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1、基于太阳能吸附式制冷中的新型吸附床的研究第22卷2006年第4期4月农业工程TransactionsoftheCSAEVO1.22No.4Apr.2006153基于太阳能吸附式制冷中的新型吸附床的研究兰青,夏朝凤,李明,唐润生(I.中国农业大学水利与土木工程学院,北京100062;2.云南师范大学太阳能研究所,昆明650092)摘要:该文对新型吸附床的结构做了设计说明,采用太阳光直接照射吸附床加热活性炭,用蜂窝状结构增强吸附床的传热.结果表明,直接加热活性炭可使吸附床内部在接受13.59MJ的能量后最高温度可达到l17,使用蜂窝状传热结构吸附床内的最大温差小于5,实测系统COP(系统制冷性能系
2、数)为0.157.通过对吸附床建立数学模型,对吸附床内的温度随太阳辐射能变化建立了计算模拟.关键词:吸附床;太阳能;热力循环;系统设计中图分类号:TK5l1.3文献标识码:A文章编号:10026819(2006)04015304兰青,夏朝凤,李明,等.基于太阳能吸附式制冷中的新型吸附床的研究J.农业工程,2006,22(4):153156.LanQing,XiaChaofeng,LiMing,eta1.AdsorbentbedwithnewstructurebasedonsolaradsorptionrefrigeratorJ.TransactionsoftheCSAE,2006,22(4):
3、153156.(inChinesewithEnglishabstract)0引言早在2O个世纪3O年代人们就对固体吸附式制冷进行了研究,不过当时无法在效率,功率上与压缩式制冷机相竞争,因而一直没有受到足够的重视.到了9O年代,随着人们对保护环境,节约能源的呼声越来越高,吸附式制冷的研究才得到了较快的发展.吸附式制冷的循环类型有基本型,连续型,连续回热型及对流热波型,目前真正做成功的样机只有基本型,连续型,连续回热型三种1.对对流热波型的研究主要进行了理论模拟,研究表明提高其系统性能和大幅度降低能量密度是一个难以协调的矛盾,因而真正实现起来困难重重.就上面三种类型的样机而言,在实验及理论模拟方面
4、都做了很多工作叫,前期工作已经做得比较完善.随着固体吸附式制冷的进一步发展,人们越来越希望吸附式制冷能市场化,现有的样机中实验及控制仪器仪表较多,使用复杂,且仪器仪表对系统的传热传质有所影响,同时增加了成本,因此设计一台实用化的样机很有必要.在吸附式制冷系统的实用化设计中,吸附床的设计是一个关键,要求吸附床在吸附式制冷系统循环的加热解吸过程中能尽快地将外界供给系统的能量传递给吸附床内的吸附剂,使吸附剂能脱附出制冷剂.同时,在冷却吸附过程中应使吸附床的显热及吸附热尽快地释放出来以便使吸附剂吸附制冷剂而产生蒸发制冷效果.因而改进吸附床的性能与吸附床的传热性能密切相关.在改进吸附床方面,许多学者做了
5、大量的工作,如采用管状结构的吸附器5,将吸附剂填充至收稿日期:20050420修订日期:20050826基金项目:教育部可再生能源先进材料与制备重点实验室开放基金项目作者简介:兰青,男,博士研究生,昆明云南师范大学太阳能研究所,650092.Email:lanqingzhaoynnu.edu.ca通讯作者:李明,教授,昆明云南师范大学物理与电子信息学院,650092.Email:lmdocynpublic.km.yn.ca金属管中,在金属管中央布置一根同心圆管作为制冷剂的传质通道,然后将金属管粘接到集热器的表面上;还有将吸附剂颗粒与导热性能较好的金属粉末或石墨混合I8,在文献9叩中也大量提到对
6、吸附床改进的方法.然而要将太阳能固体吸附式制冰机实用化还需进一步改进吸附床的系统性能.1吸附床的设计在设计吸附床时,我们着重于改善吸附床的传热和接受太阳能的性能上,并充分考虑了以往学者的成功及不足.如图1所示,为了使吸附床具有较好的传热特性,在吸附床内用2304片0.17mm的铜片将吸附床里面隔成蜂窝状,每个蜂窝状的尺寸为19.5mmX19.5mm×38mm,每个蜂窝状的孔里都填充活性炭.以往设计中,吸附床表面用金属铝板或钢板与吸附床焊接,然后在金属表面刷上黑板漆以增强其吸热能力,这样做可以增加与其相连的传热肋片的导热性,也可以保证系统的真空度,但传热热阻较大,影响吸附床升温.为了使
7、吸附床在吸收相同太阳能辐射的情况下,温度能够升得比较高,采用如下的设计方法,用一块厚4mm透过率为96%的钢化玻璃代替钢板,钢化玻璃与吸附床用硅铜密封胶进行密封,以使太阳直接照射吸附床,省去了中间的传热环节,减少传热热阻,使吸附床能够达到较高的解吸温度.由于吸附床中蜂窝肋片的引入,吸附床上下表面的热阻大大减少,吸附床上下面温差也将减少.为了防止钢化玻璃因负压而破碎,在吸附床里用七号槽钢做支架,同时也起到传热肋片的作用.在吸附床底部,为了使制冷剂畅通,用一块厚2mm打有4300多个直径为4mm圆孔的钢板做隔离,在钢板与吸附床底部空出20mm的间隔作为制冷剂的流动通道;为了防止活性炭从钢板的圆孔中
8、漏到底部制冷剂的通道中,堵塞制冷剂的流动,在活性炭与4ram的钢板之间用一张200目的不锈钢丝网将它们隔开,这样既不会使活性炭下漏,也不会因为加了一张隔离物而堵住了制冷剂的通道,同时吸附床的上下面各布置一个热电阻温度计(图1).154农业工程不锈钢丝网测温探头图1平板式太阳能吸附床结构图Fig,1Sketchoftheflatplateadsorbentbed经过一段时间的观测确保吸附床不泄漏方可将吸附器组装在外边框架上并在吸附床的底部与四周用聚氨脂材料发泡,以形成除吸附床吸热面外其余各面均具有良好的保温特性.单个吸附床装置的结构参数见表1.表1单个吸附床的结构参数Table1Paramete
9、rsofasingleadsorbentbed材料规格及数量吸附床的尺寸(长x宽×高)吸附床上表面的有效吸热面积/m吸附床壳体所选用材料吸附床内布置的传热肋片数量及尺寸吸附床金属壳体的质量/kg吸附床内所装填的活性炭质量/kg所充甲醇的总量/L1000mm×1000mm×50mm0,95碳钢(热轧角钢)2304片(厚0.17ram)45227,52数学模型的建立及求解2.1数学模型的建立对于平板式制冰机装置而言,吸附床接受太阳辐射能量后制冷剂被解吸,所解吸的制冷剂在夜间产生制冷效果,系统所产生的制冷量由所解吸的制冷剂决定.因而,系统的性能主要由吸附床接受太阳辐射能
10、量后所产生的制冷剂解吸量而定.对系统性能的分析,主要是对太阳能制冰机吸附床内吸附剂解吸制冷剂量的分析.图2为典型的太阳能制冰机吸附床结构,为对其求解,必须做出合理的简化.图2平板式制冰机吸附床结构示意图Fig.2Sketchoftheflatplateadsorbentbed假设吸附床内吸附剂的温度及压力分布均匀,则吸附床瞬态平衡方程为m:AJ(t)rd一(c,)+MC警+xMCp警+hd+Q(1)式中集热器面积,m;()投射到集热器表面上的总太阳辐射能,w/m;r玻璃板的透过率;a吸附床集热板的吸收率;吸附集热器金属的质量,kg;CP吸附器金属的比热,J/kg?K;C吸附剂的比热,J/kg?
11、K;Cpt制冷剂的比热,J/kg?K;QHt集热器对外环境的散热量,Wx单位质量吸附剂对制冷剂的吸附质量,kg/kg.对物理吸附而言,单位质量吸附剂对制冷剂的吸附质量X(kg?kg)可以用建立在吸附理论基础上的DR方程来描述(假定满足平衡吸附过程)1h.27一z.expJKI砉一1JI(2)式中K,吸附制冷工质对应的特征参数;平衡压力下被吸附物质对应的饱和温度,其中,K一0.33,一2.11,将2式对丁求导,得一dx=一(一1)z6(3dT一丁丁hd可由clausiusclapeyron方程求得1¨,此时T,一T(冷凝温度):hdRAT(4)对活性炭一甲醇而言,A=4432,R为普适
12、气体常数,R=8.314kJ?kg?K_.QH2=Q+Q6(5),Q可分别按下式计算:Q=UA(丁一T.)(6)Q6=U6A(丁一T.)(7)式中Q吸附集热器顶部热损失,W;Q吸附集热器底部热损失,W;U顶部热损系数,W/m?,其计算采用了文献14-精确的经验公式;U底部热损系数,W/m?;T集热板平均温度,;To环境温度,.2.2方程的求解对太阳能固体吸附式制冷而言,可把加热看成两个阶段:其一为从蒸发压力P(对应温度为T.)到冷凝压力P(对应温度为)下的等吸附率加热过程,在这一过程中,因制冷剂只有少量的解吸出来故此时dx一0;其二为对应冷凝压力P下的等压加热过程,此时PP,而方程2中的为对应
13、的饱和温度丁.可用对x对线两端列DR方程求得1h一(8)工对于等吸附率加热过程,dx一0.由式1可得dTAtI(t)raQHsdt一(MCP)+MaC+xMoCp对该方程离散为一一:At(9)第4期兰青等:基于太阳能吸附式制冷中的新型吸附床的研究鱼r(10)(MCP)+M.C+,ToM.Cexp一K(-一1)对于吸附率,可用丁.或丁代入DR方程求取,并补充初值条件后可得.72一z一z0(丁)exp一K(毒一1)(11)丁I.一T.2(12)丁I:一T(13)式中t吸附终了温度,;to蒸发温度,.由微分公式可得生dt一生dT塑dt(14)一1于是(1)式可变形为一dT一!二(15,dt(MCP)
14、+M.C+zM.C+hdx该式的离散可与(14)一样进行.式中,z,h分别与式(2),(3),(4)相对应,补充初值条件为丁f.一T(丁可由(8)式得出)(16)T一T(17)通过数值模拟计算,可以得到吸附床内吸附量随时间的变化曲线,如图3.静莲?时间图3吸附床内吸附量随时间的变化曲线Fig.3Variationcurveofdesorbedrefrigerantmasswithtime3结果与分析2004年4月5日在吸附床得到约13.59MJ能量后加入18的水7kg,第二天得到4.7kg的冰,2.3kg的冰水混合物,故其总能量为:(4.7×80+7×18)×41
15、84=2.13363MJ,因此其C0P一2.13363/13.590.157.在以上测试中由于布在吸附床内上表面的温度计损坏,因而无法测量出吸附床内上下面的温度差,因此重新在吸附床内布置测温探头,于2004年5月23日获得一组数据,见图5及图6.由图5,图6可以看出,吸附床在低温及温度从最高开始下降时其上下表面的温度差都非常小,最大温差不超过1.5,与文献-12中相差10以上已经有很大的改进了,说明采用新型蜂窝状的传热结构可增强吸附床内的传热,从而提高系统的性能;另一方面,图4中吸附床实际温度为吸附床下表面温度,可以看出实测值与模拟值比较吻合,这说明对样机进行数值模拟计算时假设吸附床内的温度均
16、匀,在吸附床内的上下面温度差不大时,理论计算能比较客观地反映真实情况.从图6中可看出,在l7:o0以后,吸附床内下表面的温度比上表面还高,这是因为,此时太阳辐射已经比较弱,吸附床上表面(顶部)对外辐射散热较吸附床下表面(底部)要快,因而其温度比下表面的低.磊磊磊8磊寓磊磊磊磊磊占二二若时间图4吸附床内温度理论与实测值Fig.4Simulatedtemperaturevaluesandexperimentalvaluesintheadsorbentbed8888昌88昌鲁昌昌矗§三鲞童三量莹兰鲎奎时间图5吸附床上下表面温度图Fig.5Topandbottomtemperatureint
17、headsorbentbed2.01.5U.器o.s0-0.5时问图6吸附床上下表面温度差图Fig.6Differencebetweentopandbottomtemperatureintheadsorbentbed图7是理想及实际的热力学循环图,由框形连成的曲线是实际测量的温度与压力之间的关系图,由图可以看出在加热过程即1一a实际的热力循环图要靠右偏,这是因为系统中有不凝气体存在,当系统被太阳加热时,不凝气体首先吸收热量而脱附出活性炭,使得甲醇在较高的温度下才能脱附,当温度对应的a点时,甲醇开始脱附,有多余气体存在时,系统压力会随吸附床的温度的升高而升高,使得甲醇不能在定压下解吸.当吸附床的
18、温度开始下降时,26理想的与实际的比较舳加加0u越赠156农业工程2006正相符,这是因为,当吸附床温度下降时,吸附床开始吸附,这些不凝气体被活性炭所吸附,此时系统压力与温度的关系与理想状况较为符合,只是活性炭吸附了不凝气体后,其有效比表面积减少,使得活性炭对甲醇的有效吸附微孔表面积减少,其结果是使得参加制冷循环的有效甲醇量减少,致使系统制冷性能下降,系统中存在不凝气体的主要原因是,活化时温度及时问不够,这就是样机在较高的温度及热传递情况下,系统制冷性能仍然不高的原因.6542-0采用新型结构的太阳能制冰机其效率有比较大的提高,对于太阳能制冰机走向实用化具有意义,并将推进太阳能吸附制冷装置商品
19、化的进程,为缺少常规能源的地区提供制冷手段.121-34560037-o.0036-o.0035-o.oo34-o.oo33-o.0032-o.oo31-o.oo30-o.oo29-o.oo287?zliT(K)r图7理想及实际的热力学循环图Fig.7Idealandactualthermodynamiccircularchart4结论和讨论本文基于吸附式制冷技术原理,研制开发了新型吸附床太阳能制冰机.经过实验及分析表明,吸附床在接受13.59MJ的太阳辐射能时,内部最高温度可达到117,最大温差小于5.实测系统COP为0.157.通过对吸附床建立数学模型,对吸附床内的温度随太阳辐射变化做了检
20、验,实测结果与模拟结果较吻合,说明在模拟计算时将吸附床看作是均匀温度场与实际是较相符的.由于研制时问短,实验装置仍然存在一些尚待完善的问题,如制冷效果尚未达到理想的效果,样机的密封性能应进一步提高,增加铜片对系统的热容影响等.89I-lO-I111213143参考文献王如竹,许煜雄,吴静怡.连续回热型吸附式制冷机的改进及运行实验J.工程热物理,1998,19(3):276278.PonsM,GuilleminotJJ.DesignofanexperimentalsolarpoweredsolidadsorptionicemakerJ.TransoftheASME(J.SolarEnergyEn
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25、AgriculturalUniversity,Beijing100083,China;2.SolarEnergyResearchInstitute,YunnanNormalUniversity,Kunming650092,China)Abstract:Inthisstudy,anewsolarsolidadsorptionicamakerwithhoneycombadsorbentbedandactivatedcarbonmethanolpairwasdevelopedandexamined.Experimentalresultsshowedthatthedirectlysolarirradi
26、atedadsorbentbedcouldeffectivelyincreasethebedtemperature,andamaximumbedtemperatureof117wasmeasured.Resuhsalsoindicatedthatthetemperaturedifferencebetweenthefrontandbacksurfaceofthebedwaslessthan5,andthisresultshowedthattheadsorbentbedwasexcellentintheheattransfer.ExperimentalresultsalsoindicatedthattheCOPofthesystemwasrelatedtoclimaticconditionsasobservedbyotherresearchers,andmaximumCOPof0.157wasfoundduringtheperiodofexperiments.Keywords:adsorbentbed;solarenergy;thermodynamiccircle;systemdesign