余熱冷管吸附特性研究

李玲超

（上海海事大學(xué)，上海201306）

余熱冷管吸附特性研究

李玲超

（上海海事大學(xué)，上海201306）

根據(jù)固體吸附式制冷原理，介紹了一種以余熱為熱源的余熱吸附制冷管。設(shè)計(jì)了一種新型的余熱冷管測(cè)試裝置，采用該裝置對(duì)余熱冷管的運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在吸附環(huán)境溫度為12℃，設(shè)定脫附溫度為180℃時(shí)，余熱冷管單只制冷量為31kJ，制冷管最低溫度達(dá)到3℃，換熱后空氣溫度可達(dá)到7℃。

余熱；吸附制冷；制冷管

前言

隨著能源利用和環(huán)境保護(hù)兩大主題的出現(xiàn)，尋找節(jié)能環(huán)保型制冷技術(shù)成為國(guó)際制冷界關(guān)注的熱點(diǎn)。吸附式制冷是一種利用可再生能源及低品位余熱驅(qū)動(dòng)的綠色制冷技術(shù)，采用環(huán)境友好型制冷劑作為工作介質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、無噪音、ODP和GWP均為0的環(huán)保優(yōu)點(diǎn)［1］。因此，吸附制冷技術(shù)得到了廣泛的重視，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者們都對(duì)固體吸附制冷進(jìn)行了一定的研究。我國(guó)學(xué)者對(duì)吸附式制冷的研究主要是從上世紀(jì)80年代開始，南京大學(xué)的嚴(yán)愛珍［2］，華南理工大學(xué)的譚盈科［3，4］及其研究團(tuán)隊(duì)對(duì)吸附制冷以及制冷工質(zhì)對(duì)進(jìn)行了研究，上海交通大學(xué)［5-8］王如竹及研究團(tuán)隊(duì)從90年代后也作了大量的吸附式制冷研究工作，引起了有關(guān)業(yè)界的關(guān)注。本文在前人［9］的研究基礎(chǔ)上，改進(jìn)了固體吸附式冷管，提出了一種吸附式冷管測(cè)試裝置，對(duì)所提出的吸附式冷管的性能進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，分析了冷管在脫附吸附過程中的各類參數(shù)的變化情況，實(shí)驗(yàn)測(cè)量其制冷性能。

1 余熱吸附冷管及裝置

1.1 余熱吸附冷管

余熱吸附冷管采用13X-水作為吸附工質(zhì)對(duì)，結(jié)構(gòu)如圖1.1。

余熱吸附制冷管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無多余閥件，可分為三部分，吸附脫附段，絕熱段，冷凝蒸發(fā)段。沸石水體系的制冷循環(huán)量大，活化溫度在100～200℃余熱溫度范圍內(nèi)［9，10］，因此選用13X沸石-水作為大循環(huán)量的空調(diào)吸附制冷工質(zhì)對(duì)。

圖1.1 余熱吸附制冷管結(jié)構(gòu)圖

吸附式制冷單元管制冷循環(huán)包括兩個(gè)過程：①加熱脫附過程，余熱尾氣外掠吸附式制冷單元管吸附段，加熱吸附段至脫附溫度，被吸附質(zhì)吸附的液態(tài)制冷劑變成蒸氣從吸附床中脫附出來，經(jīng)由吸附劑通道到達(dá)冷凝段，在冷凝段與外界空氣換熱冷卻成液態(tài)水，并儲(chǔ)存在冷管底部。②蒸發(fā)制冷過程，吸附床溫度降低，吸附劑吸附周圍制冷劑蒸氣，制冷劑蒸氣分壓下降，蒸發(fā)/冷凝段內(nèi)的液態(tài)制冷劑開始蒸發(fā)汽化，產(chǎn)生大量的汽化潛熱，從而使周圍空氣的溫度降低，達(dá)到制冷的目的。同時(shí)，吸附/脫附段內(nèi)的吸附劑不斷的吸附汽化出來水蒸氣，實(shí)現(xiàn)其連續(xù)的蒸發(fā)制冷，直到吸附劑吸附飽和為止。

1.2 余熱吸附冷管測(cè)試裝置

冷管測(cè)試裝置如圖1.2。

冷管測(cè)試裝置包括冷管制備單元，模擬測(cè)試單元，數(shù)據(jù)采集記錄模塊。吸附制冷需要在真空環(huán)境下運(yùn)行，因此在冷管制備過程中，首先需要對(duì)冷管內(nèi)部抽真空。對(duì)冷管抽真空以及填充制冷劑的過程有冷管制備單元完成。采用熱排空法利用陶瓷加熱圈和風(fēng)機(jī)對(duì)制冷劑進(jìn)行加熱，將吸附劑所吸附的水和空氣脫附出來，用真空泵對(duì)冷管進(jìn)行抽真空。抽真空過程中，真空閥b處關(guān)閉狀態(tài)。關(guān)閉真空泵，真空閥c，開啟真空閥b，連接水箱與冷管的通道，完成對(duì)冷管內(nèi)填充制冷劑的過程，關(guān)閉真空閥A。

模擬測(cè)試單元包括空氣冷卻箱、溫控箱、風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、保溫層等部件。在脫附過程中，溫控箱、陶瓷加熱圈以及風(fēng)機(jī)一構(gòu)成了余熱尾氣模擬裝置，完成對(duì)冷管吸附脫附段的加熱解吸，被吸附劑所吸附的制冷劑變成蒸汽進(jìn)入吸附質(zhì)通道。風(fēng)機(jī)二、空氣流量計(jì)完成對(duì)冷管蒸發(fā)冷凝段的冷卻過程，解吸的制冷劑蒸汽通過吸附質(zhì)通道進(jìn)入冷凝蒸發(fā)段，與空氣換熱冷卻后凝結(jié)成水，在靠近壁面的水蒸氣冷凝處，水蒸氣分壓力降低，促使水蒸氣不斷地運(yùn)動(dòng)到壁面處與外界空氣換熱。

采用熱電偶測(cè)溫法，設(shè)置9個(gè)熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，分布如圖2。分別測(cè)出下部殼體進(jìn)出口空氣溫度，冷管底部溫度，上部殼體進(jìn)出口空氣溫度，水箱底部溫度。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 抽真空填充制冷劑過程

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空過程中，首先對(duì)系統(tǒng)的漏氣率進(jìn)行測(cè)算，對(duì)冷管抽真空達(dá)到極限壓力為298.664Pa，封閉系統(tǒng)，在經(jīng)過二十個(gè)小時(shí)保壓過程，壓力為452.865Pa，漏氣率在試驗(yàn)控制范圍之內(nèi)。在初始未加熱條件下對(duì)系統(tǒng)預(yù)抽真空，由于系統(tǒng)容積較小，顯示系統(tǒng)壓力值迅速下降至200Pa左右，達(dá)到泵的極限真空壓。

連續(xù)抽真空2小時(shí)后，開啟陶瓷加熱圈，對(duì)余熱冷管進(jìn)行加熱，在加熱的情況下進(jìn)一步對(duì)余熱冷管抽真空。在溫度上升初期未達(dá)到脫附溫度時(shí)，管內(nèi)的壓力變化并不明顯。隨著時(shí)間的加長(zhǎng)，管內(nèi)溫度的升高，壓力開始升高，這時(shí)冷管內(nèi)的制冷劑開始脫附，使得管內(nèi)壓力不斷升高；加熱持續(xù)2小時(shí)左右，管內(nèi)的壓力上升到2000Pa左右，并保持穩(wěn)定不變。這是由于管內(nèi)的吸附劑已經(jīng)接近脫附完畢，脫附出來的水蒸氣不斷被真空泵抽取出來，最后管內(nèi)的壓力達(dá)到吸附床溫度 （即170℃）對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和壓力，約2000Pa左右。在加熱抽真空的過程中，管內(nèi)真空的理論值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值完全相符。

圖1.2 冷管測(cè)試裝置

待上一步余熱冷管內(nèi)部抽真空完畢，將真空泵連接儲(chǔ)水罐，除去儲(chǔ)水罐內(nèi)存留空氣，關(guān)閉真空閥3。連接余熱冷管與儲(chǔ)水罐通道，使吸附劑吸附儲(chǔ)水罐內(nèi)的水。在吸附的同時(shí)吸附床的溫度也慢慢冷卻至常溫。

2.2 吸附式制冷管性能測(cè)試過程

待上一步吸附式制冷單元管填充制冷劑完畢，關(guān)閉真空閥1，進(jìn)行余熱冷管制冷性能和各點(diǎn)溫度變化的測(cè)試。在測(cè)試的過程中，真空閥1始終關(guān)閉。

2.2.1 脫附過程

上送風(fēng)溫度值設(shè)定為180℃，循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱空氣不斷的加熱余熱冷管的吸附/脫附段，直至吸附床溫度達(dá)到脫附溫度，制冷劑從吸附床中脫附出來。在加熱吸附/脫附段的同時(shí)，利用鼓風(fēng)機(jī)向冷凝段內(nèi)送入冷空氣，使脫附出來的水蒸氣與冷空氣換熱在冷凝/蒸發(fā)段內(nèi)冷凝液化。在此過程中，利用熱電偶測(cè)量循環(huán)加熱風(fēng)道上送風(fēng)溫度的變化和下出風(fēng)溫度變化以及冷凝水箱進(jìn)、出口空氣溫度變化。具體的溫度變化曲線如圖2.1和圖2.2所示。

分析循環(huán)風(fēng)道內(nèi)上送風(fēng)溫度和下出風(fēng)溫度的變化曲線圖 （圖2.1）。在利用循環(huán)熱空氣加熱的前60min，循環(huán)風(fēng)道內(nèi)的空氣溫度不斷升高，趨勢(shì)漸緩。這是由于循環(huán)風(fēng)道內(nèi)的熱空氣和室內(nèi)環(huán)境有熱量的傳遞，隨著風(fēng)道內(nèi)空氣溫度的升高，在陶瓷加熱圈加熱功率不變的情況下，風(fēng)道內(nèi)熱損失也隨著溫度升高而升高，從而使管道內(nèi)空氣溫度上升的速率慢慢的變慢。

當(dāng)循環(huán)風(fēng)道的上送風(fēng)溫度達(dá)到180℃時(shí)，管道的下出風(fēng)溫度持續(xù)上升，說明此時(shí)吸附床內(nèi)的吸附劑仍然在進(jìn)行脫附吸熱。隨著脫附過程進(jìn)行，下出風(fēng)口溫度慢慢穩(wěn)定在最大值150℃左右，此時(shí)吸附床已經(jīng)脫附完畢。管道的上送風(fēng)溫度和管道下出風(fēng)溫度有一定的差值，這是因?yàn)榇藭r(shí)的管道熱損失和陶瓷加熱圈的加熱量已經(jīng)達(dá)到平衡，在平衡過程中，雖然采用了耐高溫的陶瓷纖維毯進(jìn)行了保溫處理，但是仍然存在著熱量損失，最終使得循環(huán)風(fēng)道的上送風(fēng)溫度和下出風(fēng)溫度的溫度差值在30℃左右。

圖2.1 循環(huán)風(fēng)道內(nèi)上送風(fēng)溫度和下出風(fēng)溫度變化曲線圖

圖2.2 脫附冷凝箱接觸空氣溫度變化曲線

圖2.2中，在加熱脫附過程的前30分鐘里，冷凝箱的進(jìn)、出口空氣的溫度基本是相同的，冷凝箱的進(jìn)口空氣溫度就是室內(nèi)環(huán)境空氣的溫度。隨著加熱脫附的進(jìn)行，冷凝箱的出口空氣溫度慢慢上升，最后穩(wěn)定在30℃左右不變。在此過程中，造成冷凝箱出風(fēng)溫度上升原因有兩個(gè)。第一，在余熱冷管加熱脫附的過程中，有一部分冷凝熱在余熱冷管的冷凝/蒸發(fā)段放出，放出的冷凝熱被冷凝空氣帶走，從而使冷凝箱出來的冷凝空氣的溫度升高；第二，在加熱余熱冷管吸附/脫附段時(shí)，有一部分熱量通過余熱冷管管壁的導(dǎo)熱傳入到蒸發(fā)/冷凝段中，從而使冷凝箱出風(fēng)口的空氣溫度上升。我們通過測(cè)量冷凝空氣的流量以及進(jìn)、出口溫度的變化，可以得出在加熱脫附過程中，冷凝熱的釋放量和通過管壁導(dǎo)熱量的總和，再利用傳熱學(xué)的知識(shí)計(jì)算沿著環(huán)形管壁的導(dǎo)熱量，兩者之差就是脫附過程中制冷劑的冷凝熱釋放量。

2.2.2 吸附過程

吸附制冷過程：當(dāng)余熱冷管脫附完畢，關(guān)閉陶瓷加熱圈和循環(huán)風(fēng)機(jī)；開啟風(fēng)閥1、風(fēng)閥2，迫使吸附式制冷單元管的吸附床快速冷卻下來。吸附制冷過程中，各點(diǎn)溫度的變化如圖2.3、圖2.4所示。

圖2.3 吸附過程中循環(huán)風(fēng)道的上送風(fēng)溫度和下出風(fēng)溫度變化曲線圖

圖2.4 吸附過程中各點(diǎn)溫度變化曲線圖

在冷卻吸附床的過程中，循環(huán)風(fēng)道上送風(fēng)溫度和下出風(fēng)溫度的變化，如圖2.3所示。由圖2.3吸附過程循環(huán)風(fēng)道的上送風(fēng)溫度和下出風(fēng)溫度變化曲線，可觀察上送風(fēng)溫度與下送風(fēng)溫度有一定的溫度差且出風(fēng)口溫度較遲達(dá)到穩(wěn)定，這是由于在吸附床冷卻的過程中，高溫的吸附床冷卻，有熱量不斷的被放出。同時(shí)，吸附床內(nèi)的吸附劑在吸附制冷劑的過程中，有一部分吸附熱被放出。

從圖2.4中，我們可以得出，在冷卻吸附床進(jìn)行吸附制冷的前20min，冷凝測(cè)試段的出風(fēng)溫度始終高于進(jìn)風(fēng)溫度。這是因?yàn)樵趧傞_始冷卻的過程中，余熱冷管的蒸發(fā)/冷凝段靠近吸附/脫附段的部分留有余溫，使進(jìn)入冷凝水箱空氣的溫度有所升高，隨著時(shí)間的加長(zhǎng)，這部分熱量慢慢的被吹入的冷空氣帶走。

在20～30min之間，冷凝空氣的進(jìn)、出口溫度以及蒸發(fā)器底端的溫度基本上相同，說明吸附制冷過程還沒開始。30min過后，冷凝空氣的出口溫度開始慢慢下降，蒸發(fā)段底端的溫度也開始慢慢下降，冷凝空氣出口溫度的變化趨勢(shì)和蒸發(fā)段底端溫度的變化趨勢(shì)大致相同。

在30～190min這段時(shí)間里，余熱冷管底端的溫度持續(xù)下降，最低能夠達(dá)到3℃左右。冷凝空氣出口溫度在這段時(shí)間里也基本上處于不斷下降的趨勢(shì)，冷凝空氣的最低溫度也在10℃以下；在190～280min這段時(shí)間里，冷凝空氣和蒸發(fā)段底端的溫度始終低于環(huán)境溫度，即在這段時(shí)間里吸附制冷一直在進(jìn)行。

由圖2.4我們可以看出，吸附制冷過程持續(xù)的時(shí)間約為240min，吸附時(shí)間和脫附時(shí)間相比，明顯吸附過程耗用的時(shí)間比脫附過程耗用的時(shí)間長(zhǎng)，這也正符合目前吸附式制冷循環(huán)的特點(diǎn)。在圖2.3中，循環(huán)風(fēng)道的上送風(fēng)溫度和下出風(fēng)溫度在210min左右時(shí)就開始變得相一致，而此時(shí)吸附制冷仍然在進(jìn)行。這是因?yàn)樵?10min后，吸附床的溫度已經(jīng)基本接近室溫，同時(shí)，此時(shí)吸附過程釋放出來的吸附熱相對(duì)比較小，且冷卻吸附床的送風(fēng)量很大，從而使210min后的風(fēng)管上送風(fēng)溫度和下出風(fēng)溫度相差不大。

在吸附制冷過程中，利用空氣流量計(jì)測(cè)量冷凝空氣的流量。通過計(jì)算得出，單只余熱冷管的實(shí)際制冷量為31kJ。該實(shí)驗(yàn)制冷量與理論制冷量存在一些差距。造成該差距的原因可能為：①在吸附制冷的過程中，溫度較高的吸附/脫附段的熱量，通過不銹鋼管壁的導(dǎo)熱傳到蒸發(fā)冷凝段中，使測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)；②在測(cè)試過程中，可拆卸的余熱冷管存在一定的漏氣，使管內(nèi)的真空度下降，從而使制冷量下降；③冷凝水箱的保溫效果不好，一部分熱量通過保溫壁散失掉；④冷凝水箱是直接焊接在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，水箱和支架的焊接處存在冷橋，一部分冷量通過冷橋散失掉。

3 結(jié)論

（1）余熱太陽能冷管采用吸附制冷，在整個(gè)制冷過程中，清潔無污染，利用余熱，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

（2）在吸附環(huán)境溫度為12℃，設(shè)定脫附溫度為180℃時(shí)，余熱冷管單只制冷量為31kJ，制冷管最低溫度達(dá)到3℃，換熱后空氣溫度可達(dá)到7℃。

（3）外界環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)過程影響還較大，在保溫上仍有待改進(jìn)。

［1］王如竹，王麗偉，吳靜怡.吸附式制冷理論與應(yīng)用［M］.第一版.北京：科學(xué)出版社，2007

［2］嚴(yán)愛珍，董家騄，鮑書林.沸石分子篩在吸附制冷應(yīng)用上的探討［J］.南京大學(xué)學(xué)報(bào)，1986，22（2）：371 -378

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Adsorption Characteristics of Cooling Tube w ith Exhausted Heat

LILingchao
（ShanghaiMaritime University，Shanghai201306）

The solid adsorption refrigeration principle，introduces a waste heat as a heat source to heat absorption refrigeration tube.Design and introduces a new type of heat pipe cooling test device，using the device during operation of the heat pipe cold experimental study.The results show that：in the adsorption of ambient temperature12℃，set the desorption temperature of180℃，heat the cold pipe cooling capacity alone 31kJ，cooling pipe lowest temperature reached 3℃，after the heat exchanger air temperature can reach 700 degrees Celsius.

Waste heat；Adsorption refrigeration；Cooling tube

O552.3+3［文獻(xiàn)標(biāo)示碼］A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.004

ISSN1005-9180（2015）03-020-05

2015-3-4

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（13ZZ121）；上海海事大學(xué)?；痦?xiàng)目（20120094）

李玲超（1990-），女，碩士研究生，研究方向：吸附制冷。Email：924829542@qq.com