一种新颖的太阳能制冷管及其性能实验研究.doc

太阳能学报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA 2000 Vol.21 返回一种新颖的太阳能制冷管及其性能实验研究刘震炎卢允庄 王永堂摘要：一种新颖结构的太阳能吸附制冷管，其吸附床由一种具有高强度、高吸附性能和导热性能，并对太阳能具有高吸收率的复合吸附剂块组成。与已有的太阳能制冷系统相比，每根冷管自成一个制冷系统，结构简单，密封性好，同时吸附床可直接吸收太阳辐射，提高了对太阳能的有效利用。实验表明，在未采用专门的集热装置、吸附床向阳面温度仅为75左右的情况下，冷管的性能系数可达8%左右。关键词：太阳能，吸附制冷，冷管，复合吸附剂块A NOVEL SOLAR COOLING 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 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 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 the 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年来，太阳能固体吸附式制冷技术在环保和节能等方面显示出巨大优越性，成为各国竞相研究的热点课题。为使吸附制冷成为一种实用化的制冷方式，众多学者在吸附工质对及其吸附机理、吸附制冷的系统结构、改善吸附床传热传质1，4以及相关的关键技术研究2等方面进行了大量的工作。目前，已研究开发多种吸附式太阳能制冷机311，按集热方式的不同，大致可将其分为两类：第一类，吸附发生器同时作为太阳能集热器。系统的整个吸附发生器一般为一个扁方的金属盒，外表面涂成黑色，以吸收太阳能。这种系统的优点是结构较为紧凑，吸附剂的填充量大。但在负压条件下，金属盒的上下表面承压能力非常小而易于变形，甚至导致泄漏；另外由于吸附剂固有的导热系数低，吸附层厚度大，使得达到吸附平衡的时间较长。MPons等5对该结构进行了改进，在扁金属盒内加了许多翅片，既起加强筋作用，增加上下表面的承压能力，同时改善传热效果，但仍不能解决吸附床的泄漏问题。SO Enibe7采用多管组合式吸附床，将管道与集热板连成一体，使吸附床的承压能力大为增强，与扁盒式结构相比，也降低了泄漏的几率，但工艺比较复杂，且金属材料所占的重量比大。另一类，太阳集热器和吸附发生器分开，采用单独的太阳集热器。如N K Bansal等8采用的SrCl2NH3吸附制冷装置，利用热管式真空管太阳集热器吸收太阳能，再将能量传给发生器。这种结构的集热效率高，热源温度也较高，缺点是结构较复杂，且热量转换多了一个环节，加大了能量的不可逆损失。上述太阳能吸附制冷装置的构架均采用金属材料，由集热器的吸收板接受太阳辐射，再通过热传导加热吸附发生器。研究表明13，吸附床与金属板之间的接触热阻对吸附床的传热过程影响很大，它在吸附床的表面附近造成很陡的温度梯度。因吸附床不能直接接收太阳辐射，故未能有效利用太阳能。针对上述吸附发生器的缺点，我们提出一种新颖的玻璃管结构的吸附式太阳能制冷管，并对单管的性能进行实验研究。1太阳能制冷管1.1制冷管简介制冷管的结构如图1所示，其外部为玻璃管，一根制冷管即为一个制冷单元。制冷管的上端为吸附床段，内填我们研制的中空圆柱型复合吸附剂块；中部为冷凝段，外接水箱，利用水的自然对流进行冷却；下端为蒸发段，内填制冷剂。当需要较多冷量时，可把多根制冷管组合使用。该制冷管具有以下优点：(1)结构简单，适合批量生产；(2)玻璃管易于密封，且可长期维持较高的真空度而不泄漏；(3)吸附剂高效吸收太阳能，内部传热热阻低，并减少了传热的中间环节；(4)多管系统中某根制冷管一旦损坏，可及时调换，不影响其它冷制管的运行。在文献12中我们已经提到这种结构太阳能制冷管，但因当时采用的吸附床由颗粒状的吸附剂组成，床内的热阻较大，影响了系统的制冷性能。本文报道的制冷管采用块状复合吸附剂作为吸附床，并对制冷管结构作了改进。1.2复合吸附剂块太阳能吸附制冷系统采用的吸附工质对主要有活性碳-甲醇、沸石-水和CaCl2-NH3等，它们各有优缺点。但考虑沸石-水完全无毒性，对环境的适应能力强等，故采用沸石-水作为吸附工质对。因沸石粉和沸石颗粒的填充密度和导热系数都很低，有必要将沸石制成块状。复合吸附剂块的成分以13X沸石粉为主，制作中将沸石粉与某种对水具有较好吸附性能的硅溶胶类粘结剂混合后加压成型，再在其表面涂以活性碳，以有效吸收太阳能，同时不影响吸附剂的吸附性。对该复合吸附剂块的吸附性能和导热性能进行了测试。图2-A所示为复合吸附块与13X沸石粉、13X沸石颗粒的吸附性能的比较，其中沸石粉样品为不加粘结剂而直接加压成型，脱附温度为100。图2-B所示为对应于单位体积(100ml）吸附剂脱附出的吸附质质量的变化关系。从实验结果看，单位质量的复合吸附块的脱附速度和最大脱附量均接近于沸石原粉，且高于沸石颗粒，而对于单位体积的吸附剂，复合吸附块的吸附性能明显高于后两者。吸附剂的导热系数是一个很重要的热物性参数，在系统运行过程中它随温度和含水率(吸附量)的不同而变化。图3中曲线A为在26时上述复合吸附剂块在不同含水率下的导热系数。图中，曲线B为含硅溶胶沸石块、曲线C为含CaCl2沸石块和曲线D为意大利CNR-TAE研究所制作的沸石块的导热系数与吸附量之间关系。上述复合吸附剂块在完全吸附时的导热系数为0.22W（m.K），与文献14报道的加聚苯胺的沸石复合物的接近。1.3制冷管结构设计如何选择制冷管的管径是一个很复杂的问题，它对填充量、脱附温度和水蒸汽流阻等都有影响。这里不考虑吸附床内复杂的传热传质过程，而结合试验结果，对问题进行简化处理。脱附过程中照射在制冷管上的太阳辐射能为Qsolqsol.Dgl.dtDgl.qsoldt（1）其中用于吸附床升温和脱附出吸附剂的有效热量为吸附过程中吸附质蒸发产生的总冷量为QcM.x.Hfgcp.（TcondTev）（3）忽略Qc中的显热项，制冷管的性能系数为式中，qsol为太阳辐照度(Wm2），M为吸附剂质量（kg），为吸附剂密度(kgm3），l为吸附床长度(m），Dg、Do和Di分别为玻璃管、吸附床和蒸汽通道的外径（m），cp、cp，w分别为吸附质和水的比热容J（kg.K），x1和x2分别为脱附过程结束时和吸附过程结束时的吸附量（kgkg），xx2x1，Hfg为吸附质的蒸发潜热（Jkg），Had为吸附热(Jkg），Treg、Ta、Tcond和Tev分别为脱附温度、环境温度、冷凝温度和蒸发温度(），t为脱附时间(s）。蒸汽通道与吸附床的横截面积之比(D2iD2o）和玻璃管外表面与吸附床外表面的距离（DgDo）2可近似认为是定值，于是由式(4)得到关于吸附床外径的方程：c0.D2oDo20x、COP和qsol之间的关系可通过对已有太阳能吸附制冷系统的分析和实验来选取。假定制冷管的脱附时间为8h，其间的太阳能平均辐照度为650Wm2，脱附终了时吸附床的平均温度可达到80。系统的COP为式中，循环效率cycle与加热方式无关，由试验确定约为46%12，而集热效率coll可按太阳集热器的热效率计算：其中，1、2分别为盖板、玻璃管的透过率，为吸附床的吸收率，Ul为热损系数。计算得到coll约为29%，由此预计性能系数COP为13%。对制冷管进行电加热模拟，循环周期为一天，当脱附温度为80时，吸附量的变化量x5，这样由式(6)得到D0405mm。制冷管的冷凝器采用蛇形螺旋管，通过其内冷却水的自然对流进行换热。一方面要使热交换满足循环达到最大脱附速率时的需要，另一方面又要使冷却水在管道中的阻力系数足够小。2实验结果与分析实验装置如图4所示，制冷管总长为1.5m，其中吸附床段长度为0.92m，其内填充820g（干重)、外径为40mm、内径为11mm的中空复合吸附剂块，玻璃管的外径为45mm。在吸附床的外部套有外径为56mm的玻璃管，起保温作用。阳光从每天上午8点到下午3点照射到吸附床，实验得到的吸附床温度为其向阳面的温度，通过一根放置在吸附床靠近玻璃管壁处的温度计来测量。该温度在下午2点左右达到最大，而吸附床的温度低于测量温度。在蒸发器的水中添加了少量制作复合吸附剂块的粘结剂成分，以使蒸发温度低于0，可用于制冰，同时又不影响工质对的吸附性能。试验中，吸附循环开始约3h后，蒸发器的管外开始有冰块凝结。表1列出了典型的数天的实验数据，图5给出了制冷管连续4天运行中吸附床温度、蒸发器水量和太阳辐照度随时间的变化关系。因未采取专门的太阳集热装置，吸附床对环境的散热较大，其向阳面的温度只能达到70多，吸附床的平均温度更低于该值，吸附量的变化值x也仅为3%左右，在这种情况下，制冷管的性能系数COP约为8%。表1制冷管的部分实验数据日期(年.月.日)辐照度(7h，MJm2）床温(向阳面，）蒸发器水变化量(g）吸附量变化量(kgkg）气温()冷却水温(）性能系数(%)199710311497220825163281199711069766139171425142883199804282047824830243323357019980526210752703321292133741998052717070235292530203180吸附床的集热效果对系统的性能有很大的影响。图6中比较了制冷管在有无外套管时的运行情况(第一天无套管)。两者的吸附床向阳面温度分别为53和78，COP分别为4.5%和7.6%。图7所示为吸附量变化值x与吸附床向阳面温度之间的关系，图中较高的床温通过在外套管外绕电热丝辅助加热得到。在脱附温度为60110之间时，x与其近似成线性关系。可见改进集热装置，提高集热温度，可以大幅度提高系统的制冷量。文献3、4、5、8报道，发生器温度可达到95以上，如果本实验吸附床向阳面的温度也达到此值的话，x将达到5%，则COP将达到13%左右。 3结论采用具有黑色表面的复合吸附块作为吸附剂的玻璃管结构的太阳能制冷管， 解决了吸附床的承压与泄漏问题，使吸附床可以直接吸收太阳能，提高了对太阳能的有效利用， 从而使太阳能吸附制冷技术更具实用性。实验表明，在未采取专门的集热装置，吸附床向阳面温度仅为75左右的情况下，制冷管的性能系数可达到8%左右。目前正通过改进集热装置， 选用具有高透过率的玻璃材料和改进复合吸附块外表涂层的吸收率等途径来提高系统的性能。作者单位：刘震炎(上海交通大学动力与能源工程学院上海200030)卢允庄(上海交通大学动力与能源工程学院上海200030)王永堂(中国科技大学热科学与能源工程系合肥230027)参考文献：1Z Y Liu,Z M Fu,et al.Experimental and Numerical Investigation of Enhancement of Heat and Mass Transfer in Adsorbent Beds.Thermal Science,1994,3（2）：1871902王如竹,藤毅等.固体吸附式制冷的关键技术研究.太阳能学报,1998,19(1)：20293Ph.Grenier,J J Guilleminot,et al.Solar Powered Solid Adsorption Cold Store.Solar Energy Engineering,1988,110：192-1974D I Tchernev.The Use of Zeolite for Solar Cooling.Proc.of the 5th Int.Conf.on Zeolite,1980,788-7945M Pons,J J Guilleminot.Design of an Experimental Solar-Powered,Solid-Adsorption Icemaker.Solar Energy Engineering,1986,108：332-3376S O Enibe,O C Iloeje.Transient analysis and performance prediction of a solid absorption solar refrigerator.Solar Energy.1997,60（1）：43-597Stc.Headley,A F 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