發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的吸附式空調(diào)系統(tǒng)仿真與測(cè)試

田宜聰，高嬌，李云飛，王麗偉，安國(guó)亮

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

引 言

憑借著扭矩大、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，柴油車在長(zhǎng)途運(yùn)輸、采礦業(yè)等方面得到了日漸廣泛的使用，但是由于壓縮式空調(diào)系統(tǒng)消耗能量多，增加了車輛的工作成本，很多柴油車都沒有安裝空調(diào)，這使得駕駛室內(nèi)的工作環(huán)境非常惡劣，尤其是在高太陽(yáng)輻射地區(qū)。以在這些地區(qū)應(yīng)用的采礦車為例，夏天車輛駕駛室內(nèi)的溫度因?yàn)闊彷椛渫軌蜻_(dá)到50℃甚至更高。在這種環(huán)境下，壓縮式空調(diào)除了具有能耗大（增加10%～20%的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗[1]）的缺點(diǎn)外，也很難在這種高溫的惡劣環(huán)境下達(dá)到額定制冷功率輸出。與此同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下，車輛尾氣余熱溫度可達(dá)400℃，排出車外的尾氣也能達(dá)到180℃，這部分廢熱沒有得到利用直接排出到大氣環(huán)境，造成了極大的能源浪費(fèi)[2-3]。

采用吸附式制冷，可以利用車輛排放的廢熱，為車輛提供空調(diào)效果。同時(shí)吸附制冷大多采用綠色環(huán)保的制冷劑[4-5]，不會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)和對(duì)臭氧層產(chǎn)生破壞，是一種綠色環(huán)保的制冷方式[6-8]。在尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的吸附式制冷方面，黃婷婷等[2]對(duì)回質(zhì)型吸附空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算以及理論層面上的分析，但是沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，缺少實(shí)際數(shù)據(jù)支持。文獻(xiàn)[9]介紹了吸附式制冷在車輛制冷領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可能性。潘瑩等[10]搭建了可以回收大中型客車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的車載制冷空調(diào)，討論了該結(jié)構(gòu)取代現(xiàn)有大中型汽車空調(diào)的可行性，但是沒有足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。高鵬等[11]搭建了汽車尾氣驅(qū)動(dòng)的吸附式冷藏車制冷系統(tǒng)，研究了利用氯化錳/氯化鈣-氨兩級(jí)吸附式制冷原理，并進(jìn)行了系統(tǒng)的制冷量測(cè)試，但該系統(tǒng)主要應(yīng)用在10℃以下的制冷場(chǎng)景，同時(shí)為間歇循環(huán)制冷，可以用于冷藏車?yán)鋬?，并依靠冷藏車上貨物的熱容?shí)現(xiàn)儲(chǔ)冷，但不適用于柴油車空調(diào)系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)高效的吸附式柴油車空調(diào)系統(tǒng)，最為重要的是吸附工質(zhì)的選擇。常規(guī)的吸附工質(zhì)對(duì)中，金屬氯化物-氨相比于其他工質(zhì)對(duì)有著吸附量大、制冷溫度低的特點(diǎn)[12-13]，不過這種工質(zhì)對(duì)在解吸和吸附階段會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象[14-17]，這個(gè)現(xiàn)象使得單鹽工質(zhì)很難在適中的加熱溫度、高的環(huán)境溫度條件下，達(dá)到較好的制冷效果。機(jī)車的余熱溫度是不穩(wěn)定的，而且由于煙氣的傳熱系數(shù)低、熱容低，煙氣與吸附床之間的換熱溫差可以達(dá)到100℃以上，一般來講，吸附床的溫度波動(dòng)區(qū)間在120～180℃左右。單鹽吸附劑無法滿足加熱溫度為120℃、冷卻溫度為50℃左右的惡劣工況，這使得這種工質(zhì)在柴油車空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用中受到限制。An 等[18]將兩種金屬氯化物混合成雙鹽吸附工質(zhì)，并通過實(shí)驗(yàn)證明其能夠大幅度減少滯后溫差。目前關(guān)于雙鹽工質(zhì)的研究大部分停留在吸附劑性能測(cè)試階段[19]，還沒有研制出相關(guān)的空調(diào)系統(tǒng)。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種采用氯化鈣/氯化錳雙鹽吸附的雙床連續(xù)型吸附式制冷系統(tǒng)，并搭建了相關(guān)系統(tǒng)，進(jìn)行了性能仿真與測(cè)試。

1 吸附劑的研制及系統(tǒng)工作原理

1.1 吸附劑的研制

通過對(duì)吸附床工作溫度的測(cè)試，確定吸附床中填充的雙鹽吸附劑材料為氯化鈣和氯化錳，并在氯化鈣與氯化錳混合后，添加膨脹硫化石墨組成復(fù)合吸附劑，減少吸附劑在多次循環(huán)后發(fā)生的結(jié)塊現(xiàn)象[20]，顯著提高系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)性能。

吸附劑材料的制備流程如圖1所示。

具體步驟為：（1）將膨脹硫化石墨置于烘箱內(nèi)，在130℃條件下烘干3 h，確保其中無水分；（2）按照質(zhì)量比為2.5∶2.5∶1 的比例[21]稱取氯化錳、氯化鈣和膨脹硫化石墨；（3）將氯化錳和氯化鈣溶于水后，將膨脹硫化石墨溶解于氯化鈣和氯化錳的混合溶液中，并不斷攪拌直至均勻；（4）將攪拌后的混合物放置于160℃的烘箱中，烘干水分；（5）將完全烘干的吸附劑材料壓制成塊狀，控制其密度為400 kg/m3。

1.2 系統(tǒng)工作原理

氯化鈣/氯化錳/膨脹硫化石墨-NH3連續(xù)吸附制冷系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 氯化鈣/氯化錳/膨脹硫化石墨-NH3連續(xù)吸附制冷系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of sorption refrigeration system

系統(tǒng)的工作原理如下所述。

（1）S1 床吸附制冷，S2 床加熱解吸。此時(shí)S1 床被冷卻風(fēng)冷卻、S2 床被發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱加熱，閥門VE2、VE3、VE4 以 及VA2、VA4、VA5、VA7、VA9、VA10、VA11為打開狀態(tài)；VE1以及VA1、VA3、VA6、VA8 為關(guān)閉狀態(tài)。其中，VA1 和VA2 為單向閥；VA3、VA4、VA5、VA6、VA10 和VA11 為手動(dòng)球閥；VA7、VA8 為電磁閥；VA9 為電子膨脹閥。工作時(shí)，帶有余熱的柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣從VE2 進(jìn)入吸附床S2，加熱吸附床，解吸出吸附質(zhì)氨，吸附質(zhì)通過VA5、VA2 閥門進(jìn)入冷凝器，由冷卻風(fēng)扇冷卻，在冷凝器中放熱冷凝為液體后進(jìn)入儲(chǔ)液罐，并經(jīng)由管路進(jìn)入放置在柴油車駕駛室內(nèi)的蒸發(fā)器產(chǎn)生蒸發(fā)制冷效果，蒸發(fā)之后的氣態(tài)氨經(jīng)由VA7、VA4閥門進(jìn)入S1 吸附床，由風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)對(duì)S1 吸附床進(jìn)行冷卻，使吸附質(zhì)為S1中的吸附劑所吸附。

（2）S2 床吸附制冷，S1 床加熱解吸。此時(shí)閥門VE1、VE3、VE4 以 及VA1、VA3、VA6、VA8、VA9、VA10、VA11為打開狀態(tài)；VE2以及VA2、VA4、VA5、VA7 為關(guān)閉狀態(tài)。工作過程類似于階段一，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣加熱吸附床S1 解吸出氨，吸附質(zhì)沿VA3、VA1 進(jìn)入冷凝器，冷凝為液體后進(jìn)入儲(chǔ)液罐，并進(jìn)入蒸發(fā)器產(chǎn)生制冷效果，蒸發(fā)之后的氣態(tài)氨進(jìn)入S2被吸附。

兩個(gè)工作階段交替運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在駕駛室內(nèi)的連續(xù)制冷效果。

2 系統(tǒng)仿真

2.1 仿真方程的確定

系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)前，針對(duì)不同環(huán)境溫度條件下系統(tǒng)的制冷量與單床加熱時(shí)間的關(guān)系以及不同發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下系統(tǒng)的COP進(jìn)行了模擬仿真。

系統(tǒng)吸附床中吸附劑的解吸熱、吸附床本身的熱容消耗和復(fù)合吸附劑的顯熱所需熱量由汽車尾氣的余熱提供：

式中，Cexhaust為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的比熱容，J/(kg·K)；mexhaust是 這 部 分 尾 氣 的 質(zhì) 量 流 量，kg/s；Texhaust,in與Texhaust,out分別為尾氣流經(jīng)所需加熱吸附床的進(jìn)口與出口溫度，K。

在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)循環(huán)時(shí)間可計(jì)算整個(gè)循環(huán)周期的平均加熱量：

式中，tloop表示系統(tǒng)的循環(huán)周期，s。

相應(yīng)地，對(duì)于系統(tǒng)的制冷量有：

式中，Cair為通過蒸發(fā)器的空氣的比熱容，J/(kg·K)；mair是通過蒸發(fā)器的空氣的質(zhì)量流量，kg/s；Tair,in與Tair,out分別為空氣通過蒸發(fā)器進(jìn)口與出口的溫度，K。

則系統(tǒng)在一個(gè)周期內(nèi)可以產(chǎn)生的平均制冷量為：

整個(gè)系統(tǒng)的COP可表示為：

雙鹽的吸附/解吸特性方程采用線性類比模型搭建吸附解吸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程[22-25]，可表示為：吸附特性

解吸特性

式中，X 為吸附量，g；k1、k2、k3、k4為反應(yīng)動(dòng)力系數(shù)，m1、m2、n1、n2為常數(shù)，通過特定條件下吸附劑性能測(cè)試確定，具體數(shù)值見表1；Pe為脫附臨界壓力，kPa，Te為其在Clapeyron 線上對(duì)應(yīng)的臨界溫度，K;T為吸附劑實(shí)時(shí)溫度，K；P 為其在吸附劑Clapeyron 線上對(duì)應(yīng)的壓力，kPa。

吸附床的傳熱過程使用一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的通用控制方程：

式中，ρsor為傳熱過程中吸附劑材料的密度，kg/m3；Csor為吸附劑材料的比熱容，J/(kg·K)；ksor為吸附劑材料的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；S 為內(nèi)熱源，即單位體積下的吸附（解吸）熱，W/m3；r 為單元管的半徑，m；t為時(shí)間，s。

冷凝階段的質(zhì)量和能量方程可分別表示為：

式中，mcon為冷凝器質(zhì)量，kg；Xdes為解吸床的吸附量，g/g;mdes為床內(nèi)吸附劑質(zhì)量，kg；Lcon為冷凝溫度下氨的潛熱，J/kg；ΔHcon為氨在冷凝器溫度和在解吸床溫度之間的焓差，J/kg。

同理，蒸發(fā)階段的質(zhì)量和能量方程可分別表示為：

式中，meva為蒸發(fā)器質(zhì)量，kg；Xsor為吸附床的吸附量，g/g;msor為床內(nèi)吸附劑質(zhì)量，kg；Leva為蒸發(fā)溫度下氨的潛熱，J/kg；ΔHeva為氨在蒸發(fā)器溫度和在吸附床溫度之間的焓差，J/kg。

2.2 仿真參數(shù)的確定

系統(tǒng)制冷時(shí)，制冷劑的吸附與解吸過程發(fā)生在兩個(gè)大小為500×400×800 mm3吸附床內(nèi)的單元管中。單元管內(nèi)部均裝載了事先配置壓塊的氯化鈣/氯化錳/膨脹硫化石墨吸附劑，按8×2+7×2 進(jìn)行插排排列。吸附床內(nèi)有兩塊留出供30 根單元管通過的空洞支撐板用來固定單元管位置，將單元管在吸附床的內(nèi)部架空，并在吸附床外壁上留出接口。在系統(tǒng)工作過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣與外界冷卻空氣分別與單元管外壁產(chǎn)生傳熱，以此作為管壁的邊界條件，并以環(huán)境溫度作為系統(tǒng)循環(huán)仿真的初始條件。

吸附床的單元管選用規(guī)格及參數(shù)如表1所示。仿真過程中采用的尾氣進(jìn)口溫度及尾氣流量等數(shù)據(jù)由柴油機(jī)礦車系統(tǒng)的尾氣實(shí)際工況計(jì)算得出，如表2所示。

表1 仿真過程中使用的參數(shù)Table 1 Simulation parameters used in the process

表2 柴油機(jī)礦車系統(tǒng)的尾氣參數(shù)Table 2 Exhaust parameters of diesel engine mining car system

2.3 仿真結(jié)果及分析

仿真結(jié)果如圖3 所示。結(jié)合圖3(a)、(b)可以得到：隨著冷凝溫度的上升，解吸床內(nèi)部壓力隨之上升，解吸速率受到影響，理論平均制冷功率在總體上呈下降趨勢(shì)；在單床加熱時(shí)間為2000 s時(shí)，系統(tǒng)的制冷功率達(dá)到最大值，但此時(shí)的系統(tǒng)COP 未達(dá)到最大值，說明系統(tǒng)未能充分利用尾氣中的余熱能量，吸附床內(nèi)的反應(yīng)仍在進(jìn)行，隨著時(shí)間的增加，反應(yīng)趨近于完全，平均制冷功率會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的影響逐漸降低；在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況條件下，當(dāng)單床加熱時(shí)間處于45 min 左右時(shí)，COP 達(dá)到最大值，代表著尾氣中余熱已被充分利用。

圖3 系統(tǒng)性能仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of system performance

綜合考慮制冷功率和COP，得出系統(tǒng)的最優(yōu)單床加熱時(shí)間為45 min，此時(shí)系統(tǒng)的平均制冷功率可以達(dá)到3 kW 以上，COP也可以達(dá)到0.25左右。因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，采用了45 min 作為單次加熱時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與性能分析

所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，在實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)使用加熱風(fēng)機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱，加熱解吸床，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作產(chǎn)生制冷量；使用風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)冷卻吸附床，模擬柴油車在行進(jìn)過程中用于冷卻吸附床的自然風(fēng)。設(shè)定單床加熱時(shí)間為45 min，即對(duì)解吸床加熱45 min 后，通過控制管路和風(fēng)扇開關(guān)，使該吸附床被冷卻風(fēng)冷卻，此時(shí)由另一側(cè)吸附床充當(dāng)解吸床，以此實(shí)現(xiàn)連續(xù)式制冷效果。將蒸發(fā)器置于測(cè)試間內(nèi)，通過溫度傳感器及風(fēng)量測(cè)量對(duì)系統(tǒng)制冷量進(jìn)行測(cè)試。

圖4 余熱驅(qū)動(dòng)的吸附式空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Test unit of sorption air conditioning system

在測(cè)試階段，控制電加熱風(fēng)機(jī)輸出的尾氣溫度在225～235℃范圍內(nèi)波動(dòng)。在25～45℃為代表的室外溫度下，系統(tǒng)的平均制冷量如表3 所示。表3 中給出了系統(tǒng)在不同室外溫度時(shí)使用仿真和實(shí)驗(yàn)兩種方法分別得到的制冷量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，除25℃時(shí)因系統(tǒng)漏熱較大引起制冷量較低外，其余條件下制冷量相差不多，體現(xiàn)了雙鹽吸附劑的適應(yīng)性，數(shù)據(jù)波動(dòng)主要由制冷劑顯熱波動(dòng)、系統(tǒng)漏熱等原因引起，實(shí)驗(yàn)得到的系統(tǒng)平均制冷量均能達(dá)到2.95 kW以上。

表3 制冷量對(duì)比Table 3 Comparison of refrigeration capacity

圖5給出了環(huán)境溫度為40℃條件下的蒸發(fā)器性能隨時(shí)間的變化。從圖5 中可以看到，在單床加熱工作的45 min 內(nèi)、控制蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口空氣溫度為28.5℃的條件下，出風(fēng)口空氣溫度低于23℃，平均溫差可達(dá)6.5℃；在系統(tǒng)的制冷量上，系統(tǒng)的平均制冷量能夠達(dá)到3.2 kW。

圖5 蒸發(fā)器性能隨時(shí)間的變化Fig.5 Performance of the evaporator vs.time

4 結(jié) 論

在高太陽(yáng)輻射地區(qū)，柴油車駕駛室內(nèi)溫度過高將導(dǎo)致普通車載空調(diào)很難達(dá)到額定制冷功率輸出，并且會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量、降低柴油車經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)以上問題，本文提出了一套雙床連續(xù)型吸附式制冷系統(tǒng)。系統(tǒng)采用雙鹽吸附工質(zhì)以適應(yīng)惡劣工況、減少滯后溫差，利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)吸附劑解吸，產(chǎn)生冷量用于柴油車駕駛室內(nèi)的空調(diào)制冷?？偨Y(jié)研究?jī)?nèi)容如下。

（1）采用雙鹽復(fù)合吸附劑，使用氨作為制冷劑。將氯化鈣、氯化錳和膨脹硫化石墨按比例混合制備成的復(fù)合吸附劑，可以避免單鹽吸附工質(zhì)在解吸和吸附階段出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象、保證吸附床的傳熱傳質(zhì)性能，并且能使系統(tǒng)更好地適應(yīng)柴油車的惡劣工況，具有穩(wěn)定性高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)循環(huán)采用雙吸附床設(shè)計(jì)，在設(shè)置循環(huán)時(shí)間后，通過控制閥門，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中兩個(gè)吸附床解吸/吸附工作狀態(tài)交替運(yùn)行，使該系統(tǒng)可以為外界提供連續(xù)的制冷效果。

（2）本文使用數(shù)學(xué)仿真對(duì)系統(tǒng)的理論性能進(jìn)行了模擬計(jì)算與分析。搭建了雙鹽吸附劑的吸附解吸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，圍繞吸附/解吸床、蒸發(fā)器和冷凝器幾大部件建立了系統(tǒng)仿真方程，并結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定仿真參數(shù)。仿真結(jié)果表明：當(dāng)單床加熱時(shí)間為45 min 時(shí)，系統(tǒng)的理論平均制冷功率可以達(dá)到3.5 kW，在此周期條件下，不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下系統(tǒng)COP處于0.2～0.25之間。

（3）本文搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。通過對(duì)系統(tǒng)吸附床進(jìn)行設(shè)計(jì)加工、對(duì)蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)行改裝，最終搭建出了一套系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在熱空氣溫度為230℃的條件下，系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下能產(chǎn)生3 kW 的平均制冷量。其中在40℃環(huán)境溫度、45 min 的解吸/吸附時(shí)間條件下，系統(tǒng)在蒸發(fā)器進(jìn)出口處的平均溫差為6.5℃，系統(tǒng)周期內(nèi)的平均制冷量為3.2 kW。

符 號(hào) 說 明

Cair,Cexhaust——分別為通過蒸發(fā)器的空氣的、發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的比熱容，J/(kg·K)

Csor——吸附劑材料的比熱容，J/(kg·K)

ΔHcon——氨在冷凝器溫度和在解吸床溫度之間的焓差，J/kg

ΔHeva——氨在蒸發(fā)器溫度和在吸附床溫度之間的焓差，J/kg

ksor——吸附劑材料的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

Lcon，Leva——分別為冷凝溫度下、蒸發(fā)溫度下氨的潛熱，J/kg

mair，mexhaust——分別為通過蒸發(fā)器的空氣質(zhì)量流量、發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的質(zhì)量流量，kg/s

mcon，meva——分別為冷凝器、蒸發(fā)器質(zhì)量，kg

mdes，msor——分別為解吸床、吸附床內(nèi)吸附劑質(zhì)量，kg

P——氨源壓力，kPa

Pe——實(shí)時(shí)溫度在吸附劑Clapeyron 線上對(duì)應(yīng)的壓力，kPa

r——單元管的半徑，m

S——內(nèi)熱源（單位體積吸附劑的吸附（解吸）熱），W/m3

T——吸附劑實(shí)時(shí)溫度，K

Tair,in,Tair,out——分別為空氣通過蒸發(fā)器進(jìn)口、出口的溫度，K

Te——氨源壓力在吸附劑Clapeyron 線上對(duì)應(yīng)的溫度，K

Texhaust,in,Texhaust,out——分別為尾氣流經(jīng)吸附床的進(jìn)口、出口溫度，K

t——時(shí)間，s

tloop——系統(tǒng)的循環(huán)周期，s

X——吸附量，g/g

Xdes,Xsor——分別為解吸床、吸附床的吸附量，g/g

ρsor——吸附劑材料密度，kg/m3