四通閥對(duì)回?zé)嵝臀绞街评湎到y(tǒng)熱量損失的影響

潘權(quán)穩(wěn)，王如竹

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

四通閥對(duì)回?zé)嵝臀绞街评湎到y(tǒng)熱量損失的影響

潘權(quán)穩(wěn)*，王如竹

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

采用2個(gè)四通閥和2個(gè)三通閥是實(shí)現(xiàn)串聯(lián)式回?zé)嵝臀绞街评湎到y(tǒng)的最簡(jiǎn)單形式，但采用四通閥會(huì)造成一定的熱量損失，從而對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。本文搭建了一個(gè)采用四通閥的回?zé)嵝凸枘z-水吸附式制冷實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)四通閥的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在四通閥不動(dòng)作時(shí)，冷熱流體之間的換熱不明顯，熱量損失較?。辉谒耐ㄩy動(dòng)作時(shí)，熱水向冷卻水摻入量為0.29 kg/s，而冷卻水向熱水摻入量為2.14 kg/s，造成熱源側(cè)5,157 kJ的熱量損失，相當(dāng)于加熱量的8.09%。因此要選用切換時(shí)間較短的四通閥，以減小冷卻水向熱水的摻入量。

四通閥；回?zé)?；吸附式制冷；硅膠-水

0 引言

吸附式制冷是一種有效利用低品位熱能且對(duì)環(huán)境沒(méi)有破壞作用的制冷技術(shù)[1]，同時(shí)具有抗振性好、噪聲小和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此其在太陽(yáng)能制冷、工業(yè)余熱回收及車(chē)船發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用等應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊的前景[2]。

目前吸附式制冷的研究主要集中于吸附材料（工質(zhì)對(duì)）、傳熱傳質(zhì)和系統(tǒng)循環(huán)等方面。在吸附材料方面，主要是材料的改性和新工質(zhì)對(duì)的研制，例如李娜等[3]、吳琦等[4]和SEILER等[5]分別對(duì)改性活性炭-甲醇、改性活性炭-異丁烷和NaY-乙二醇溶液工質(zhì)對(duì)的吸附性能進(jìn)行研究。在傳熱傳質(zhì)方面，集中在吸附床傳熱傳質(zhì)性能的強(qiáng)化，LI等[6]研制的涂層吸附床相比于傳統(tǒng)填充吸附床，傳熱和傳質(zhì)性能分別提高了3.4～4.6倍和1.5～2倍。系統(tǒng)循環(huán)方面，主要是循環(huán)的改進(jìn)和新型循環(huán)的開(kāi)發(fā)，例如熱波循環(huán)[7]、回?zé)嵫h(huán)[8]、回質(zhì)循環(huán)[9]、多級(jí)循環(huán)[10]和再吸附循環(huán)[11]。由于實(shí)施比較容易和性能提升明顯的優(yōu)點(diǎn)[12]，回?zé)嵫h(huán)被經(jīng)常采用，形成回?zé)嵝臀绞街评湎到y(tǒng)?；?zé)岬姆绞接卸喾N，PAN等[8]對(duì)比分析了3種回?zé)岱绞剑ㄑh(huán)式、串聯(lián)式和被動(dòng)式），并指出串聯(lián)式回?zé)釣樽顑?yōu)的回?zé)岱绞健?/p>

回?zé)嵝臀绞街评湎到y(tǒng)模式（如吸附、解吸和回?zé)岬饶Ｊ剑┑那袚Q需要切換閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些切換閥門(mén)可以為單向閥、兩通閥、三通閥或四通閥等類(lèi)型。本文作者研制了一臺(tái)采用四通切換閥的回?zé)嵝凸枘z-水吸附式制冷系統(tǒng)，回?zé)岱绞綖榇?lián)式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)分析四通切換閥對(duì)吸附式制冷系統(tǒng)的影響。

1 串聯(lián)式回?zé)岬拈y門(mén)實(shí)現(xiàn)形式

在吸附式制冷系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)式回?zé)峥梢杂卸喾N形式。根據(jù)切換閥門(mén)的數(shù)量及類(lèi)型不同，可以分為以下3種形式。

1.1 實(shí)現(xiàn)形式1

劉艷玲等[13]研制的吸附式制冷系統(tǒng)采用了如圖1所示的串聯(lián)式回?zé)岬拈y門(mén)實(shí)現(xiàn)形式，稱(chēng)之為實(shí)現(xiàn)形式1。該系統(tǒng)采用了13個(gè)兩通切換閥，使得系統(tǒng)較為復(fù)雜。同時(shí)由于切換閥需要頻繁動(dòng)作，長(zhǎng)期使用會(huì)容易出現(xiàn)損壞和更換維護(hù)問(wèn)題，因此閥門(mén)較多會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。

圖1 串聯(lián)式回?zé)釋?shí)現(xiàn)形式1

1.2 實(shí)現(xiàn)形式2

為了減少閥門(mén)的數(shù)量，GONG等[14]研制的吸附式制冷系統(tǒng)采用了如圖2所示的閥門(mén)實(shí)現(xiàn)形式，稱(chēng)之為實(shí)現(xiàn)形式2。該系統(tǒng)采用了6個(gè)三通切換閥和1個(gè)單向閥。相比于實(shí)現(xiàn)形式1，實(shí)現(xiàn)形式2大大地減少閥門(mén)數(shù)量，使得系統(tǒng)更加緊湊和可靠。

1.3 實(shí)現(xiàn)形式3

為了進(jìn)一步減少閥門(mén)的數(shù)量，PAN 等[15]研制的吸附式制冷機(jī)采用了如圖3所示的閥門(mén)實(shí)現(xiàn)形式，稱(chēng)之為實(shí)現(xiàn)形式3。該系統(tǒng)僅采用了2個(gè)四通切換閥和2個(gè)三通切換閥，便實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)式回?zé)?，進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)且提高系統(tǒng)可靠性。但從圖中可看出，系統(tǒng)最上部的四通切換閥，會(huì)同時(shí)通入熱流體和冷卻流體，會(huì)存在一定的熱量損失。同時(shí)，在閥門(mén)切換過(guò)程，熱流體和冷卻流體會(huì)發(fā)生摻混，造成熱量的損失。

圖2 串聯(lián)式回?zé)釋?shí)現(xiàn)形式2

圖3 串聯(lián)式回?zé)釋?shí)現(xiàn)形式3

2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究上述的串聯(lián)式回?zé)釋?shí)現(xiàn)形式 3，分析采用四通切換閥對(duì)回?zé)嵝臀绞街评湎到y(tǒng)的影響，特別是其造成的熱量損失情況，本文搭建了一個(gè)回?zé)嵝臀绞街评鋵?shí)驗(yàn)裝置，采用串聯(lián)回?zé)釋?shí)現(xiàn)形式3，如圖4所示。該實(shí)驗(yàn)裝置以硅膠-水為工質(zhì)對(duì)，采用100 ℃的熱水驅(qū)動(dòng)，通過(guò)冷卻塔進(jìn)行冷卻，輸出空調(diào)所需的冷凍水。實(shí)驗(yàn)裝置中所選用切換閥為電動(dòng)閥門(mén)，裝置配置了1個(gè)電控箱來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行和控制。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熱水、冷卻水和冷凍水的流量分別設(shè)定為 24.70 m3/h、37.71 m3/h和9.35 m3/h。前期文獻(xiàn)[15]已經(jīng)對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置的制冷性能進(jìn)行研究，在 86 ℃熱水進(jìn)口溫度、30 ℃冷卻水進(jìn)口溫度和 11 ℃冷凍水出口溫度條件下，制冷量和能效系數(shù)分別為42.8 kW和0.51。

回?zé)嵝臀绞街评鋵?shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行過(guò)程中，最上部的四通切換閥有兩個(gè)狀態(tài)，如圖5所示。狀態(tài)1：熱水進(jìn)與通道1連通，熱水從通道1流出閥門(mén)，冷卻水進(jìn)與通道2連通，冷卻水從通道2流進(jìn)閥門(mén)。狀態(tài)2：熱水進(jìn)與通道2連通，熱水從通道2流出閥門(mén)，冷卻水進(jìn)與通道1連通，冷卻水從通道1流出閥門(mén)。

圖4 回?zé)嵝臀绞街评鋵?shí)驗(yàn)裝置

圖5 四通閥的運(yùn)行狀態(tài)

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度變化

當(dāng)回?zé)釙r(shí)間為40 s時(shí)，四通閥的各個(gè)通道的溫度變化如圖6所示。在圖6(a)當(dāng)前的制冷模式下，四通閥處于狀態(tài)2，冷卻水出口和通道1的溫度處于較低的水平，熱水進(jìn)口和通道2的溫度處于較高的水平。此時(shí)冷卻水出口與通道1的溫度幾乎一樣，同時(shí)熱水進(jìn)口和通道2的溫度也幾乎一樣。說(shuō)明在四通閥內(nèi)，熱水向冷卻水傳遞的熱量非常小，以致無(wú)法通過(guò)常規(guī)的溫度傳感器來(lái)測(cè)量。當(dāng)制冷系統(tǒng)進(jìn)入回?zé)崮Ｊ綍r(shí)，由于串聯(lián)式回?zé)崾峭ㄟ^(guò)冷卻水回路將兩個(gè)吸附床串聯(lián)起來(lái)，從而進(jìn)行兩床的回?zé)?，所以冷卻水出口和通道1的溫度會(huì)急劇升高而熱水進(jìn)口和通道2的溫度急劇下降。當(dāng)回?zé)峤Y(jié)束之后，四通閥會(huì)進(jìn)行狀態(tài)的切換，切換時(shí)間為30 s，從而使得制冷系統(tǒng)進(jìn)入下個(gè)制冷模式。

從圖6(b)可看出，在回?zé)岷退耐ㄩy狀態(tài)切換的過(guò)程，冷卻水出口的溫度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，約為45 ℃。熱水出口的溫度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)谷值，約為55 ℃。通道1的溫度從30 ℃一直升至80 ℃左右，而通道2的溫度從85 ℃一直降至35 ℃左右。在回?zé)犭A段，冷卻水出口與通道1的溫度幾乎一樣，熱水進(jìn)口和通道2的溫度也幾乎一樣。一旦進(jìn)入四通閥狀態(tài)切換的階段，冷卻水出口溫度會(huì)低于通道 1的溫度，熱水出口溫度會(huì)高于通道2的溫度。當(dāng)四通閥狀態(tài)切換完成之后，溫度較低的兩個(gè)流道（冷卻水出口和通道 2）的溫度會(huì)迅速接近，而溫度較高的兩個(gè)流道（熱水進(jìn)口和通道 1）的溫度需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能趨向一致。造成這種現(xiàn)象的原因可能有：1）閥門(mén)和管道本身的熱容以及系統(tǒng)向環(huán)境的散熱，造成熱量的損失；2）熱水回路殘留較多的低溫水。熱水中混入較多的冷卻水，而冷卻水中混入的熱水較少；3）冷卻水流速較快，混合速度較快，而熱水流速較低，混合速度較慢；4）熱水的流道較復(fù)雜，可能會(huì)存在流體的短暫滯留，而冷卻水的流道較簡(jiǎn)單。

圖6 四通閥各通道的溫度變化

3.2 熱量損失

不考慮系統(tǒng)向環(huán)境散熱情況下，根據(jù)能量守恒定律，可建立熱水和冷卻水的能量守恒方程，分別如式1和2所示。

式中：

Qh、QL——熱水和冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s；

x、y ——熱水和冷卻水的流出質(zhì)量，kg/s；

Th1、Th2——熱水進(jìn)出口溫度，℃；

mm——閥門(mén)和管道金屬的質(zhì)量，kg；

Cm——金屬比熱容，kJ/(kg·℃)；

ΔT——金屬的溫升，℃；

t ——閥門(mén)切換時(shí)間，s；

Cw——水比熱容，kJ/(kg·℃)；

TL1、TL2——冷卻水進(jìn)出口溫度，℃。

通過(guò)式(1)和式(2)對(duì)圖 6(b)四通閥切換過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，可得：x = 0.29 kg/s，y = 2.14 kg/s。因此熱水從冷卻水獲得凈流入的質(zhì)量，相當(dāng)于對(duì)熱水回路進(jìn)行了補(bǔ)水。由于補(bǔ)充的水溫度較低，為了讓這部分水達(dá)到所需的溫度要求（85 ℃），需要熱源額外提供更多熱量，所以造成熱源側(cè)熱量的損失。損失的熱量可通過(guò)式(3)來(lái)計(jì)算。

式中：

q ——熱量損失，kW；

Th——所需的熱水溫度，℃。

通過(guò)式(3)的計(jì)算，可得q = 5157 kJ，即四通閥每切換一次會(huì)造成熱源側(cè)5,157 kJ的熱量損失。由于四通閥每 760秒切換 1次，故會(huì)造成熱源側(cè)約6.8 kW的熱量損失，相當(dāng)于制冷系統(tǒng)整體加熱量的8.09%。因此選用四通閥時(shí)，注意選用切換時(shí)間較短的閥，減小冷卻水向熱水的流入量。

4 結(jié)論

本文對(duì)吸附式制冷系統(tǒng)串聯(lián)式回?zé)岫喾N實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行分析，可知采用四通閥的實(shí)現(xiàn)形式是使用閥門(mén)最少的方案。接著建立一個(gè)采用四通閥的串聯(lián)式回?zé)嵝臀绞街评鋵?shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1) 四通閥在不動(dòng)作時(shí)，冷熱流體之間的換熱不明顯，熱量損失較小；

2) 四通閥在動(dòng)作時(shí)，熱水摻入較多的冷卻水，導(dǎo)致在熱源端有較大的熱量損失；

3) 四通閥的切換時(shí)間較為重要，切換時(shí)間越短，冷卻水向熱水的摻混量越少，熱量損失越少。

[1]王如竹. 固體吸附式制冷新技術(shù)[J]. 制冷技術(shù), 1999,19(2): 4-7, 12.

[2]孟曉偉, 武衛(wèi)東, 朱成劍. 用于吸附單元管的燒結(jié)沸石吸附劑的性能強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(2):20-25.

[3]李娜, 李成祥, 王德昌. 改性活性炭-甲醇工質(zhì)對(duì)吸附性能的研究[J]. 制冷技術(shù), 2015, 35(4): 6-10, 46.

[4]吳琦, 馬列軍, 萬(wàn)意, 等. 改性活性炭-異丁烷吸附制冷性能研究[J]. 制冷技術(shù), 2015, 35(2): 34-38.

[5]Seiler J, Hackmann J, Lanzerath F, et al. Refrigeration below zerooC: Adsorption chillers using water with ethylene glycol as antifreeze[J]. International Journal of Refrigeration, 2017, 77: 39-47.

[6]LI A, THU K, ISMAIL A B, et al. Performance of adsorbent-embedded heat exchangers using bindercoating method[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 92: 149-157.

[7]TAYLAN O, BAKER D K, KAFTANO?LU B. COP trends for ideal thermal wave adsorption cooling cycles with enhancements[J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(3): 562-570.

[8]PAN Q W, WANG R Z, WANG L W. Comparison of different kinds of heat recoveries applied in adsorption refrigeration system[J]. International Journal of Refrigeration, 2015, 55: 37-48.

[9]ZAJACZKOWSKI B. Optimizing performance of a three-bed adsorption chiller using new cycle time allocation and mass recovery[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 100: 744-752.

[10]KHAN M Z I, ALAM K C A, SAHA B B, et al.Performance evaluation of multi-stage, multi-bed adsorption chiller employing re-heat scheme[J].Renewable Energy, 2008, 33(1): 88-98.

[11]LU Y, WANG Y, BAO H, et al. Analysis of an optimal resorption cogeneration using mass and heat recovery processes[J]. Applied Energy, 2015, 160: 892-901.

[12]CHEKIROU W, BOUKHEIT N, karaali A. Heat recovery process in an adsorption refrigeration machine[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2016, 41(17): 7146-7157.

[13]劉艷玲, 王如竹, 夏再忠. 一種新型太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能模擬[J]. 化工學(xué)報(bào), 2005, 56(5):791-795.

[14]GONG L X, WANG R Z, XIA Z Z, et al. Experimental study on an adsorption chiller employing lithium chloride in silica gel and methanol[J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35(7): 1950-1957.

[15]PAN Q W, WANG R Z, WANG L W, et al. Design and experimental study of a silica gel-water adsorption chiller with modular adsorbers[J]. International Journal of Refrigeration, 2016, 67: 336-344.

Impact of Four-way Valve on Heat Loss for Heat Regenerative Adsorption Refrigeration System

PAN Quanwen*, WANG Ruzhu
(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Using two four-way valves and two three-way valves is the simplest way to realize serial heat recovery in an adsorption refrigeration system. But the use of four-way valves causes extra heat loss and lowers the system performance. An experimental setup for the heat regenerative silica gel-water adsorption refrigeration using four-way valves is established, and the impact of four-way valves is experimentally studied. The results show that, when the four-way valve does not operate, the heat transfer rate between hot water and cool water is small and the heat loss is little; while when the four-way valve operates, the cool water circuit is mixed with 0.29 kg/s hot water, and the hot water circuit is mixed with 2.14 kg/s cool water, causing 5,157 kJ heat loss on the heat source side. And this heat loss is equivalent of 8.09% heat input. Hence, four-way valves with less operation time is required to reduce the flux of mixed cool water.

Four-way valves; Heat regenerative; Adsorption refrigeration; Silica gel-water

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.04.102

*潘權(quán)穩(wěn)（1987-），男，博士后，博士。研究方向：吸附式制冷。聯(lián)系地址：上海市東川路800號(hào)中意樓206室，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206309。E-mail：sailote@sjtu.edu.cn。

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（No.15DZ1201802）。