱過(guò)程，b→c′—床的加熱解吸過(guò)程 （同時(shí)制冷劑蒸氣在冷凝器中冷凝）。由于吸附床接受太陽(yáng)輻射能，及時(shí)補(bǔ)充解吸所需的能量，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加，吸附床接收的太陽(yáng)輻射能大于吸附床解吸所需的能量，使吸附床溫度不斷升高，大量制冷劑從吸附劑解吸出來(lái)，使吸附床內(nèi)壓力升高。c′→d—床的冷卻過(guò)程（吸附床進(jìn)行遮陽(yáng)，并用鼓風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻）。鼓風(fēng)機(jī)在額定功率下工作，出風(fēng)量為8.5m3·min-1，銅管管徑為22.4mm，則進(jìn)口風(fēng)速為1.29×106m· s-1。d→a′—床的吸附冷卻過(guò)程 （同時(shí)制冷劑液體在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷）；實(shí)際過(guò)程隨吸附的進(jìn)行，由于吸附熱的釋放，使床溫有所升高，隨后趨于平緩并逐漸降低。

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中太陽(yáng)輻射隨時(shí)間的變化

對(duì)于以太陽(yáng)能為主要驅(qū)動(dòng)力的固體吸附式制冷裝置，太陽(yáng)輻射能的攝入量是實(shí)驗(yàn)循環(huán)的主要影響因素。因此分析太陽(yáng)暴輻量在一天中的變化情況尤為重要。表1為實(shí)驗(yàn)期間的天氣情況。

表1 測(cè)試日期天氣情況Table 1 W eather w ithin the test date

圖7為實(shí)驗(yàn)期間太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化情況。

圖7 實(shí)驗(yàn)期間太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

結(jié)合表1，可以看出天氣與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有密切的關(guān)系，天氣晴朗時(shí)（8.14、8.26），太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化曲線比較平緩，而多云及陰天的狀況（8.11、8.24）雖然氣溫較高，但輻射強(qiáng)度的變化劇烈。太陽(yáng)光線照在吸附床上的等效面積Ad=D· L，D和L分別為吸附床的內(nèi)金屬管外直徑和長(zhǎng)度。

2.5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水箱內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化情況

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，蒸發(fā)器放置在經(jīng)過(guò)保溫的水箱內(nèi)，通過(guò)吸附過(guò)程水箱內(nèi)水溫的下降來(lái)計(jì)算吸附制冷量。圖8表示了吸附過(guò)程水箱內(nèi)水溫隨時(shí)間的變化情況，由圖可得吸附過(guò)程水箱內(nèi)水溫下降明顯，由此可推斷本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)吸附制冷效果明顯。

圖8 吸附過(guò)程水箱內(nèi)水溫隨時(shí)間的變化

2.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中吸附床內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化情況

圖9表示了兩次吸附過(guò)程中吸附床內(nèi)平均溫度的變化情況，從圖中可以看出，吸附熱的釋放使吸附床內(nèi)溫度呈上升趨勢(shì)，后緩慢降低。第一次吸附時(shí)，在吸附熱的作用下快速升溫，后趨于平緩；而對(duì)于第二次吸附，由于強(qiáng)制換熱以及外界環(huán)境溫度逐漸降低，使吸附床在吸附熱作用下短暫上升后保持不斷下降趨勢(shì)。

2.7 制冷量及COP

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制冷量由水箱內(nèi)初終態(tài)水溫差由下式計(jì)算：

式中：Qref—系統(tǒng)制冷量；△T—水箱內(nèi)水溫的溫差；M—制冷劑 （水）質(zhì)量；C—水的比熱4.18kJ·kg-1·K-1；q—制冷劑（水）的汽化潛熱，取值2400kJ·kg-1；m—水箱內(nèi)水的質(zhì)量。

吸附式制冷系統(tǒng)的COP：

圖9 吸附過(guò)程吸附床內(nèi)平均溫度隨時(shí)間的變化

吸附床兩端均采用隔熱保溫層保溫，忽略其對(duì)外的對(duì)流熱、輻射損失，因此吸附床接收到的全部太陽(yáng)輻射能均用來(lái)吸附制冷。計(jì)算結(jié)果表示在表2中。

表2 實(shí)驗(yàn)期間數(shù)據(jù)總結(jié)

3 結(jié)論

新型真空管式吸附床結(jié)構(gòu)具有較高的集熱效率，可以達(dá)到較高的集熱溫度，滿足太陽(yáng)能吸附空調(diào)的特點(diǎn)。綜合所測(cè)數(shù)據(jù)及曲線分析可以得出：吸附床內(nèi)溫度分布與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)，主要沿軸向分布；吸附床內(nèi)吸附過(guò)程沿吸附劑進(jìn)口逐漸向內(nèi)部傳遞?？身樌M(jìn)行吸附脫附循環(huán)過(guò)程，并根據(jù)所接收太陽(yáng)總輻照度計(jì)算其COP，范圍在0.02～0.05之間。

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Performance Experimental Study of a Novel Solar Adsorption Refrigeration System

DU Chunxu，HOU Xiaohuang，YUAN Zhongxian，LIXiaohong，WU Yuting

（Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，Ministry of Education and Key Laboratory of Heat Transfer and Energy Conversion，Beijingmunicipality，College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

A novel solar adsorption refrigeration system is established and experimented by using a bed of evacuated glass tube.Towards the application in air conditioning the system has adopted ZSM-5 zeolite and water as theworking pair of the adsorption.With the close relation to the solar radiation intensity，the temperature of the bed reached 130℃during the experiment.The distribution of the temperature in the bed was detected variable drastically along the tube axis，while the variation wasmuch less along the circumferential direction.From the refrigerant inletof the bed to the bottom the adsorption process put forwards step by step and there was a time delay.The bed temperature impacted the adsorption seriously.The COP of the adsorption system was revealed to be in between 0.02 to 0.05.

Solar；ZSM-5 zeolite；Adsorption refrigeration；COP

A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.001

ISSN1005-9180（2015）03-001-06

2015-6-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51276005）

杜春旭（1972-），男，博士、助理研究員，主要從事太陽(yáng)能發(fā)電方面的研究。Email：duchunxu@bjut.edu.cn