太陽能吸附式制冷機強化傳質(zhì)運行策略的優(yōu)化*

趙文魁，王云峰，趙沖，李明，梁靖康，黎學娟

(1.云南師范大學 太陽能研究所，云南 昆明 650500;2.云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明 650500)

太陽能吸附式制冷機因可直接利用太陽能且使用無污染且環(huán)境友好的工質(zhì)對(如沸石-水、硅膠-水、氯化鈣-氨、活性炭-甲醇等)[1]而受到廣泛關(guān)注.在吸附式制冷循環(huán)中，解吸性能直接影響系統(tǒng)的制冷性能.由Dubinin-Astakhov吸附理論可知，在解吸過程中，提高吸附床溫度可以提高制冷劑的解吸速率[2].于是有學者提出并采用拋物面聚焦器(CPC)集熱裝置的吸附床[3]，增加吸附管單位面積的熱量輸入，實現(xiàn)吸附管的快速升溫.在采用CPC技術(shù)和均勻布置翅片強化傳熱的基礎(chǔ)之上，使用微型真空泵以降低解吸過程的解吸壓力[4-5]，能有效提高制冷系統(tǒng)單位質(zhì)量吸附劑的制冷功率(SCP).ZHAO等[6]用CPC吸附床進行了自然傳質(zhì)模式與強化傳質(zhì)模式的對比實驗研究，發(fā)現(xiàn)強化傳質(zhì)模式促進了制冷劑解吸從而提高系統(tǒng)的制冷量和性能系數(shù)(COP)，達到改善制冷劑解吸性能的目的，但是在直接強化傳質(zhì)模式下最開始解吸的這段時間內(nèi)出現(xiàn)解吸壓力高于自然傳質(zhì)的現(xiàn)象，降低了解吸速率.

本文構(gòu)建了一種基于CPC聚光吸附床的太陽能吸附式制冷系統(tǒng)，并采用自然傳質(zhì)和強化傳質(zhì)相協(xié)同的運行策略，即系統(tǒng)傳質(zhì)通道由自然與強化雙通道構(gòu)成，先以自然傳質(zhì)方式降低解吸過程的起始壓力，再通過強化傳質(zhì)模式降低解吸過程后段壓力.實驗測試并分析了室外典型無云晴天工況下自然傳質(zhì)、強化傳質(zhì)和自然-強化傳質(zhì)協(xié)同三種模式下系統(tǒng)的性能.

1 太陽能吸附式制冷機工作原理

1.1 工作原理

固體式吸附制冷系統(tǒng)循環(huán)原理圖如圖1所示，吸附制冷系統(tǒng)工作的熱力循環(huán)過程主要有：加熱、解吸、冷卻和吸附四個過程.

圖1 固體吸附制冷循環(huán)原理圖

(1)過程一為等容加熱.初始狀態(tài)吸附床壓力和溫度分別為Pe和Ta，開始等容加熱過程，吸附床不斷地接收太陽輻射并且輻射強度逐漸增強，其溫度和壓力也隨之升高.

(2)過程二為等壓解吸過程.在自然解吸過程中，解吸壓力為Pc，起始溫度為Tg，解吸結(jié)束時吸附床溫度為Tmax.在強化解吸過程中，解吸壓力為Pc′，低于自然傳質(zhì)過程解吸壓力，解吸結(jié)束時吸附床溫度為Tmax.

(3)過程三為等容冷卻過程.在理想的吸附式制冷循環(huán)過程中，等容冷卻過程起點的壓力為Pc/Pc′，吸附床溫度一直降至環(huán)境溫度，壓力同時降至Pe.

(4)過程四為等壓吸附.在等壓吸附過程中，蒸發(fā)器中的制冷劑不斷氣化，同時帶走冰箱中冷媒水的熱量.

吸附制冷循環(huán)過程由Dubinin-Astakhov (D-A)方程來描述，表達了活性炭的吸附率x與系統(tǒng)的溫度T和壓力P之間的關(guān)系，即[7]：

x(P,T)=

(1)

式中，W0—單位質(zhì)量活性炭的極限吸附體積，m3/kg；ρ(T) —制冷劑的密度，kg/m3；D—吸附劑-吸附質(zhì)對的表征系數(shù)；Ps(T)—制冷劑的飽和壓力，kPa；n—D -A方程的修正系數(shù);T—活性炭溫度，K;P—吸附/解吸壓力，Pa.

1.2 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

所研究的太陽能吸附式制冷系統(tǒng)圖如圖2，CPC吸附床參數(shù)如表1所示，吸附床放置于室外實驗平臺，朝向為正南方向，吸附器內(nèi)部均勻布置傳熱翅片.冷凝器為四根帶翅片銅管.傳質(zhì)泵采用微型無油微型真空泵，參數(shù)如表2所示.儲液瓶為10 L玻璃瓶，測量精度為5 mL.蒸發(fā)器為全鋁材質(zhì)，在吸附劑吸附制冷劑的過程中與冷媒水的快速換熱制冰.

表1 吸附床參數(shù)

圖2 太陽能吸附式制冷系統(tǒng)圖

表2 傳質(zhì)泵參數(shù)

1.3 系統(tǒng)性能評價

太陽能吸附式制冷系統(tǒng)可通過其制冷循環(huán)系數(shù)來評價其系統(tǒng)性能COP，公式如下[8]：

(2)

式中，Qref—蒸發(fā)器中制冷劑(甲醇)蒸發(fā)所帶走的熱量，MJ；Qs—CPC吸附床所接收的太陽能，MJ；Qpump—傳質(zhì)泵在運行過程所消耗的電能，MJ.

蒸發(fā)器中制冷劑(甲醇)蒸發(fā)所帶走的熱量[9]：

Qref=ΔmaLe

(3)

式中，Δma—制冷劑循環(huán)量，kg；Le—制冷劑的汽化潛熱，J/kg.

吸附床在實驗過程中所接收的太陽能Qs[10]：

(4)

式中，I—太陽瞬時輻射強度，W/m2；Aab—CPC吸附床面積，m2；t—太陽輻射時間，h.

傳質(zhì)泵工作過程消耗的電能：

(5)

式中，Ppump—傳質(zhì)泵瞬時功率，W；t—傳質(zhì)泵工作時間，h.

2 結(jié)果與討論

為驗證不同傳質(zhì)模式下制冷劑解吸性能，在云南昆明(24.87°N，102.86°E，大氣壓為80 kPa)搭建了如圖2所示基于CPC太陽能吸附制冷系統(tǒng)的實驗平臺.采用TRM-2輻射計測量實驗過程太陽輻射強度和累計輻射量，獲得CPC所接收的太陽能.將T型熱電偶分別布置于每根吸附管中部的上、下側(cè)以測量其溫度，并用FLUKE記錄實驗過程的吸附管壁溫度.

此次的吸附制冷實驗對比了三種不同傳質(zhì)模式的解吸性能和COP，分別為模式1—自然傳質(zhì)，模式2—直接強化傳質(zhì)和模式3—自然與強化傳質(zhì)協(xié)同模式.三種傳質(zhì)模式下太陽能加熱時間均為從9∶20到15∶00.

2.1 吸附床溫度變化

圖3分別為三種模式下吸附床加熱過程的溫度變化趨勢.在10∶20開啟解吸通道后，有大量的制冷劑從吸附劑中解吸，帶走了吸附床的大量熱量，因此，在10∶20到10∶30時間內(nèi)吸附床的升溫速率相對減小.

圖3 吸附床溫度變化

由于吸附床接收的能量大于制冷劑的解吸熱，并且吸附床金屬部分吸收的熱量和活性炭的吸熱量以及吸附床內(nèi)甲醇的吸熱量均大于0，13∶00后太陽輻射強度雖然開始下降，但是于14∶30左右吸附床的溫度升高至最高值118 ℃.14∶30至15∶00，由于吸附床吸收的熱量不足以滿足制冷劑的解吸熱，因此，在結(jié)束解吸時三種傳質(zhì)模式下吸附管4的溫度分別降至111、107.7 ℃和114.8 ℃.

2.2 解吸壓力分析

吸附床在開始解吸之前是定容加熱過程.圖4記錄了三種傳質(zhì)模式下吸附床壓力隨時間的變化情況.在定容加熱過程中由于吸附床不斷接收太陽輻射，并且輻射強度I不斷增強，吸附床升溫較快，因此，由D-A方程可知吸附床壓力不斷升高.在定容加熱過程結(jié)束時吸附床壓力達到26.6 kPa，分別使用不同傳質(zhì)模式開始解吸：

圖4 吸附床壓力變化 圖5 制冷劑解吸體積變化

(1) 在傳質(zhì)模式1中，只打開真空閥門1.此時儲液瓶壓力為7.8 kPa，低于吸附床壓力26.6 kPa，壓力差致使制冷劑蒸汽迅速進入冷凝器冷凝，吸附床壓力降至20 kPa.在隨后的一段時間內(nèi)，制冷劑自然擴散速率小于制冷劑解吸速率，因此吸附床壓力升高至29.1 kPa.13∶00后輻射強度降低，同時吸附床中活性炭吸附率x的降低，制冷劑的擴散速率大于制冷劑解吸速率后，解吸結(jié)束時吸附床壓力降至27.4 kPa.

(2) 在強化傳質(zhì)模式2過程中，開啟傳質(zhì)泵，吸附床壓力由27 kPa緩慢降低至22.5 kPa，然后由于真空泵無法將已經(jīng)解吸出來的制冷劑蒸汽送入冷凝器冷卻，因此吸附床壓力升高至27.5 kPa.此后，隨著制冷劑的解吸速率下降，吸附床壓力伴隨輻射強度降低而降低至22.4 kPa.

(3) 在先自然再強化傳質(zhì)的模式3中，解吸過程先打開真空閥門1通過自然傳質(zhì)通道傳質(zhì)，等吸附床壓力快速降低之后切換為強化傳質(zhì)模式.已經(jīng)解吸出來的制冷劑蒸汽通過自然傳質(zhì)通道快速進入冷凝器冷卻，因此此時吸附床壓力從27.4 kPa快速降低至20.6 kPa.隨后，吸附床壓力變化趨勢與模式2基本一致.

2.3 解吸性能與結(jié)果分析

制冷劑的解吸量/循環(huán)量衡量了吸附式制冷系統(tǒng)的制冷性能，圖5表示了解吸出的制冷劑體積變化.解吸過程于10∶00開啟，在10∶10時三種傳質(zhì)模式下儲液瓶中分別有280、150 mL和300 mL甲醇液體.在模式2中，開啟真空泵解吸后，由于真空泵的流量限制，不能將吸附床中已經(jīng)解吸出來的制冷劑蒸汽快速輸送至冷凝器冷凝.然而，在11∶00時模式1和模式2的解吸量均為350 mL.在11∶10時，模式1和模式2的吸附床壓力到達24.7 kPa.在之后的解吸過程中，由于微型真空泵的降壓作用，模式2的吸附床壓力一直低于模式1.因此通過微型真空泵強化傳質(zhì)可有效降低吸附床壓力，在相同的吸附床溫度下使用真空泵強化傳質(zhì)比自然解吸獲得更高的解吸速率和更多的制冷劑循環(huán)量.模式2在13∶45就達到了模式解吸結(jié)束時的解吸量1 430 mL，解吸結(jié)束后強化傳質(zhì)模式解吸量相比于自然傳質(zhì)模式提高了19.72%.

通過對比模式2和模式3兩種不同傳質(zhì)方式的實驗結(jié)果，本文新提出的方法可以使解吸過程開始就能達到快速降低吸附床壓力的目的.由于沒有真空泵的限流作用，在解吸開始時制冷劑的解吸率和自然傳質(zhì)過程的解吸率幾乎一致，并且在之后的解吸時間內(nèi)使用真空泵強化傳質(zhì)過程的解吸速率一致.因此，在14∶10時傳質(zhì)模式3的解吸量就達到了1 700 mL，比模式2縮短了50 min.

在太陽能吸附式制冷循環(huán)中輻射強度決定制冷劑的解吸率，為了提高制冷劑的解吸量，必須縮短解吸過程所需時間.如圖5所示，解吸完成后模式1的解吸量為1 430 mL，模式2縮短了1.25 h，模式3縮短了1.67 h.

實驗結(jié)果如表3，自然傳質(zhì)過程的制冷量和COP分別為1.25 MJ和0.076；強化傳質(zhì)過程的制冷量和COP分別為1.49 MJ和0.093，比自然傳質(zhì)模式提高了19.72%和22.37%；自然-強化傳質(zhì)過程制冷量和COP分別為1.62 MJ和0.100，比強化傳質(zhì)過程分別提高了8.82%、7.53%.

表3 實驗運行結(jié)果

3 結(jié) 語

基于CPC太陽能吸附制冷系統(tǒng)，在晴朗天氣下進行了自然傳質(zhì)、直接強化傳質(zhì)和自然-強化傳質(zhì)切換三種傳質(zhì)模式解吸性能的對比實驗.結(jié)果表明，在相同的天氣狀況下，采用隔膜真空泵強化傳質(zhì)對太陽能吸附制冷解吸性能有非常明顯的提升效果(制冷量提高了19.72%).因此，強化傳質(zhì)在吸附制冷的解吸過程是非常有必要并且效果非常明顯的.

通過自然-強化傳質(zhì)可以脫離解吸開始時在強化傳質(zhì)過程由于隔膜泵流量的限制，同時擁有自然傳質(zhì)初始時快速降低吸附床壓力的優(yōu)點和強化傳質(zhì)過程通過隔膜泵持續(xù)降低解吸過程吸附床壓力.根據(jù)吸附理論，降低解吸過程壓力可以提高解吸速率從而促進制冷劑解吸更徹底.實驗結(jié)果表明，自然-強化傳質(zhì)過程制冷量和COP分別為1.62 MJ和0.100，比自然傳質(zhì)過程提高了30.28%和31.58%，比強化傳質(zhì)過程提高了8.82%和7.53%，證明此方法可有效提高單泵單冷凝器吸附制冷系統(tǒng)強化傳質(zhì)模式的制冷量及系統(tǒng)COP.