一種新穎的太陽能制冷管及其性能實驗研究

1、太陽能學(xué)報 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA 2000 Vol.21 返回一種新穎的太陽能制冷管及其性能實驗研究劉震炎盧允莊 王永堂摘要：一種新穎結(jié)構(gòu)的太陽能吸附制冷管，其吸附床由一種具有高強度、高吸附性能和導(dǎo)熱性能，并對太陽能具有高吸收率的復(fù)合吸附劑塊組成。與已有的太陽能制冷系統(tǒng)相比，每根冷管自成一個制冷系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，同時吸附床可直接吸收太陽輻射，提高了對太陽能的有效利用。實驗表明，在未采用專門的集熱裝置、吸附床向陽面溫度僅為75左右的情況下，冷管的性能系數(shù)可達8%左右。關(guān)鍵詞：太陽能，吸附制冷，冷管，復(fù)合吸附劑塊A NOVEL SOLAR COOLING

2、 TUBE AND ITS PERFORMANCE EXPERIMENTAL STUDYLiu Zhenyan Lu Yunzhuang(College of Power and Energy Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030)Wang Yongtang(Dept.of Thermal Science and Energy Engineering,University of Science and Technology of China,Hefei 230027)Abstract：Solid adsorption

3、solar cooling system represents promising application prospects in energy saving and environment protection.In this paper,a new type of adsorption solar cooling systemcooling tube system is presented.The adsorbent bed of the cooling tube is made of special compound adsorbent bricks,which have shown

4、good performance on rigidity,adsorptivity and conductivity.The main characteristics of the cooling tube are that each tube stands for a refrigeration unit,and the adsorbent bed absorbs solar energy directly,which enhances the effectiveness of solar energy utilization.Experimental results show that t

5、he coefficient of performance of the cooling tube is about 8 without special solar collector in sunny days,while the temperature of the sunny side of the adsorbent bed is only about 75.Keywords：solar powered adsorption refrigeration,cooling tube,compound adsorbent brick0引言近20年來，太陽能固體吸附式制冷技術(shù)在環(huán)保和節(jié)能等方面

6、顯示出巨大優(yōu)越性，成為各國競相研究的熱點課題。為使吸附制冷成為一種實用化的制冷方式，眾多學(xué)者在吸附工質(zhì)對及其吸附機理、吸附制冷的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、改善吸附床傳熱傳質(zhì)1，4以及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究2等方面進行了大量的工作。目前，已研究開發(fā)多種吸附式太陽能制冷機311，按集熱方式的不同，大致可將其分為兩類：第一類，吸附發(fā)生器同時作為太陽能集熱器。系統(tǒng)的整個吸附發(fā)生器一般為一個扁方的金屬盒，外表面涂成黑色，以吸收太陽能。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較為緊湊，吸附劑的填充量大。但在負壓條件下，金屬盒的上下表面承壓能力非常小而易于變形，甚至導(dǎo)致泄漏；另外由于吸附劑固有的導(dǎo)熱系數(shù)低，吸附層厚度大，使得達到吸附平衡的時間較長

7、。MPons等5對該結(jié)構(gòu)進行了改進，在扁金屬盒內(nèi)加了許多翅片，既起加強筋作用，增加上下表面的承壓能力，同時改善傳熱效果，但仍不能解決吸附床的泄漏問題。SO Enibe7采用多管組合式吸附床，將管道與集熱板連成一體，使吸附床的承壓能力大為增強，與扁盒式結(jié)構(gòu)相比，也降低了泄漏的幾率，但工藝比較復(fù)雜，且金屬材料所占的重量比大。另一類，太陽集熱器和吸附發(fā)生器分開，采用單獨的太陽集熱器。如N K Bansal等8采用的SrCl2NH3吸附制冷裝置，利用熱管式真空管太陽集熱器吸收太陽能，再將能量傳給發(fā)生器。這種結(jié)構(gòu)的集熱效率高，熱源溫度也較高，缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且熱量轉(zhuǎn)換多了一個環(huán)節(jié)，加大了能量的不可逆損

8、失。上述太陽能吸附制冷裝置的構(gòu)架均采用金屬材料，由集熱器的吸收板接受太陽輻射，再通過熱傳導(dǎo)加熱吸附發(fā)生器。研究表明13，吸附床與金屬板之間的接觸熱阻對吸附床的傳熱過程影響很大，它在吸附床的表面附近造成很陡的溫度梯度。因吸附床不能直接接收太陽輻射，故未能有效利用太陽能。針對上述吸附發(fā)生器的缺點，我們提出一種新穎的玻璃管結(jié)構(gòu)的吸附式太陽能制冷管，并對單管的性能進行實驗研究。1太陽能制冷管1.1制冷管簡介制冷管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部為玻璃管，一根制冷管即為一個制冷單元。制冷管的上端為吸附床段，內(nèi)填我們研制的中空圓柱型復(fù)合吸附劑塊；中部為冷凝段，外接水箱，利用水的自然對流進行冷卻；下端為蒸發(fā)段，內(nèi)填

9、制冷劑。當(dāng)需要較多冷量時，可把多根制冷管組合使用。該制冷管具有以下優(yōu)點：(1)結(jié)構(gòu)簡單，適合批量生產(chǎn)；(2)玻璃管易于密封，且可長期維持較高的真空度而不泄漏；(3)吸附劑高效吸收太陽能，內(nèi)部傳熱熱阻低，并減少了傳熱的中間環(huán)節(jié)；(4)多管系統(tǒng)中某根制冷管一旦損壞，可及時調(diào)換，不影響其它冷制管的運行。在文獻12中我們已經(jīng)提到這種結(jié)構(gòu)太陽能制冷管，但因當(dāng)時采用的吸附床由顆粒狀的吸附劑組成，床內(nèi)的熱阻較大，影響了系統(tǒng)的制冷性能。本文報道的制冷管采用塊狀復(fù)合吸附劑作為吸附床，并對制冷管結(jié)構(gòu)作了改進。1.2復(fù)合吸附劑塊太陽能吸附制冷系統(tǒng)采用的吸附工質(zhì)對主要有活性碳-甲醇、沸石-水和CaCl2-NH3等，它

10、們各有優(yōu)缺點。但考慮沸石-水完全無毒性，對環(huán)境的適應(yīng)能力強等，故采用沸石-水作為吸附工質(zhì)對。因沸石粉和沸石顆粒的填充密度和導(dǎo)熱系數(shù)都很低，有必要將沸石制成塊狀。復(fù)合吸附劑塊的成分以13X沸石粉為主，制作中將沸石粉與某種對水具有較好吸附性能的硅溶膠類粘結(jié)劑混合后加壓成型，再在其表面涂以活性碳，以有效吸收太陽能，同時不影響吸附劑的吸附性。對該復(fù)合吸附劑塊的吸附性能和導(dǎo)熱性能進行了測試。圖2-A所示為復(fù)合吸附塊與13X沸石粉、13X沸石顆粒的吸附性能的比較，其中沸石粉樣品為不加粘結(jié)劑而直接加壓成型，脫附溫度為100。圖2-B所示為對應(yīng)于單位體積(100ml）吸附劑脫附出的吸附質(zhì)質(zhì)量的變化關(guān)系。從實驗

11、結(jié)果看，單位質(zhì)量的復(fù)合吸附塊的脫附速度和最大脫附量均接近于沸石原粉，且高于沸石顆粒，而對于單位體積的吸附劑，復(fù)合吸附塊的吸附性能明顯高于后兩者。吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)是一個很重要的熱物性參數(shù)，在系統(tǒng)運行過程中它隨溫度和含水率(吸附量)的不同而變化。圖3中曲線A為在26時上述復(fù)合吸附劑塊在不同含水率下的導(dǎo)熱系數(shù)。圖中，曲線B為含硅溶膠沸石塊、曲線C為含CaCl2沸石塊和曲線D為意大利CNR-TAE研究所制作的沸石塊的導(dǎo)熱系數(shù)與吸附量之間關(guān)系。上述復(fù)合吸附劑塊在完全吸附時的導(dǎo)熱系數(shù)為0.22W（m.K），與文獻14報道的加聚苯胺的沸石復(fù)合物的接近。1.3制冷管結(jié)構(gòu)設(shè)計如何選擇制冷管的管徑是一個很復(fù)雜的問

12、題，它對填充量、脫附溫度和水蒸汽流阻等都有影響。這里不考慮吸附床內(nèi)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，而結(jié)合試驗結(jié)果，對問題進行簡化處理。脫附過程中照射在制冷管上的太陽輻射能為Qsolqsol.Dgl.dtDgl.qsoldt（1）其中用于吸附床升溫和脫附出吸附劑的有效熱量為吸附過程中吸附質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生的總冷量為QcM.x.Hfgcp.（TcondTev）（3）忽略Qc中的顯熱項，制冷管的性能系數(shù)為式中，qsol為太陽輻照度(Wm2），M為吸附劑質(zhì)量（kg），為吸附劑密度(kgm3），l為吸附床長度(m），Dg、Do和Di分別為玻璃管、吸附床和蒸汽通道的外徑（m），cp、cp，w分別為吸附質(zhì)和水的比熱容J（kg.

13、K），x1和x2分別為脫附過程結(jié)束時和吸附過程結(jié)束時的吸附量（kgkg），xx2x1，Hfg為吸附質(zhì)的蒸發(fā)潛熱（Jkg），Had為吸附熱(Jkg），Treg、Ta、Tcond和Tev分別為脫附溫度、環(huán)境溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度(），t為脫附時間(s）。蒸汽通道與吸附床的橫截面積之比(D2iD2o）和玻璃管外表面與吸附床外表面的距離（DgDo）2可近似認為是定值，于是由式(4)得到關(guān)于吸附床外徑的方程：c0.D2oDo20x、COP和qsol之間的關(guān)系可通過對已有太陽能吸附制冷系統(tǒng)的分析和實驗來選取。假定制冷管的脫附時間為8h，其間的太陽能平均輻照度為650Wm2，脫附終了時吸附床的平均溫度可達

14、到80。系統(tǒng)的COP為式中，循環(huán)效率cycle與加熱方式無關(guān)，由試驗確定約為46%12，而集熱效率coll可按太陽集熱器的熱效率計算：其中，1、2分別為蓋板、玻璃管的透過率，為吸附床的吸收率，Ul為熱損系數(shù)。計算得到coll約為29%，由此預(yù)計性能系數(shù)COP為13%。對制冷管進行電加熱模擬，循環(huán)周期為一天，當(dāng)脫附溫度為80時，吸附量的變化量x5，這樣由式(6)得到D0405mm。制冷管的冷凝器采用蛇形螺旋管，通過其內(nèi)冷卻水的自然對流進行換熱。一方面要使熱交換滿足循環(huán)達到最大脫附速率時的需要，另一方面又要使冷卻水在管道中的阻力系數(shù)足夠小。2實驗結(jié)果與分析實驗裝置如圖4所示，制冷管總長為1.5m，

15、其中吸附床段長度為0.92m，其內(nèi)填充820g（干重)、外徑為40mm、內(nèi)徑為11mm的中空復(fù)合吸附劑塊，玻璃管的外徑為45mm。在吸附床的外部套有外徑為56mm的玻璃管，起保溫作用。陽光從每天上午8點到下午3點照射到吸附床，實驗得到的吸附床溫度為其向陽面的溫度，通過一根放置在吸附床靠近玻璃管壁處的溫度計來測量。該溫度在下午2點左右達到最大，而吸附床的溫度低于測量溫度。在蒸發(fā)器的水中添加了少量制作復(fù)合吸附劑塊的粘結(jié)劑成分，以使蒸發(fā)溫度低于0，可用于制冰，同時又不影響工質(zhì)對的吸附性能。試驗中，吸附循環(huán)開始約3h后，蒸發(fā)器的管外開始有冰塊凝結(jié)。表1列出了典型的數(shù)天的實驗數(shù)據(jù)，圖5給出了制冷管連續(xù)4

16、天運行中吸附床溫度、蒸發(fā)器水量和太陽輻照度隨時間的變化關(guān)系。因未采取專門的太陽集熱裝置，吸附床對環(huán)境的散熱較大，其向陽面的溫度只能達到70多，吸附床的平均溫度更低于該值，吸附量的變化值x也僅為3%左右，在這種情況下，制冷管的性能系數(shù)COP約為8%。表1制冷管的部分實驗數(shù)據(jù)日期(年.月.日)輻照度(7h，MJm2）床溫(向陽面，）蒸發(fā)器水變化量(g）吸附量變化量(kgkg）氣溫()冷卻水溫(）性能系數(shù)(%)199710311497220825163281199711069766139171425142883199804282047824830243323357019980526210752703

17、321292133741998052717070235292530203180吸附床的集熱效果對系統(tǒng)的性能有很大的影響。圖6中比較了制冷管在有無外套管時的運行情況(第一天無套管)。兩者的吸附床向陽面溫度分別為53和78，COP分別為4.5%和7.6%。圖7所示為吸附量變化值x與吸附床向陽面溫度之間的關(guān)系，圖中較高的床溫通過在外套管外繞電熱絲輔助加熱得到。在脫附溫度為60110之間時，x與其近似成線性關(guān)系?？梢姼倪M集熱裝置，提高集熱溫度，可以大幅度提高系統(tǒng)的制冷量。文獻3、4、5、8報道，發(fā)生器溫度可達到95以上，如果本實驗吸附床向陽面的溫度也達到此值的話，x將達到5%，則COP將達到13%左右

18、。 3結(jié)論采用具有黑色表面的復(fù)合吸附塊作為吸附劑的玻璃管結(jié)構(gòu)的太陽能制冷管， 解決了吸附床的承壓與泄漏問題，使吸附床可以直接吸收太陽能，提高了對太陽能的有效利用， 從而使太陽能吸附制冷技術(shù)更具實用性。實驗表明，在未采取專門的集熱裝置，吸附床向陽面溫度僅為75左右的情況下，制冷管的性能系數(shù)可達到8%左右。目前正通過改進集熱裝置， 選用具有高透過率的玻璃材料和改進復(fù)合吸附塊外表涂層的吸收率等途徑來提高系統(tǒng)的性能。作者單位：劉震炎(上海交通大學(xué)動力與能源工程學(xué)院上海200030)盧允莊(上海交通大學(xué)動力與能源工程學(xué)院上海200030)王永堂(中國科技大學(xué)熱科學(xué)與能源工程系合肥230027)參考文獻：

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