分體式雙床連續(xù)型吸附制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

胡韓瑩 方徐君 賀 偉

(1廣州萬(wàn)寶集團(tuán)有限公司 廣州 510470；2香港科技大學(xué)霍英東研究院 廣州 511458)

分體式雙床連續(xù)型吸附制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

胡韓瑩1方徐君1賀 偉2

(1廣州萬(wàn)寶集團(tuán)有限公司 廣州 510470；2香港科技大學(xué)霍英東研究院 廣州 511458)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種吸附式制冷系統(tǒng)，采用分體式雙床結(jié)構(gòu)，以85～100 ℃的低品位熱水作為驅(qū)動(dòng)熱源，通過(guò)兩個(gè)吸附床對(duì)制冷劑-水的交替吸附和解吸，實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷。吸附床采用翅片管式換熱器，翅片表面涂覆了新型研制的13X分子篩-氯化鈣復(fù)合吸附劑，涂覆厚度僅0.15 mm，加速了吸附/解吸速率以及傳熱速率。蒸發(fā)器采用盤(pán)管和水盤(pán)結(jié)構(gòu)，且從上而下呈階梯狀間隔分布，保證蒸發(fā)時(shí)換熱管表面均進(jìn)行高效的沸騰換熱。冷凝器的設(shè)計(jì)上增加了不凝氣體排放裝置，可在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中隨時(shí)抽取不凝性氣體，維持了冷凝器的高換熱效率。還從強(qiáng)度、密封性以及裝配結(jié)構(gòu)緊湊性等方面對(duì)各個(gè)換熱器箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，所述吸附制冷系統(tǒng)循環(huán)中引入了回質(zhì)和回?zé)徇^(guò)程?；诖搜h(huán)模式，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試可知：以85 ℃的熱水作為解吸熱源時(shí)，系統(tǒng)制冷功率為7.7 kW，性能系數(shù)COP為0.467，SCP為380 W/kg，平均耗電量1.23 kW。

吸附制冷；13X分子篩-氯化鈣復(fù)合吸附劑；制冷功率；性能系數(shù)(COP)；單位吸附劑制冷功率(SCP)；耗電量

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，對(duì)能源需求日益增加，能源戰(zhàn)略已成為關(guān)系到我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)家安全的重要因素[1]。

余/廢熱資源被視為繼煤、石油、天然氣、水力之后的第五大常規(guī)能源[2],在大型酒店、餐飲、醫(yī)院、衛(wèi)浴、政府、學(xué)校、電子、石化能源等行業(yè)廣泛存在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各行業(yè)的余/廢熱約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收利用的余/廢熱資源約為總量的60%，其中建筑行業(yè)中的余/廢熱資源約占其燃料消耗總量的40%[3]。

吸附式制冷技術(shù)利用固體吸附劑(如沸石分子篩、硅膠、活性炭、氯化鈣等)對(duì)制冷劑(水、甲醇、氨等)的吸附(或化學(xué)吸收)和解吸作用實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。其中固體吸附劑解吸溫度一般為60～150 ℃，正好可以利用鍋爐余/廢熱、工業(yè)廢熱等低品位熱滿(mǎn)足解吸要求，制冷的同時(shí)可以有效回收廢熱資源。同時(shí)，吸附制冷技術(shù)以水和氨等天然物質(zhì)為制冷劑，不會(huì)造成臭氧層破壞和溫室效應(yīng)等環(huán)境危害[4]。此外，與液體吸收式系統(tǒng)相比，吸附制冷技術(shù)不需要溶液泵或精餾裝置，不存在制冷劑污染、鹽溶液結(jié)晶以及金屬腐蝕等問(wèn)題[5]。

但是，目前吸附式制冷技術(shù)亦存在以下幾個(gè)方面不足[6]：1)多次循環(huán)后，吸附劑的吸附性能出現(xiàn)衰減；2)吸附床傳熱、傳質(zhì)性能較差；3)以水、甲醇為制冷劑的吸附制冷系統(tǒng)為負(fù)壓工作，系統(tǒng)可靠性差；4)機(jī)組占用體積偏大。

本文介紹了一種分體式雙床連續(xù)型吸附制冷系統(tǒng)，以13X分子篩-氯化鈣復(fù)合吸附劑作為吸附劑工質(zhì)，蒸發(fā)器、冷凝器和兩個(gè)吸附床分別置于不同的箱體內(nèi)，通過(guò)電動(dòng)閥的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)不同箱體之間的制冷劑傳質(zhì)，達(dá)到連續(xù)制冷的目的。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹

圖1為吸附制冷系統(tǒng)的整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，設(shè)計(jì)制冷量為7.5 kW。系統(tǒng)有兩個(gè)吸附箱體，一個(gè)蒸發(fā)器箱體和一個(gè)冷凝器箱體。各箱體之間通過(guò)電動(dòng)閥連接。通過(guò)電動(dòng)閥的交替開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)不同壓力箱體之間的傳質(zhì)。由于吸附制冷是間歇性制冷，通過(guò)設(shè)置兩個(gè)吸附床交替吸附和解吸可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷。

圖1 吸附制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of adsorption refrigeration system

當(dāng)吸附箱A內(nèi)的吸附床管道內(nèi)通熱水進(jìn)行加熱解吸時(shí)，A箱體與冷凝器箱體連通，解吸出來(lái)的制冷劑蒸發(fā)后冷凝，此時(shí)吸附箱B的吸附床管道內(nèi)通冷卻水進(jìn)行冷卻吸附，與蒸發(fā)器連通，實(shí)現(xiàn)制冷。而當(dāng)吸附箱B的吸附床管道內(nèi)通熱水進(jìn)行加熱解吸時(shí)，B箱體與冷凝器箱體連通，解吸出來(lái)的制冷劑蒸發(fā)后冷凝，此時(shí)吸附箱A的吸附床管道內(nèi)通冷卻水進(jìn)行冷卻吸附，與蒸發(fā)器連通，實(shí)現(xiàn)吸附制冷。

2 各部件結(jié)構(gòu)介紹

2.1吸附床

吸附制冷系統(tǒng)中的吸附劑采用的是新型研制的分子篩13X-氯化鈣復(fù)合吸附劑(見(jiàn)圖2)，水為制冷劑。吸附劑中分子篩13X為基質(zhì)，氯化鈣為化學(xué)吸附劑，進(jìn)一步提高了吸附能力，降低了系統(tǒng)需要的解吸溫度[7]。同時(shí)，該吸附劑在負(fù)壓下具有比傳統(tǒng)吸附劑更好的吸附性能。此外，以分子篩 13X-氯化鈣復(fù)合吸附劑為基質(zhì)，添加了多壁納米碳管，該吸附劑在不損耗其吸附能力的前提下，進(jìn)一步提高了復(fù)合吸附劑的熱傳導(dǎo)率，增加了吸附、解吸速度[8]。

圖2 分子篩13X-氯化鈣復(fù)合吸附劑示意圖Fig.2 The diagram of composite adsorbent 13X-CaCl2

圖3所示為并聯(lián)了8塊吸附床單片后的吸附床結(jié)構(gòu)圖，供單個(gè)吸附床箱體使用。換熱器采用的是翅片管式換熱器，分子篩13X-氯化鈣均勻地涂覆在每片翅片上，厚度較薄，約0.15 mm。每片換熱器單片上涂覆的吸附劑總量約為2.5 kg。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該吸附床性質(zhì)穩(wěn)定，經(jīng)多次吸附-解吸后吸附性能仍比較穩(wěn)定，而且吸附劑直接涂覆在翅片上，吸附劑和翅片接觸較好，可有效減少接觸熱阻[9]，傳熱速率快，制冷劑在吸附劑上的吸附和解吸速率也快，解決了傳統(tǒng)吸附床傳熱和傳質(zhì)差的問(wèn)題。

2.2冷凝器

圖4所示為冷凝器的結(jié)構(gòu)圖。由圖4可知，換熱管通過(guò)多個(gè)支撐板支撐固定，支撐板焊接于箱體內(nèi)表面，冷凝器的進(jìn)、出水管口也是直接焊接于箱體上，形成冷凝器的冷卻水回路。支撐板陣列分布有多個(gè)透氣通孔，以保證箱體內(nèi)冷凝蒸氣流通，并與兩個(gè)蒸氣通道交替連通，實(shí)現(xiàn)快速傳質(zhì)。此外，支撐板底部設(shè)有通孔，保證冷凝水的流通，并能及時(shí)從回水管口流出。蒸氣通道、箱體內(nèi)腔、回水管口與吸附制冷系統(tǒng)其他箱體連接，構(gòu)成一段制冷劑回路。

圖3 吸附床結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure diagram of the adsorbent beds

1換熱管；2支撐板；3密封球閥；4密封腔室；5抽氣管口；6冷凝器箱體；7蒸氣通道；8回水管口圖4 冷凝器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure diagram of the condenser

研究發(fā)現(xiàn)，吸附制冷負(fù)壓系統(tǒng)中長(zhǎng)期運(yùn)行后產(chǎn)生的不凝氣體容易聚集在冷凝器的頂部，占據(jù)冷凝器的換熱空間，降低了冷凝器的換熱效率[10]。因此本文在冷凝器箱體頂部設(shè)有氣體排放裝置，用以收集并向外界排放不凝氣體。該氣體排放裝置中密封腔室與箱體內(nèi)腔相連通，在連通管道上設(shè)有第一道密封閥門(mén)，抽氣管口處設(shè)有第二道密封閥門(mén)。第一道密封球閥通常處于打開(kāi)狀態(tài)，保持冷凝器箱體內(nèi)腔與密封腔室相通。吸附系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的不凝氣體會(huì)自動(dòng)聚集于最高點(diǎn)，自動(dòng)收集在密封腔室中。當(dāng)抽取不凝氣體時(shí)，第一道密封球閥關(guān)閉，抽氣管口上的第二道密封球閥打開(kāi)，并與真空泵相連，可實(shí)現(xiàn)不凝氣體隨時(shí)抽空，而不影響冷凝器的正常工作，有效保證冷凝器的高換熱效率。

2.3蒸發(fā)器

蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖5所示,換熱管采用盤(pán)管結(jié)構(gòu)，材料采用φ9.52 mm外軋絲銅管，盤(pán)管分布四層，上兩層水盤(pán)空間較小，可分布的盤(pán)管長(zhǎng)度短，因此上兩層盤(pán)管串聯(lián)，第三層和第四層盤(pán)管并聯(lián)，形成三個(gè)管層，保證每個(gè)管程管長(zhǎng)相同，盤(pán)管兩端分別并聯(lián)連接至冷凍水進(jìn)口和出口，冷凍水進(jìn)、出管口直接焊接于箱體上。

1盤(pán)管；2水盤(pán)；3抽氣管口；4蒸發(fā)器箱體；5制冷劑回水管口；6制冷蒸氣通道；7視液鏡；8冷凍水進(jìn)口；9冷凍水出口圖5 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure diagram of evaporator

換熱水盤(pán)和換熱盤(pán)管采用由上至下呈階梯狀間隔布置，每層盤(pán)管分別固定在對(duì)應(yīng)的水盤(pán)上, 水盤(pán)直接焊接于箱體內(nèi)壁上。處于上一層的換熱水盤(pán)內(nèi)的制冷劑水會(huì)自動(dòng)溢流至下一層的換熱水盤(pán)內(nèi)，以保證制冷劑每層均勻分布。每層水盤(pán)高度略高于換熱器盤(pán)管高度(10 mm左右)，以保證位于換熱水盤(pán)內(nèi)的制冷劑水蒸發(fā)時(shí)，換熱器盤(pán)管表面形成沸騰換熱，從而大大提高換熱系數(shù)，克服傳統(tǒng)技術(shù)中通過(guò)增加盤(pán)管換熱接觸面積來(lái)提高換熱效率的缺陷，使整個(gè)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)更為緊湊，占用空間更小。

本文采用先抽真空、后注入制冷劑的方式，可最大限度地排除吸附劑上吸附的不凝氣體。常規(guī)是采用先注入制冷劑，再抽真空，當(dāng)抽真空到絕對(duì)壓力大于3 000 Pa時(shí)，蒸發(fā)器中的水開(kāi)始不斷蒸發(fā)，導(dǎo)致前期被吸附在吸附劑中的不凝氣體一直抽不盡[11]。

本文設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器最大限度地抽取不凝氣體，且盤(pán)管和水盤(pán)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的滿(mǎn)液式蒸發(fā)器，換熱效率大大提高，所需換熱面積更小，結(jié)構(gòu)更緊湊。

2.4吸附器箱體

以13X分子篩-氯化鈣復(fù)合吸附劑-水為吸附工質(zhì)對(duì)的吸附制冷系統(tǒng)，由于水的蒸發(fā)溫度不能低于0 ℃，只能用于空調(diào)工況[12]。以水為制冷劑的系統(tǒng)為負(fù)壓系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的氣密性要求很高。此外，由于分體結(jié)構(gòu)，各部分需要設(shè)置連接用的電動(dòng)閥，所以總體積如果設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)很龐大。

吸附制冷系統(tǒng)所有的箱體均采用Q236B鋼材，并在內(nèi)部進(jìn)行硫化處理，外部噴涂油漆。吸附床箱體采用如圖6所示的圓柱形結(jié)構(gòu)，圓柱結(jié)構(gòu)加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度也高，可以有效節(jié)省材料及加工成本。吸附床與箱體內(nèi)部支撐桿通過(guò)螺栓固定，吸附床的進(jìn)出管與箱體進(jìn)行密封焊接。兩個(gè)箱體之間以及箱體與蒸發(fā)器和冷凝器之間通過(guò)法蘭式的電動(dòng)閥連接。此外，箱體上設(shè)置壓力傳感器接口與外接傳感器通過(guò)螺紋密封連接。

圖6 吸附床箱體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The structure diagram of adsorbent bed box

蒸發(fā)器箱體和冷凝器箱體也采用Q236B鋼材，箱壁內(nèi)部進(jìn)行硫化處理，外部噴涂油漆。為了與圓柱型的吸附床箱體更好地配合，同時(shí)盡可能減小制冷系統(tǒng)的總體積，蒸發(fā)器箱體和冷凝器箱體采用如圖7所示的方形結(jié)構(gòu)。但方形結(jié)構(gòu)用作真空箱體時(shí)，強(qiáng)度相比圓筒結(jié)構(gòu)大大降低，為了提高強(qiáng)度，本文在較大的平面上設(shè)計(jì)了折彎結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)器進(jìn)出水口和冷凝器的進(jìn)出水口分別與箱體密封焊接，盡可能減少泄漏點(diǎn)。此外，蒸發(fā)器箱體設(shè)置溫度傳感器接口、壓力傳感器接口和注液口，冷凝器箱體設(shè)置壓力傳感器接口和抽氣口，這些接口與外部配件均采用螺紋密封連接。

圖7 蒸發(fā)器和冷凝器箱體結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The structure diagram of the condenser and evaporator box

采用以上設(shè)計(jì)的箱體，強(qiáng)度大、氣密性好、結(jié)構(gòu)緊湊、各部分箱體的配合有效節(jié)省了空間，系統(tǒng)總體積可大大減小。

2.5 節(jié)流裝置

本系統(tǒng)采用U型管節(jié)流，根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，冷凝器和蒸發(fā)器的兩個(gè)回水管口之間保持0.5 m水柱高度[13]。

3 吸附制冷系統(tǒng)介紹

3.1 循環(huán)模式

圖8所示為分體式兩床連續(xù)型吸附制冷系統(tǒng)的循環(huán)模式圖。V1，V2，V3，V4和V5為制冷劑蒸氣通道，連通的為各箱體。V6～V15連接的是機(jī)組外部的水通道。

吸附箱A吸附，B解吸時(shí)，V1和V5打開(kāi)，V2，V3和V4關(guān)閉，吸附箱A與蒸發(fā)器連通，吸附箱B和冷凝器連通。同時(shí)V6，V11，V13和V14打開(kāi)，V7，V10，V12和V15關(guān)閉，冷卻塔與吸附床A之間的水路連通，冷卻水冷卻吸附床，此時(shí)吸附箱A內(nèi)部壓力下降直至相當(dāng)于蒸發(fā)溫度下水的飽和壓力，蒸發(fā)器內(nèi)的水開(kāi)始蒸發(fā)并進(jìn)入A箱體，并持續(xù)不斷地被吸附箱A內(nèi)的吸附床吸附，直至飽和。與此同時(shí)，熱水與吸附箱B之間的水路連通，冷卻塔和冷凝器之間的水路連通，吸附床被加熱后，水從吸附劑中解吸出來(lái)，吸附箱B壓力不斷升高，直至達(dá)到冷凝溫度下的飽和壓力，并在冷凝器中不斷被冷凝，直至解吸結(jié)束。冷凍水回路則通過(guò)泵4不斷循環(huán)，將蒸發(fā)器中的冷量帶出，冷凍水回到冷凍水箱，并通過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管給環(huán)境提供冷量。

1，2，3，4泵；T溫度傳感器；P壓力傳感器；F流量傳感器圖8 吸附制冷系統(tǒng)的循環(huán)模式圖Fig.8 The cycle mode of the adsorption refrigeration system

同理，當(dāng)吸附箱B吸附，A解吸時(shí)，V2和V4打開(kāi)，V1，V3和V5關(guān)閉，吸附箱B與蒸發(fā)器連通，吸附箱A和冷凝器連通。同時(shí)V7，V10，V12和V15打開(kāi)，V6，V11，V13和V14關(guān)閉，冷卻塔與吸附箱B之間的水路連通，冷卻水冷卻吸附箱B，實(shí)現(xiàn)吸附箱B與蒸發(fā)器之間的吸附制冷。熱水箱與吸附箱A之間的水路連通，冷卻塔和冷凝器之間的水路連通，實(shí)現(xiàn)吸附箱A與冷凝器之間的解吸和冷凝。

每次吸附/解吸過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)先啟動(dòng)回質(zhì)，再啟動(dòng)回?zé)帷；刭|(zhì)時(shí)，V3打開(kāi)，其他閥門(mén)都關(guān)閉，將加熱解吸剛剛結(jié)束的吸附箱與冷卻吸附剛剛結(jié)束的吸附箱連通，可大大提高解吸吸附床的解吸率，降低解吸吸附床在下一個(gè)循環(huán)中吸附床內(nèi)最初的吸附量值。因此當(dāng)最終的吸附量相等時(shí)，可以提高系統(tǒng)的循環(huán)吸附量，從而提高了循環(huán)的制冷量[14]?；?zé)釙r(shí)，V8和V9開(kāi)啟，其他閥門(mén)關(guān)閉，此時(shí)，解吸剛結(jié)束的熱吸附床與吸附剛結(jié)束的冷吸附床之間管路連通，吸附剛結(jié)束的冷床所需要的全部顯熱和解吸過(guò)程前期所需要的熱量均由剛剛解吸結(jié)束的熱床提供，熱水箱只須提供吸附結(jié)束的冷床解吸后期所需要的熱量[15]。同樣，回?zé)峥梢詼p少冷卻塔的冷卻負(fù)荷。與基本型循環(huán)相比，回?zé)嵫h(huán)過(guò)程可提高COP約20%[5]。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試

本吸附制冷系統(tǒng)的運(yùn)行需要滿(mǎn)足的條件為：吸附床解吸溫度范圍為85～100 ℃，冷卻水溫度范圍為25～45 ℃，冷凍水出水溫度范圍為5～25 ℃。水流量根據(jù)運(yùn)行情況，通過(guò)變頻水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)多次調(diào)試，選取最佳的運(yùn)行條件，并最終獲取制冷功率、COP、SCP以及平均耗電量等主要性能參數(shù)的值。

表1所示為該分體式雙床連續(xù)型吸附制冷系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)序。其中tads為吸附時(shí)間，tdes為解吸時(shí)間，tmr為回質(zhì)時(shí)間，thr為回?zé)釙r(shí)間。每次吸附/解吸完畢，兩床之間先進(jìn)行回質(zhì)操作，再進(jìn)行回?zé)岵僮?，然后再切換吸附/解吸操作。每個(gè)操作的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)均由多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)后確定最佳時(shí)長(zhǎng)。

系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，每3 s采集一次數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)大約兩到三個(gè)循環(huán)，吸附制冷系統(tǒng)開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行，測(cè)試吸附床中熱水的流量和進(jìn)出口溫度，可以計(jì)算輸入到吸附床的熱量。測(cè)試蒸發(fā)器中冷凍水的流量和進(jìn)出口溫度，可以計(jì)算吸附制冷裝置的制冷功率，進(jìn)而得出性能系數(shù)COP和單位吸附劑的制冷功率SCP。

表1 吸附制冷系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)序[12]

主要參數(shù)的計(jì)算公式如下[16]：

(1)

(2)

P=Qf/tc

(3)

COP=Qf/Qh

(4)

SCP=Pf/Ma

(5)

式中：Qf為蒸發(fā)器中制冷劑的蒸發(fā)制冷量，kJ；Qh為吸附床輸入的熱量，kJ；tc為循環(huán)周期，s；qmh為熱水質(zhì)量流量，kg/s；cp為水比熱容，J/(kg·℃)；Th-in為熱水進(jìn)口溫度，℃；Th-out為熱水出口溫度，℃；qmc為冷凍水質(zhì)量流量，kg/s；Tc-in為冷凍水進(jìn)口溫度，℃；Tc-out為冷凍水出口溫度，℃；P為制冷功率，kW；COP為性能系數(shù)；SCP為單位吸附劑制冷功率，W/kg；Ma為吸附床中吸附劑質(zhì)量，kg。

經(jīng)過(guò)吸附制冷系統(tǒng)優(yōu)化方案的多次調(diào)試，最終采用的優(yōu)化參數(shù)為熱水進(jìn)水溫度85 ℃，吸附解吸時(shí)間620s，回質(zhì)時(shí)間和回?zé)釙r(shí)間分別是45s和60s，熱水平均流量為32L/min，冷凍水平均流量為30L/min，吸附床冷卻水平均流量為30L/min，冷凝器冷卻水平均流量為30L/min，測(cè)試結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9所示為各個(gè)箱體的進(jìn)出水的溫度變化曲線(xiàn)圖。從圖中可以看出，每個(gè)周期的重復(fù)性較好。當(dāng)熱水進(jìn)水溫度為85 ℃左右(83～86 ℃之間小幅波動(dòng))，冷凍水進(jìn)水溫度為17～18 ℃，冷凍水出水溫度為12～14 ℃。

圖9 溫度變化曲線(xiàn)圖Fig.9 The curve of temperature

圖10所示為吸附制冷系統(tǒng)的瞬時(shí)制冷功率曲線(xiàn)圖。從圖中可以看出，峰值功率為11.2kW，可得平均功率為7.7kW。

圖10 系統(tǒng)瞬時(shí)制冷功率曲線(xiàn)圖Fig.10 The curve of the instant refrigeration capacity of the system

圖11所示為吸附制冷系統(tǒng)各個(gè)箱體的壓力變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出，解吸的箱體與冷凝器連通，壓力變化趨勢(shì)與冷凝器箱體內(nèi)的壓力變化趨勢(shì)相同，且壓力值略高于冷凝器。吸附的吸附箱體與蒸發(fā)器相連，壓力變化趨勢(shì)與蒸發(fā)器內(nèi)的壓力變化趨勢(shì)相同且壓力略高于蒸發(fā)器，說(shuō)明箱體與箱體制冷劑蒸氣的傳質(zhì)良好。解吸時(shí)，解吸箱體內(nèi)的壓力為6～9kPa，壓力先升高后降低。蒸發(fā)器箱體內(nèi)的壓力為1.5～1.9kPa。

圖11 系統(tǒng)各箱體壓力變化曲線(xiàn)圖Fig.11 The curve of pressure of each box

系統(tǒng)耗電功率部分的測(cè)試僅計(jì)算系統(tǒng)主體部分，主要包括控制系統(tǒng)能耗、電動(dòng)閥能耗、回?zé)嵫h(huán)水泵和熱水、冷卻水以及冷凍水的循環(huán)泵的能耗。經(jīng)測(cè)試此部分的總耗電功率約為1.23kW。

綜上所述，分體式雙床連續(xù)型吸附制冷系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如表2所示。

表2 主要性能參數(shù)

4 結(jié)論

1)分體式雙床連續(xù)型吸附制冷系統(tǒng)能夠有效回收85～100 ℃之間的低溫余熱用于制冷。此外，循環(huán)中引入回質(zhì)和回?zé)徇^(guò)程，有效提高了熱利用效率，從而提高了系統(tǒng)的COP。

2)本系統(tǒng)吸附劑采用新型研發(fā)的分子篩13X-氯化鈣復(fù)合吸附劑，吸附效率高，且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行性能穩(wěn)定。此外，吸附劑直接涂覆在管翅式換熱器表面，有效提高了傳熱和傳質(zhì)性能。

3)蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了換熱管表面的沸騰換熱，有效提高了換熱系數(shù)。此外，蒸發(fā)器和冷凝器均針對(duì)不凝氣體對(duì)換熱效果的影響提出了設(shè)計(jì)改進(jìn)和方法改進(jìn)。

4)針對(duì)系統(tǒng)為負(fù)壓運(yùn)行進(jìn)行了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證箱體強(qiáng)度和整體氣密性的基礎(chǔ)上，采用了盡可能緊湊的裝配結(jié)構(gòu)，大大減少系統(tǒng)體積。

5)在85 ℃左右的低品位熱水作為解吸熱源的條件下，本套系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)7.7 kW的制冷量，SCP達(dá)到380 W/kg, COP達(dá)到0.467, 平均耗電功率僅為1.23 kW。

本文受廣東省科技計(jì)劃(2014B090903007)——萬(wàn)寶集團(tuán)制冷空調(diào)研究院和廣東省對(duì)外科技合作(2013B050900020)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(No. 2014B090903007): refrigeration and air conditioning institute of Guangzhou Wanbao Group Co., Ltd., and Foreign Science and Technology Cooperation Project of Guangdong Province (No. 2013B050900020).)

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About the corresponding author

Hu Hanying, female, master, intermediate engineer, Guangzhou Wanbao Group Co., Ltd., +86 15913142494, E-mail: hhy-0412@163.com. Research fields: non compression refrigeration.

Design and Development of a Split Type Continuous Adsorption Refrigeration System with Two Adsorbent Beds

Hu Hanying1Fang Xujun1He Wei2

(1. Guangzhou Wanbao Group Co., Ltd., Guangzhou, 510470, China; 2. HKUST Fok Ying Tung Research Institute, Guangzhou, 511458, China)

An adsorption refrigeration system with two beds is designed and developed, which uses hot water of 85～100 ℃ as the driving heat source. Through the alternating adsorption and desorption of the refrigerant by two adsorption beds, the system can realize continuous refrigeration. The adsorbent beds use fin and tube structure, and the surface of the fin is coated with adsorbent, which is composited by 13X and CaCl2. The coating thickness of the absorbent is only 0.15mm, which can accelerate the adsorption / desorption rate and the heat transfer rate. The evaporator uses coil and water plate structure, and they are stepped with interval and distributed from top to bottom. This structure can ensure that the water is boiling on the surface of the heat exchangers tube. The condenser adds a non-condensable gas discharging device, and the device can discharge non-condensing gas during the system's operation, which can ensure the high efficiency of the condenser. At the same time, the structure of the cylinder block is optimized from the aspects of strength, sealing and assembly structure. In addition, the mass recovery and heat recovery are added to the adsorption refrigeration cycle. Based on this cycle model, the performance of the system is tested，it is found that when the desorption heat source is 85 ℃ hot water, the system cooling power is 7.7 kW, the coefficient of performance is 0.467, the SCP is 380 W/kg, and the average power consumption is 1.23 kW.

adsorption refrigeration; composite adsorbent 13X/CaCl2; refrigeration capacity; coefficient of performance; SCP; power consumption

0253- 4339(2017) 02- 0057- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.057

2016年9月12日

TB66;TB657.5;O647.32

A

胡韓瑩，女，碩士研究生，中級(jí)工程師，廣州萬(wàn)寶集團(tuán)有限公司，15913142494,E-mail：hhy-0412@163.com。研究方向：非壓縮式制冷。