5.基于太陽能吸附式制冷的汽車除熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書(2)

1、基于太陽能吸附式制冷的汽車除熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)者：李佳，王瑩，章旺，張昊東，蘇航，張文迪，王任偉指導(dǎo)老師：黃曉明（副教授）何國庚（教授）（華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北，武漢430074）作品內(nèi)容及簡介通過理論學(xué)習(xí)與研究設(shè)計(jì)一套基于太陽能吸附式制冷的汽車除 熱系統(tǒng)。以夏季為例，在汽車停止運(yùn)行的過程中，夏季高溫會導(dǎo)致車 內(nèi)溫度驟升，同時(shí)產(chǎn)生有害氣體，通過除熱系統(tǒng)，可以預(yù)防汽車的高 溫危害，使車內(nèi)溫度保持在適宜溫度之下。參與除熱系統(tǒng)的包括集熱解析過程，冷凝過程，吸附制冷過程。通過這幾部分以及控制系統(tǒng)共同作用能高效的實(shí)現(xiàn)夏季汽車降溫，預(yù)防高溫對于汽車的性能損害。1. 設(shè)計(jì)背景及意義我國大部分

2、地區(qū)夏季白天室外溫度很高，眾多車主都有一個(gè)困擾，露天停車時(shí)，車內(nèi)溫度會升得很高，這個(gè)溫度呢一般可以到達(dá)60攝氏度。車內(nèi)高溫不僅嚴(yán)重影響乘車人員的體驗(yàn)，而且會降低車用配件的工作性能和使用壽命。然而對于汽車車載空調(diào)（使 用壓縮機(jī)制冷），這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是使用大量的電能； 二是停車后空調(diào)也停止運(yùn)行，車內(nèi)溫度迅速升高，當(dāng)乘車人員再 次回到車內(nèi)會非常不適應(yīng)，同樣也有損壞配件的問題。針對停車 時(shí)的高溫問題，我們一般會采取三種方法給它降溫：汽車空調(diào)， 遮陽板，或者是制冷噴霧，但是他們各自存在一定的缺點(diǎn)，那就 是耗能，效率低，甚至有毒。但給車內(nèi)降溫這個(gè)問題又迫在眉睫, 為了解決這個(gè)問題，我們設(shè)計(jì)了基于太

3、陽能吸附式制冷的汽車除 熱系統(tǒng)。我們采用太陽能吸附式制冷技術(shù)能夠有效解決這些問題。首 先，使用太陽能這一可再生能源能夠有效減少化石能源的消耗。 再者，與傳統(tǒng)的壓縮式制冷相比，固體吸附式制冷系統(tǒng)中幾乎沒 有運(yùn)動部件，噪聲大為減小，整體結(jié)構(gòu)較為簡單且運(yùn)行費(fèi)用不高, 并且系統(tǒng)使用的是自然工質(zhì)對，無污染。系統(tǒng)能夠持續(xù)運(yùn)行，始 終保持車內(nèi)溫度合適，對人對車均有很大益處。2. 設(shè)計(jì)方案木裝置主要分為太陽集熱解吸過程，冷凝循環(huán)過程，以及吸附制 冷過程三部分組成。主要設(shè)備有集熱器，吸附床，氣體儲存罐，液罐, 以及蒸發(fā)器。本裝置采用完全太陽能利用，采用清潔能源，由白天（制冷系統(tǒng) 和解吸過程）和夜間（冷凝準(zhǔn)備過程

4、）共同完成。制冷過程主要為吸 附床吸收氣態(tài)制冷劑，使蒸發(fā)器產(chǎn)生連續(xù)蒸發(fā)，在自然蒸發(fā)過程中能 夠吸收車內(nèi)的熱量，從而降低車內(nèi)溫度，防止危害的產(chǎn)生。太陽能集熱以及吸附床的解吸制冷劑的過程是主要利用太陽能的部分，通過太 陽能的集熱使制冷劑轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w儲存，為夜間自然冷凝過程奠定基 礎(chǔ)。以上部分為除熱系統(tǒng)在太陽能利用狀態(tài)下的白天工作部分，制冷 劑液化的工作是利用夜間的低溫狀態(tài)，使氣態(tài)制冷劑易于液化，轉(zhuǎn)為 液體進(jìn)入液罐儲存，為口天的蒸發(fā)器不斷提供液態(tài)制冷劑實(shí)現(xiàn)不斷蒸 發(fā)，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)的高效制冷。3. 工作原理及性能分析該系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：白天的脫附過程、口天的吸附制冷 過程、晚上的冷凝過程。在系統(tǒng)工作的

5、初始狀態(tài)，各部分都充斥著大量的制冷劑，吸附床 的吸附質(zhì)吸附著大量的制冷劑，儲液罐也存有大量的液態(tài)制冷劑。3. 1工作流程太陽能吸附制冷整體系統(tǒng)原理圖首先，這是我們制冷裝置的整體圖。它由吸附床、散熱裝置、儲 液罐、蒸發(fā)器和儲氣罐所組成。整個(gè)工作循環(huán)是制冷劑在口天從吸附 床脫出，到達(dá)散熱裝置，晚上通過自然冷卻變成液體，儲存在液罐， 在白天需要制冷時(shí)，制冷劑解析過程停止，同時(shí)將液體抽吸到蒸發(fā)器, 吸附床吸附制冷劑氣體，利用吸附床的負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)相變制冷。3. 2工作原理在系統(tǒng)的整個(gè)工作時(shí)間段，分別有脫附、吸附制冷和冷凝三種工 作狀態(tài)。吸附床開關(guān)氣擢B工作流程圖脫附過程：在這里我們利用的是玻璃溫室加熱吸附

6、床，此時(shí)僅吸 附床和散熱裝置工作，制冷劑從吸附床中脫出，因?yàn)榘滋斓臅r(shí)候，除 了需要制冷時(shí)，這個(gè)部分都是在工作的，所以我們可以確保制冷劑完 全從吸附床中脫出，儲存到散熱裝置里。在工作過程中，通過控制系 統(tǒng)控制閥門2/3/4關(guān)閉閥門1打開，僅令吸附床和儲氣罐A相連工 作，在早上太陽光照射吸附床，利用溫室效應(yīng)使吸附床升溫，吸附質(zhì) 開始解析制冷劑，制冷劑通過管道流到儲氣罐A中儲存，以待晚上冷 凝。吸附制冷過程：這一過程是我們制冷系統(tǒng)的主要部分，此時(shí)，通 過控制系統(tǒng)控制閥門1關(guān)閉，閥門2/3/4打開，使吸附床與散熱裝置 斷開，玻璃溫室打開，其他裝置全部連通工作。蒸發(fā)器利用毛細(xì)抽吸 作用將液體抽吸到毛細(xì)芯

7、，液體在毛細(xì)芯表面受熱蒸發(fā)，匯聚到集氣 腔離開，同時(shí)，吸附床解析過程停止，由于玻璃溫室打開，吸附床降 溫，吸附床能吸附氣態(tài)的制冷劑，從而形成負(fù)壓，使我們的蒸發(fā)能緩 慢而持續(xù)的進(jìn)行。當(dāng)吸附床達(dá)到一定的飽和，氣態(tài)制冷劑儲存在儲氣 罐B中，由于毛細(xì)芯的繼續(xù)蒸發(fā)，進(jìn)而形成高壓進(jìn)一步促進(jìn)吸附床吸 附制冷劑，在制冷劑持續(xù)的蒸發(fā)相變過程中達(dá)到給汽車降溫的目的。冷凝過程：到了晚上，通過控制系統(tǒng)控制閥門1/3/4關(guān)閉閥門 2打開，僅讓儲氣罐A和儲液罐相連，其他裝置全部斷開。由于晚上 的自然降溫，儲氣罐中的液態(tài)制冷劑開始液化并流入儲液罐中儲存以 供第二天的制冷過程使用，此時(shí)，只有冷卻部分工作。系統(tǒng)主要構(gòu)件有吸附床

8、和蒸發(fā)器。3. 3系統(tǒng)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)與原理介紹(1)吸附床的結(jié)構(gòu)和工作原理。下面的長方體容器是吸附床用 來裝吸附質(zhì)，上面這個(gè)比較窄小的長方體全部為玻璃材質(zhì)，在白天經(jīng) 太陽光照射，加熱玻璃容器中的空氣形成溫室效應(yīng)，再間接地給吸附 床傳熱形成高溫開始脫附過程。當(dāng)我們需要制冷時(shí)，可以將上方的玻 璃容器兩個(gè)側(cè)而通過控制系統(tǒng)打開，由于玻璃容器內(nèi)外存在的溫度差 從而形成對流，來降低吸附床的溫度，使吸附床在制冷過程中吸附制 冷劑，形成系統(tǒng)低壓，產(chǎn)生持續(xù)制冷。吸附床歸構(gòu)原理圖(2)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理，蒸發(fā)器利用毛細(xì)抽吸作用將液 體抽吸到毛細(xì)芯，液體在毛細(xì)芯表面由于車內(nèi)高溫使制冷劑受熱蒸 發(fā)，制冷劑產(chǎn)生相變，

9、吸收車熱量，達(dá)到制冷的效果，同時(shí)，蒸發(fā)形 成的氣態(tài)制冷劑內(nèi)匯聚到集氣腔，通過管道進(jìn)入吸附床，實(shí)現(xiàn)持續(xù)蒸 發(fā)制冷。蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)原理圖4汽車熱負(fù)荷的計(jì)算(以武漢市為例計(jì)算)4. 1太陽輻射熱(1) 直射輻射強(qiáng)度水平而上的直射輻射強(qiáng)度：Lsin垂直而上的直射輻射強(qiáng)度：IC=INSin COS()其中A地球表而上與太陽光線垂直平而上的太陽直射輻射(法線直射輻射強(qiáng)度):Ix=IOr車體一太陽方位角，太陽輻射線在水平面上的投影與車體法線的夾角， =Aa太陽高度角；A太陽方位角；a車體方位角：車體法線偏離南向的角度。太陽高度角Sin =sin sin +cos COS COS 其中：3為時(shí)角，以中午12點(diǎn)為0

10、 ,超過中午12點(diǎn)每一小時(shí) 為 15 ,如上午 10 點(diǎn)為-30。&為赤緯角,=23.45sin(360(284+n) /365) , n為一年中從1月1日算起的天數(shù)。巾為當(dāng)?shù)氐木暥?。武漢 地區(qū)d)=30取8月1號，243。取時(shí)間為2點(diǎn)，時(shí)角=30o赤緯角 =23. 45Sin (360 (284+n ) /365) =23. 45Sin ( 360 (284+243) /365) =7. 725太陽高度角 Sin =Sin Sin +cos COS COS =0. 8104 =54. 135COSA=(Sin B Sin -sin )cos COS =0. 53368oA=57. 740取車

11、體方位角a=0,則 =A=57. 74o o(2) 散射輻射強(qiáng)度對于水平面上的散射輻射強(qiáng)度，其值可用以下的BerIage公式計(jì)算Is. =0. 5I0sin (I-Pb) /1T.4 (InP)J垂直平而上的散射輻射強(qiáng)度Ic. =0. 5Is,s其中I0太陽常數(shù)，I=1353Wnf;P大氣透明度，一般為0. 65 - 0. 75,考慮到一般水平取P=O. 7；m大氣質(zhì)量，m-l/sin =1. 23396Ix=IOPiI二 1353 X0. 7123396=871. 274Wm2(3) 太陽總輻射強(qiáng)度水平而上的總輻射強(qiáng)度II Is, s垂直平而上的總輻射強(qiáng)度IC=Ic =+0. 5 (I-+I

12、d)其中Io地面反射輻射強(qiáng)度，wfIS=INSin B =871. 274 0. 8104=706. 08Wm2Ic. =Insin COS =871. 274 X cos54. 135 o cos57. 74 o =272. 4222Wm2Is, =0. 5I0sin (I-PBI) /1T.4 (InP)I =O. 5 1353O. 8104 ( 1-0. 71 23396) / ( 11. 4 InO. 7) =130. 18686W m2Ic. s=0. 5Is=65. 09343Wm2水平面 I=I+I,s=706. 08+130. 18686=836. 27Wm2地而輻射 Id=O

13、. 31 =250. 881Wm2垂直而 Ic=430. 46Wm2(4) 陽光通過玻璃的熱輻射量Qci= (L=+I=,s) s1+ (ic. 5+c. s) s2 n其中:Sl為玻璃的水平投影而積,可以在玻璃的三維數(shù)據(jù)中測得, 單位為 s?為垂直投影面積，可以在玻璃的三維數(shù)據(jù)中測得，單位 為 H為陽光通過玻璃的透過系數(shù)，國標(biāo)3mm白玻璃的透過率稱為航向比 H, H= n =0. 889前擋風(fēng)玻璃 Ql= (IS+IcS2) =900. 975IW全玻璃 QI =2Q1=1801. 9502W4. 2車窗傳導(dǎo)熱汽車玻璃傳熱系數(shù)取Kg二3. 5Wm2. k,玻璃面積前風(fēng)擋約1. 0875f車窗

14、玻璃約1. 8164卅后風(fēng)擋o. 9285 m2,不考慮車外空氣對流對于車玻璃的溫度影響，則溫度差恒定為t=60C, S=S+S2+S3=l. 0875+1. 8164+0. 9285=3. 8324 m2根據(jù)公式 Q2=KS*t=80. 4804W總熱負(fù)荷功率：Q二Q：總+Qz=1882. 4324W5. 工質(zhì)對的計(jì)算甲醇蒸發(fā)制冷量：Qref=MCLC XLC為甲醇汽化潛熱，Mc為甲醇質(zhì)量，Qref為甲醇蒸發(fā)制冷量，X=XcOnC-XdiIo其中，Xdil為高溫脫附時(shí)活性炭對甲醇的吸附率，XCOnC為蒸發(fā)冷凝過程活性炭對甲醇的吸附率，吸附率與溫度有關(guān)。甲醇分子量32. 042溫度蒸汽壓汽化熱

15、密度熱容度毫米汞柱卡/克分子千克/升卡/克分子*攝氏度30163. 8490500. 794319. 39PS:1 卡=4. 1858JX=XOeXP-K (TTs-l) n 其中XO、K及n為吸附對的特征常數(shù),其中和XO與室溫TS相關(guān)X為溫度T下單位質(zhì)量活性炭對甲醇的吸附質(zhì)量(kg/kg)選取兩種活性炭ACFI與ACF2進(jìn)行比較，設(shè)定蒸發(fā)冷凝溫度為303K,高溫脫附溫度為363K,選取午間最熱的兩個(gè)小時(shí)Qref=P*t=1882. 4324Js*3600*2s二13553. 5kJLc=9050*4. 1858Jg二37. 881kJg根據(jù)公式二得到下表：TS (K)XO(kgkg)KnXd

16、iIXCOnCXACFI297. 20. 68210. 841. 210. 6220. 1190. 503ACF2295. 50. 66210. 941. 310. 6060. 1360. 47PS:X0為活性炭對甲醇的最大吸附量根據(jù)公式一得到下表甲醇質(zhì)量(g)甲醇體積(L)活性炭質(zhì)量(kg)活性炭體積(L)ACFI711. 3150.9001. 14362. 29ACF2761. 2590.9641. 25622. 51PS:活性炭對甲醇的吸附率為溫度為303. 15K時(shí)的吸附率，此時(shí)甲醇密度為790gL,活性炭密度為500gLo6. 創(chuàng)新點(diǎn)(1) 應(yīng)用創(chuàng)新我們的系統(tǒng)最初便是針對于汽車方面的應(yīng)用創(chuàng)新，它能夠解決汽 車停車時(shí)的降溫與制冷問題通過太陽能制冷裝置解決汽車停車狀態(tài) 下溫度過高的問題，同時(shí)，避免了由于正午的太陽暴曬導(dǎo)致汽車內(nèi)部 的咼溫造成一定的危害。(2) 新型清