（农业生物环境与能源工程专业论文）太阳能连续式固体吸附制冷机设计与关键部件传热数值模拟.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：程衰武 2 0 0 5 年6 月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权云 南师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：奄莹囊武 2 0 0 5 年6 月5 日 太阳能连续式固体吸附制冷机设计与关键部件传热数值模拟 环境与能源问题是当今世界发展面临的两大问题。世界范围内。由最客观、最直接的层 两来看，社会、经济的发展是以工程技术的开发应用推动实现的。在满足环境保护的需要的 基础上满足现实客观世界发展的需求，是工程技术开发应用必须考虑的根本出发点。节约能 源及开发应用清洁环保型能源，是工程技术的能源利用的方向。 在制冷技术领域，进行环保节能型制冷技术的研究、开发、应用，是研究开发的基本出 发点与重要方向，亦为国内外制冷技术发展的当前潮流与趋势。由此，本论文进行太阳能驱 动连续式吸附制冷机的设计，并进行相应关键部件吸附床的数值模拟计算。连续式吸附制冷 机的应用可拓宽问歇式吸附制冷机的应用范围，虽然存在经济性、稳定性等问题，但经过技 术、理论的积累与发展，开发其优势，并应用太阳能等清洁能源，可大规模应用于建筑空调 制冷等广泛领域。这些领域现阶段应用的大都是高比例能耗，并对环境造成危害的能源形式。 吸附式制冷为热量驱动的制冷形式，其驱动热源的温度要求不太高。可利用余热及太阳能等 清洁、节能型能源，为较理想的环保节能型制冷技术形式。太m 能为无资源成本、环保型的 能源，在需要空凋制冷的炎热季肖，又恰是太阳能资源最佳季节，这两个特点决定了太阳能 驱动吸附制冷的优势。吸附制冷的间歇性限制了其应用范围，研究开发连续式太阳能驱动连 续式吸附制冷技术，其人规模应用成为可能，具有相当的环保节能意义。 本论文以系统分析与集成的方法，由吸附循环的基本理论分析出发，设计形成了满足连 续供冷要求的吸附制冷机的连续制冷效应，及制冷机各系统。由系统分析及集成的方法进行 设计，更清晰、全面、完整、连贯。对制冷机运行的丁况进行了详尽的分析，据此设计由阀 | j 启闭控制的自控系统，以实现制冷机连续制冷的运行。由对制冷机运行相应的吸附循环的 详细分析，设计形成制冷机各系统的运行方式、系统组成、设备管路的型式选定，算式的确 定等。在此基础上，进一步的r 作，即可进行具体的设计计算、图纸绘制及样机制作。 文中对连续式吸附制冷机关键部件吸附床的温度、压力参数分布及其动态变化进行了模 拟计葬。给出了各阶段差分形式的传热方程纽的详尽的算法分析，及编制求解相应阶段吸附 床的温度、压力参数动态分布数值解的f o r t r a n 语言程序的详细方法由此编制的数值 计算程序，可作为通用程序席用。实际计算时，适当调试，可得数值解。各阶段传热方稃纽 的建立，由对吸附床进行详细的传热分析形成，并采用符合实际的第一类边界条件。由最简 差分模式建立差分形式的边界条件方程式并推广到一般情形更清晰、简便。模拟计算部分为 按制冷机设计进行数值模拟，不是检验装置性能的模拟计算。制冷机的实际运行是由完整循 环进行，不是仅运行菜一阶段，所以本论文依据确定设计参数后的制冷机循环，建立完整循 环各个阶段的传热方程组。完整循环各个阶段的传热方程纽是符合制冷机运行实际的。并由 备个阶段的传热方程组进行的模拟计算结果，作为设计调整、优化的依据。对制冷机循环的 传热学，热力学分析建立理论上系统、完整反映吸附床温度、压力动态变化的数学模型。吸 附制冷机的设计要求对吸附机系统的运行各阶段的复杂多变系统状况全面深入地认识，论文 对吸附床各阶段的温度、压力变化进行了详细分析，并依循环确定了吸附制冷机的设计要求 的各状态点的设计参数。 本论文对实际应削的吸附式制冷的主要问题均有涉及模拟计算与吸附机设计力图洋尽 细致，层层叠进，对于相似的其它形式的吸附制冷形式及其涉及能蜒转换的丁程虑_ l j 问题， 有普遍参考意义。 关键词太r 1 能连续式吸附制冷机数值模拟 2 太阳能连续式固体吸附制冷机设计与关键部件传热数值模拟 a b s t r a c t e n v i r o n m e n ta n de n e r g ya r et w om a i np r o b l e m st h ep r e s e n tw o r l db e i n gd e e p l yp u z z l e db y i n t h ew o r l dw i d e ，f r o mt h em o s td i r e c ta n g l e ，t h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n ds o c i e t ya l lp r o m o t e d b yt h ea p p l i c a t i o na n de x p l o i to f e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y t h er a d i c a ls t a r t i n gp o i n to f r e s e a r c ha n d e x p l o i to fe n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yi st h a ts a t i s f yt h ed e s i r eo ft h ed e v e l o p m e n to ft h i s r e a l i s t i c w o r l d ，t h es a m et i m e ，c o n s i d e rh o wt op r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t s a v i n ge n e r g ya n du t i l i z a t i o no f c l e a ne n v i r o n m e n t f r i e n d l ye n e r g yi st h ed i r e c t i o no fw a yo fu s i n ge n e r g yi ne n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n a r o u n dt h ew o r l d ，i nt h ea r e ao fr e f r i g e r a t i o na n da i r - - c o n d i t i o n i n gt e c h n o l o g y , e x p l o i to f r e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g y t h a ta r ee n v i r o n m e n t - - f r i e n d l ya n de n e r g y - - s a v i n ga r et h em o s t i m p o r t a n tt r e n d a n d s u c haw a yo fr e s e a r c ha n de x p l o i ti sab a s i cs t a r t i n g p o i n to fn e w r e f r i g e r a t i o na n da i r - - c o n d i t i o n i n gt e c h n o l o g y s ot h i s d i s s e r t a t i o nd e s i g n sas o l a r - p o w e r e d c o n t i n u a l yc o o l i n gs t ) ，l es o l i da d s o r p t i o nr e f r i g e r a t o r , a n db yn u m e r i c a lm e t h o ds i m u l a t e st h e a d s o r p t i o nb e da sac r i c i a lc o m p o n e n t o ft h ew h o l er e f r i g e r a t o r t h ed e s i g no fc o n t i n u a l yc o o l i n g s t y l e s o l i da d s o r p t i o n r e f r i g e r a t o r c a n e x p a n d t h e a p p l i c a t i o ns p h e r e o f a d s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n ，t h o u g h t h e r ea r es t i l ls o m ed i f f i c u l t ys u c ha ss t a b i l i t ya n dh i 曲e c o n o m i c a l i n v e s t m e n ta n ds oo n ，b yt h ew a yo fd e v e l o p i n ga n da c c u m u l a t i n go ft e c h n o l o g y , e l a b e r a t i n gt h e a d v a n t a g e ，a n du t i l i z i n gs o l a re n e r g ya n do t h e rc l e a ne n v i r o n m e n t - - f r i e n d l ye n e r g y , i tc a nb e w i d e l ya p p l i c a t e di n t h ea i r - - c o n d i t i o n i n go fb u i l d i n ga n do t h e rc o r r e s p o n d e n ta r e a si nl a r g e s c a l e ，i nf a c tp r e s e n t l yh i g h l yc o n s u m i n ga n de n v i r o n m e n tp o l l u t i n ge n e r g yf o r ma r em a i n l yu s e d i nt h e s ea r e a s a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ni sd r i v e nb yt h e r m a l ，a n dn e e dn o tv e r yh i g ht e m p e r a t u r e d r i v e nt h e r m a l s oi t i sa ni d e a e n e r g y - - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t - - p r o t e c t i n gr e f r i g e r a t i o n t e c h n o l o g ys t y l e f o ru s i n gs o l a re n e r g y ，t h e r ea r en o ta n yr e s o u r c ec o s t ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h eh o t w e a t h e ri si u s tt h et i m et h a tt h es o l a rr a d i a t i o ni ss t r o n gw h i c hc a nj u s tb eu s e da sd r i v e n t h e r m a l t h e s et o oc h a r a c t e r i s t i cd e t e r m i n et h ea d v a n t a g ea n dp r i o r i t yo f s o l a re n e r g y i n t e r m i t t e m c h a r a c t e r i s t i co fa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n i s al i m i t a t i o no fi t sl a r g e - - s c a l ea p p l i c a t i o n l a r g e - - s c a l ea p p l i c a t i o nc o u l db er e a l i z e db yt h er e s e a r c ha n de x p l o i to ft h et e c h n o l o g yo f s o l a r - - p o w e r e dc o n t i n u a l yc o o l i n gs t y l e s o l i d a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ，a n d h a v es p e c i a l e n e r g y - - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t - - p r o t e c t i n gi m p l i c a t i o n b yd e c o m p o s i n ga n dc o m b i n i n gi ns y s t e m a t i c a lm e t h o d t h ed e s i g ni nt h i sd i s s e r t a t i o nf o r m s t h ec o n t i n u a l yc o o l i n ge f f e c tw h i c ht h ec o n t i n u a l yc o o l i n gs t y l es o l i da d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o r d e m a n d ，a n dt h ee v e r ys u b - - s y s t e mo ft h ee n t i r er e f r i g e r a t i o rs y s t e m t h ed e s i g nb e c o m em o r e c l e a r , i n t a c t ，o v e r a l la n dc o n s i s t e n tt h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e sd e t a i la n a l y s i so fe v e r yr u n n i n gs t a t e o ft h er e f r i g e r a t o l a n da c c o r d i n gt os u c ha na n a l y s i s ，d e s i g n st h ea u t o m a t i cs y s t e mw h i c hf o r m e d b yt h eo p e na n dc l o s eo ft h ev a l v e s ，s ot h er u n n i n go ft h er e f r i g e r a t o rc a nb er e a l i z e d b yt h ed e t a i l a n a l y s i so fa d s o r p t i v er e f r i g e r a t i o nt h e o r yc y c l e ，t h e r e f o r m st h er u n n i n gw a yo ft h ee v e r y s u b - - s y s t e mo fr e f r i g e r a t i o r , c o m p o s i n go ft h ee n t i r es y s t e m ，c h o s i n go ft h es t y l eo tt h ep i p ea n d c o m p o n e n t d e t e r m i n i n go ft h ec o m p u t a t i o ne q u a t i o n s ，a n d s oo n a f t e rt h e s ew o r k ，f u r t h e r m o r e ，m o r ec o n c r e t ec o m p u t a t i o na n dd r a w i n go fd e s i g n i n gp a p e rc o u l db ed o n e ，a n dp r o t o t y p e c o u l db ep r o d u c e d t h i sd i s s e r t a t i o ns i m u l a t e st h ed y n a m i cv a r y i n go ft h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo ft h e a d s o r p t i o nb e da sac r i c i a lc o m p o n e n to ft h ew h o l er e f r i g e r a t o rb yn u m e r i c a lm e t h o d d e t a i l c o m p u t a t i n gm e t h o da n a l y s i so fh e a t - - t r a n s f e r i n ge q u a t i o ng r o u pi nt h ef o r mo fd i s c r e t i z a t i o ni n 3 太阳能连续式固体吸附制冷帆设计与关键部件传热数值模拟 e v e r ys t a g eo f t h ea d s o r p t i v er e f r i g e r a t i o nc y c l ei sp r o v i d e d t h e r ea l s op r o v i d e st h ed e t a i lm e t h o d o fw r i t i n gt h ef o r t r a np r o g r a mf o rg e t t i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t si n e v e r y c o r r e s p o n d i n gc y c l es t a g e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o g r a mw r i t t e nb yt h i sm e t h o dc o u l db e u s e d ag e n e r a p r o g r a m ，t h ef o r m a t i o no f h e a t - - t r a n s f e r i n ge q u a t i o ng r o u pi ne v e r ys t a g ei so n t h eb a s i so fd e t a i la n a l y s i so fh e a t - - t r a n s f e r i n gc o u r s eo fa d s o r p t i o nb e d ，a n di ta d o p 趣t h ef i r s t b o u n d a r yc o n d i t i o nw h i c hi sm o l ec o r r e s p o n d e n tt ot h ee x a c tc o u r s e s t a r t i n gb ya n a l y z i n ga n d d e d u c i n gu n d e rt h es i m p l e s t - - d i s c r e t i z a t i o n - - m o d e la n dt h e ne x t e n d i n gt h eo u t c o m et ot h e g e n e r a lm o d e lt og e tt h eg e n e r a lh e a t - - t r a n s f e r i n ge q u a t i o ng r o u pw i t ht h ed i s c r e t i z a t i o n f o r m ，s u c haw a yi sm o r ec l e a ra n dc o n v i e n i e n t t h es i m u l a t i o np a r to ft h ed i s s e r t a t i o ni sas o r to f s i m u l a t i o nw h i c hf o c u so nt h ed e s i g no ft h er e f r i g e r a t i o r , i ti sv e r yd i f f e r e n tw i t ht h es i m u l a t i o n w h i c hp u r p o s ei s t e s t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fap r e s e n t e dm a c h i n e t h ee x a c tr u n n i n go ft h e r e f r i g e r a t o ri sa c c o r d i n gt ot h ee n t i r ec y c l e ，n o tb yo n l yo l t es t a g e ，f o rs u c hal a s o n ，t h i s d i s s e r t a t i o nb u i l d si n t a c th e a t - - t r a n s f e r i n ge q u a t i o ng r o u pi n c l u d i n ge v e r ys t a g e ，a c c o r d i n gt ot h e a d s o r p t i v ec y c l ew h i c ha l r e a d yd e t e r m i n e dt h ed e s i g np a r a m e t e r t h ei n t a c th e a t - - t r a n s f e d n g e q u a t i o ng r o u pc a nr e f l e c tt h ee n g i n e e r i n gr e a l i t y t h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o ni st h ef o u n d a t i o no f o p t i m i z a t i o na n dr e g u l a t i o no ft h ed e s i g n t h em a t h e m a t i c a lm o d e li nt i l i sd i s s e r t a t i o ni st h eo n e w h i c hr e f l e c t sd y n a m i cv a r y i n gs y s t e m a t i c a l l ya n dc o m p l e t e l y mt h e o r yd nt h eb a s i so f e l a b o r a t e d a n a l y s i so fh e a t - - t r a n s f e r i n ga n dt h e r m o d y n a m i c s t h ed e s i g nd e m a n d sc o m p l e t ea n dd e e p u n d e r s t a n d i n go f t h ec o m p l i c a t e ds y s t e ms t a t ei nt h er u n n i n gr e f r i g e r a t o l s ot h i sd i s s e r t a t i o ng i v e s d e t a i la n a l y s i so f t h ev a r y i n go f t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nt h ea d s o r p t i o nb e di ne v e r ys t a g e , a n d d e t e r m i n e sd e s i g np a r a m e t e ro , f e v e r ys t a t ep o i n tw h i c hd e m a n d e db yt h ed e s i g na c c o r d i n gt 0t h e c y c l e m o s tm a i ni s s u eo fa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o na r ei n v o l v e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ed i s s e r t a t i o n s t r i v e st ol e tt h es i m u l a t i o na n dd e s i g nb em o r ee l a b o r a t e da n dd e t a i l ，a n dt h ed e d u c i n gi nt h i s d i s s e r t a t i o ni ss t e pb ys t e pv e r yc a r e f u l l y t or e s e m b l ea d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ni no t h e rf o r m so r o t h e re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ni s s u et h a ti n v o l v ee n e r g yt r a n s f e r i n g ，t h e r ei s g e n e r a lp r e f e r e n c e i m p l i c a t i o n k e y w o r d 4 s o l a re n e r g y c o n t i n u a l yc o o l i n gs t y l es o l i da d s o r p t i o nr e f r i g e r a t o r n k f f n e r i c a ls i m u l a t i o n 太阳能连续式固体吸附制冷机设计与关键部件传热数值模拟 环境保护与能源问题是当前世界发展的两大问题。世界范围内目前存在严重的环境污 染与能源危机。人类对自然环境的破坏，很大程度上来自于对地球能源资源掠夺式的应用， 造成环境破坏，资源桔竭。生产能源的石油煤炭等化石燃料的大规模开采利用造成大气污染、 大量温室气体的排放。温室气体排放产生的温室气体效应造成全球气侯交暖，成为世界各国 关注的严重问题。另一方面，当今世界的空前发展存在严重的能源短缺，化石燃料储存量的 枯竭要求新能源的开发利用。环境保护与能源危机的矛盾当人类找到既利于环境保护又能满 足人类能源需求的新能源时，才可以得到解决， 当前世界能耗很大一部分为建筑能耗。有资料表明，在我国建筑用能耗己占总能耗的 4 0 。随着我国社会的进一步全面发展及人民生活水平的不断提高，建筑用能耗还会继续增 长。建筑用能耗相当一部分用于采暖与空调。因此对于制冷空调开发技术而言，研究开发环 保节能型制冷空调技术，以促进环境保护、降低能耗，成为研究开发的根本出发点。我国目 前的建筑用空调采暖技术，制冷部分在压缩式制冷及耗燃料加热的吸收式制冷的基础上，以 环保节能为目标，巳有逐步采用水源、气源及地源热泵等技术的应用。进一步研究开发新型 环保节能的建筑用空调制冷技术，对降低总能耗促进环境保护，具有特别重要的意义。 应用太阳能驱动的吸附式制冷技术提供建筑用空调制冷，是一种很好的方式，解决这 种方式的技术实现、经济成本、应用场合等等方面的问题，应用太阳能的吸附式制冷可大规 模应用于建筑空调制冷以及其它应用场合。 以太阳能作为一种环保能源，其应用可减少应用化石燃料的能源对环境的危害。因此 太阳能应用技术的研究开发与应用，是世界范围的热点。太阳能是一种低能流密度的能源， 低能流密度的特性决定太阳能一般在适当场合才可应用。太阳能应用于空调制冷，在光热转 换技术领域，可应用由低温热源驱动三热源制冷机以实现制冷。在太阳能光热技术领域，太 阳热水系统的开发应用己较为成熟。三热源制冷机不需要温度很高的驱动热源，而利用低能 流密度的太阳辐照经太阳热水系统产生的温度不太高的太阳热水即可作为符台条件的低温 驱动热源，驱动三热源制冷机，产生制冷效应。因此利用太阳能与三热源制冷机的良好结合， 产生了环保及节能效应，理论上为不耗人工能的制冷装置。吸收式及吸附式制冷均属于三热 源制冷机。目前吸收式，如溴化锂吸收式制冷，较广泛地应用于空调制冷领域，但采用余热 等节能方式的应用应进一步发展。太阳能应用于溴化锂吸收式进行建筑空调制冷，在国内已 有示范工程。太阳能驱动的两台间歇式吸附制冷机交替运行产生连续制冷效应，应用在生态 建筑的制冷部分，国内亦有示范工程。作为一种技术方案的单台连续制冷的太阳能驱动连续 型吸附式制冷机的研究、设计开发，对新型空调制冷技术的开发应用及太阳能技术的开发应 用，均有重要意义。 电娩机械电驱动的制垮循环热能驱柚三热坪制冷循 效应排向高温热源，必需付出代价。电能及 目1 日# t 彤 驱自“垮循环 机械能驱动的制冷机与热量驱动的制冷机 为由外界输入电能及机械能，电能及机械能 的产生一般源于化石燃料，化石燃料的应用会对环境污染与危害，因此这类制冷机的另一个 5 太阳能连续式固体吸附制冷机设计与关键部件传热教值模拟 代价为环境代价。热量驱动的制冷机的循环代价为输人八热量作为驱动热源，吸收及吸附式 等形式的这类制冷机可以以温度较低的热源驱动，可利用太阳能等清洁能源，亦可应用工业 余热，因此热量驱动的制冷机可设计为环保节能型制冷机。 围2 太阳能驱动的制冷循环 图2 为太阳熊与三热源制冷机结合应用原理图。 制冷机为吸附式制冷机，由太阳热水作为驱动热源。 由太阳热水系统吸收转换太阳辐照产生太阳热水。由 太阳能驱动的吸附式制冷机应用于建筑空调制冷，其 驱动热源与制冷机的应用时间亦可得到良好匹配。炎 热的夏季需冷季节恰是太阳辐照强烈的季节。 太阳能驱动的吸附式制冷机一般作为制冰机使 用。这种型式的制冷机一般将太阳集热器与吸附床做 成一体，如图3 所示。由于直接由太阳辐照加热吸附 床，并采用夜间自然冷却进行吸附床的冷却，因此吸 5 f 于胄q 冷机为间歇式制冷机，循环周期为昼夜，由于吸附式制冷循环本质上为间歇式循环， 制冷阶段为在吸附床的冷却阶段，因此图3 所示的。 太阳能制冷机仅在夜间产冷，其应用范围受到限铮、 制。建筑空调制冷要求白天要有胄8 冷，要满足建筑 。、： 空调制冷的要求，吸附式制冷机必须在白天有吸附 弋心、。妒7 床吸附冷却阶段，即产冷阶段。因此循环周期必须j 碡黟 缩短至供冷要求。循环周期的缩短对加热热源的要 。 求不同，图3 的太阳集热器与吸附床一体的加热系 统不能满足此要求，因此采用图2 所示的太阳热水 = 0 i o = = _ | 系统作为驱动热源设计连续供冷吸附式制冷机。 圉3 太阳集热喜与嗫附床一体的间破式吸附式村本机 2 吸咐式翩冷的基本 循环分析及连续机设计应甬的基本理论 吸附式制冷应用物质吸附现象进行制冷。达到吸附平衡的吸附剂含有平衡量的吸附质， 对其进行加热会析出气态吸附质，此时吸附工质对为加热解吸过程。与解吸过程相反，吸附 剂对吸附质的吸附会放出吸附热，此时吸附工质对进行的是放热吸附过程，即吸附剂处工质 对为放热。吸附过程存在液态吸附质的由液态变为气态的汽化过程，即相变制冷过程。在吸 附剂对吸附剂即冷剂的吸附过程产生制冷效应。 吸附式制冷系统常用的吸附工质对为分子筛一水，活性碳硅胶水，活性碳一甲醇等。 ij ：l 1ff f len| 匝 加热：脱附冷凝阶段净却：哑附薰 | 亡啊垮阶段 田4 辑霞及暧附热量受化田 吸附式制冷循环的制冷效应产生在吸附床吸 附阶段，此时吸附机系统的吸附床与蒸发器连通， 吸附剂在蒸发器内由液态汽化为气态，产生的气 态吸附质为吸附床吸附。制冷阶段为吸附床的吸 附阶段，同时蒸发器内进行吸附质的气化相变割 冷。相变制冷需要液态冷剂，在吸附式制冷，液 态冷剂需由吸附床脱附产生。单台吸附床的吸附 与脱附不可能同时进行，只可以在时间上交替进 行，因此冷剂的产生与相变亦只能交替进行。吸 附床吸附状态只能间歇出现，必须经过脱附产生 液态冷剂的阶段，因此与吸附床吸附状态时间上同一过程的制冷效应亦只能间歇出现，决定 6 太阳能连续式固体吸附制冷机设计与关键部件传热数值模拟 了吸附式制冷循环必然为间歇式循环。 吸附式制冷循环为热量驱动的三热源铝4 冷循环。热量过程为加热与冷却两个基本过程， 即对吸附床加热以驱动吸附床的脱附，对吸附床冷却以驱动吸附床的吸附。整个吸附床循环 亦可分为加热与冷却两个基本阶段，由制冷角度而言，亦即加热脱附产冷剂与冷却吸附制冷 两个基本阶段。由图4 可见，驱动吸附式制冷视进行，必须在加热阶段加入吸附床所需的吸 附热，并冷却带走冷凝器的冷凝热；在冷却阶段则必须冷却带走吸附床的吸附热。吸附机的 吸附床及冷凝器必须具有适当的热量系统。此即为吸附式制冷热量系统设计的基本依据。 参见图5 ，为带有驱动吸附式制冷机的吸附床及冷凝器热量系统的吸附式制冷机。同时 参见图6 ，可说明吸附式制冷的基本循环。吸附式制冷的基本循环由四个基本阶段构成，即 田5 问歇式吸附式制垮机圈 脱附预热阶段d ja ；加热脱附阶段 a j b ：吸附预冷阶段b = ，c ；冷 却吸附阶段c = ，d 。 在脱附预热阶段d j a ，印 f 。f d 时间段，阀门关闭，吸附床被 加热，只有少量工质脱附，看作等吸 垮蝉蠼体进 m # 律 附率过程，即等z 过程。在点4 吸附 床温度达到开始脱附温度 z o ( f ) = 死。吸附床温度为升温： 瓦。扛) = 1 、j 瓦。( ) = l 。 此时冷凝器及蒸发器可视为无变化。 在加热脱附阶段彳jb ，即o f 8 时间段，阀门打开，吸附床被加热，吸附床吸附 的冷剂开始脱附变为气态冷剂，并到冷凝器内冷凝为液态冷剂，再进入储液器或蒸发器。吸 附床温度为升温： ( r ) = l 个jk g ) = 力廿 此时冷凝器内进行的是气态冷 剂的冷凝过程，冷凝放出的热量 由冷凝器的冷却系统带走。 a j b ，即f 时间段， 冷凝器内冷荆的过程可视为 d j 一= 3 ， 可见圈6 ，基本循环的 l n j 口一7 1 一z 图。 在吸附预冷阶段 b j c - 即7 口屯时间段t 厂一一_ 一_ 一二r二，! “ 4 一、卑凝1 日妻发自自辛d 主m 。# * * = 一口m e 自目m * & & * 目目- 一日h 自4 “m m 跻& * 日时 1 日& 自砖女； 4 “吏* * r 目r 麓寰毒 女h 麦n m i m r 自女m 脯m h 粤t m 辛* j l 一一 图6吸附式制冷机的基本循环l n p t x 图 阀门关闭，吸附床被冷却，为z 过程。吸附床温度为降温： t 太阳能连续式固体吸附制冷机设计与关键部件传熟数值模拟 k ( f ) = 个k ( r ) = 此时冷凝器及蒸发器可视为无变化。 在冷却吸附阶段d = c ，即f d i 时间段，m f l 扪r w ，吸附床与蒸发器连通。吸附 床被冷却吸附床吸附由蒸发器来的气态冷剂。吸附床温度为降温： 毛。e ) = lt ( ) = 此时蒸发器内进行的是液态冷剂的相变气化过程，即制冷过程。吸附床放出的吸附热由吸附 床的冷却系统带走。c j d ，即。时间段，蒸发器内冷剂的过程可视为3 = ，4 j l ， 可见图6 ，基本循环的h p 一7 一z 图6a j b j c j d j 爿为冷剂在吸附床内的循环变化，l j2 j 3 等4 j i 为冷剂在冷凝器或蒸发器内的变化。 可见冷凝器内冷剂的过程为仅在力的时间段，即在f 。f 2 f 3 的时间段，即 与吸附床脱附的爿= ，8 过程同步。点l 与点a 为同一时刻，点3 与点b 为同一 时刻，即f l = “、码= 。其余的时间段冷凝器内无冷剂a 蒸发器内冷剂的过程为仅在7 c f d 的时间段，即在3 f l 的时问段，即与吸 附床脱附的cjd 过程同步。其余的时间段蒸发器内无冷剂或冷剂无变化。 储液器内的冷剂状态应为图6 点3 的状态，理论上说，在z c 时间段内储液器保存 液态冷剂，在f 3 = 龟时刻的瞬时全部进入蒸发器，或在7 c 时间段内进入蒸发器。点3 为储液器点，点3 对应的不仅是一个时刻。点3 对应的时间段为f c 。即为时刻 “一3 铮“营。 吸附式连续制冷机的设计需对制冷循环及其温度、压力参数变化进行详细分析。设计应 用的基本循环及其参数的详尽分析见数值模拟部分。 基本循环的l n p t z 图为吸附式制冷机设计的基本依据。连续机的模拟与设计，为 依据l i l p r z 图的基本循环确定各点的参数及其变化，并由吸附床参数变化规律，确定 换热系统的设计，进行模拟与设计。 吸附床内进行的吸附与脱附过程参数变化规律是极其复杂的。考虑物理吸附过程进行连 续机的模拟与设计，即认为吸附床内进行的吸附与脱附过程是物理吸附与脱附过程一物理吸 附过程是可逆的，可更好地进工程近似计算。同时为更好地进行工程近似计算。认为模拟与 设计的吸附过程为平衡吸附。 连续机设计应用的基本理论的一些算式为：基于p o l a n y i 吸附势理论及d u b i n i n r a d u s h k e v i c h 理论的吸附率方程i ” 8 太阳能连续式固体吸附制冷机设计与关键部件传热数值模拟 硝十” z ：吸附达到平衡时的吸附率( k g k g ) t ：吸附剂温度( k ) l ，：对应于蒸发压力的蒸发温度( k ) 疗：常数值，一般h = 1 0 3 0 以及适用硅胶一水等系统的吸附速度模型等【1 1 ： 石d x = d ，( x * - - x ) 即，= 訾e 醑驯d z ：当地平衡吸附量幢k g ) z ：吸附率嘛k g ) 疋口。：表面扩散速度系数 z 匕：表面扩散系数白2 s ) e ：表面扩散活化能( j m 0 1 ) r ，：吸附剂颗粒平均直径m ) 吸附热及脱附热，以及其它算式，见模拟计算及连续机设计部分。 3 吸 型 吸附式制冷系统吸附床的热交换器以换热型式划分，有螺旋板、螺旋管、板翅式、壳管 式等型式的热交换器。吸附床热交换器的型式应用应以强化吸附床传热为目标，在不同的场 合设计适当型式的热交换器进行吸附床的热量传递。 吸附床是决定吸附式制冷机性能的最关键部件。传质、传热迅速良好的吸附床才可以达 到高性能要求。吸附床换热系统的设计成为吸附床设计的关键。吸附床内温度、压力的参数 变化是吸附机设计以及设计优化的基础依据。因此在第二二部分连续机设计的基础上，进行吸 附床运行的温度、压力参数变化的数值模拟，为连续式吸附制冷机的设计与设计的优化提供 依据。数值模拟的结果提供吸附床运行的温度、压力参数的动态参数变化以及换热器内作为 换热介质的太阳热水的温度参数的动态参数变化。 连续回热型吸附制冷机的设计，采用太阳热水作为吸附床的加热媒体，并采用冷水作为 9 n 查旦壁连续式固体吸附制冷机设计与关键部件传热数值模拟 凰 固 、= 二：j ：7 n l 爹 图7螺旋绕管螺旋管换热器与吸附床图 外径d 2 ，然后继续进彳亍前半圆周的水平绕管； = 一 j 0 吸附床的冷却媒体。因此采用适于 管内流动水的螺旋管换热器作为吸 附床换热器，圆柱状吸附床与换热 器做为一体。圆柱状吸附床圆柱内 填充吸附荆及吸附质，圆柱外侧换 热管螺旋盘绕。作为加热媒体或冷 却媒体的水在管内强制流动，经管 2 j壁以导热形式向圆柱内吸附剂或吸 附剂及吸附质传入或传出热量。螺 旋盘管及吸附床见图7 。图7 为由 内外不同层面看螺旋管对圆柱状吸 附床的绕管情况。 见图7 ，设计螺旋管在吸附床 圆柱面的前半侧面为水平绕管，即 一圆周管的前半圆周为水平绕管。 一 螺旋管在吸附床圆柱面的后半侧面 = y 为向左下绕管，即一圆周管的后半 、 圆周为向左下绕管，在左侧一圆周 起始处在下部紧前面的进口管段处 圆管，高差恰好为一个换热圆管的 圈8 吸附床传热计算模型形成图 螺旋管绕管方式不同，决定 的管内水流形式不同，形成的吸 附床