一种新型的太阳能吸附式制冷系统的设计及性能模拟

一种新型的太阳能吸附式制冷系统的设计及性能模拟摘要：为了解决传统的双床连续吸附制冷系统中因在制冷剂环路使用真空挡板阀而存在的制冷剂压降的问题，使吸附式制冷系统更适合于应用太阳能，本文提出了利用硅胶－水作为吸附工质对的新型的太阳能制冷系统。系统热源由40m2的热管式真空管集热器提供，制冷机为特殊设计的吸附制冷系统，在上海典型日照条件下，该系统可以较为稳定的提供5~8kw的制冷量，系统COP达0.2以上。通过对系统的动态模拟和理论分析，证实了以硅胶-水为工质对的吸附式系统更适合利用太阳能，为进一步实验和改进系统性能提供理论指导。关键字：太阳能吸附式制冷回热回质0引言作为清洁的可再生能源，太阳能正日益受到重视。作为利用太阳能最成熟的实例，太阳能供热水系统正越来越多的得到应用，而多数集热器仅用于在冬季供暖或提供生活热水，在太阳辐照最强的夏季则闲至不用。太阳能制冷则可以使集热器在夏天亦得到应用，提高系统的利用率，更因其热量的供给和冷量的需求在季节上和数量上的高度匹配而受到普遍的重视[1]。作为一种不采用氟利昂制冷剂的制冷技术，太阳能固体吸附式制冷成为制冷界研究的热门之一，而现有的太阳能吸附式制冷系统采用将太阳能集热器和吸附床相结合的技术[2,7]，多为间歇工作模式，不能连续制冷。实际上，小型太阳能吸附式连续制冷系统（3~10kw）因能够充分利用低品位能源而比太阳能吸收式系统更具潜力。本文设计并研制了以硅胶-水为吸附工质对的、利用热管式真空管集热器的太阳能吸附式连续制冷系统，其中吸附式制冷机区别于传统的吸附式制冷机，为特殊设计的具有回热、回质作用以更适合太阳能的利用。在利用甲醇和水作为制冷剂的真空吸附式制冷系统中，为了使实际循环更接近于理想循环，需要在制冷剂回路使用四个真空挡板阀，在运行的过程中，除了要频繁的切换阀门之外，还会造成制冷剂流动的压力损失，加大传质阻力，致使解吸或吸附速度降低，不利于实际循环。在该系统中，吸附床、冷凝器和蒸发器同处于一个真空腔中构成一个单床吸附式制冷单元，其间压力相通，不采用任何阀门。两个相同的单元交替工作提高连续的冷量。本文给出了系统的数学模型和理论分析结果，为系统的实际运行提供有益指导。1系统设计和工作原理系统热源由集热器提供，采用一蓄热水箱以稳定热源的温度，在水箱的供热水侧附带一辅助热源AU，与水箱采用并联，在机组切换到辅助热源时，辅助热源只要对管路中的水进行加热即可。吸附床、冷凝器和蒸发器均采用板翅式换热器以增强换热效果，缩短循环周期。根据吸附方程，吸附量为吸附床温度和压力的函数，吸附床温度或压力的改变都会导致吸附或解吸的发生。系统循环主要包括三个过程：吸附床回热过程、解吸/吸附过程和回质过程（见图1~3）。图中，AU表示辅助热源，BA表示吸附床A，CA表示冷凝器A，EA表示蒸发器Ａ，BB表示吸附床B，CB表示冷凝器B，EB表示蒸发器B。Fig.1Heatrecoveryprocess（1）回热过程：在对床A进行加热以前，因床B刚完成解吸过程，将冷却水接入床B而将床B排出的热水接入床A,实现短暂的热量回收过程（见图1）。对于吸附床来说，此过程为升温升压解吸过程。对于床B，由于床温的降低，吸附过程开始进行，为降温、降压吸附过程。（2）解吸/吸附过程：见图2，通过阀门切换，将热水接入床A，床A温度升高继续进行解吸而床B继续进行吸附。Fig.2Adsorption/desorptionprocess（3）回质过程：见图3，热水和冷却水的方向不变，两个蒸发器中水的循环发生了变化，即冷冻水直接在两个蒸发器之间循环，使两个蒸发器发生热量交换而温度达到一致。对于床A，由于蒸发器压力的降低（蒸发器温度降低），解吸过程将继续进行，直到达到新的平衡；对于床B，由于蒸发器中压力的升高，吸附过程将继续进行，此过程的最终目的是床A多解吸出制冷剂而床B多吸附制冷剂，类似传统系统中进行的回质过程[8]。2系统模拟系统模型的建立主要围绕系统的主要部件分为三个部分，即太阳能集热器、热水箱和吸附式制冷机。2.1集热器循环系统使用热管式真空管集热器，利用Hottel和Whillier[9]所建立的集热器模型，基本方程为：（1）集热器循环水泵采用启停控制，这种控制方式采用在集热水箱底部和靠近集热器出口的地方设置两个温度传感器。当循环泵运行时，集热水箱最底部温度为水泵的进口（即集热器进口）温度()；当水泵停止运行时，集热器出口温度可以代表集热板温度()。当集热板温度与集热器进口温度的差值大于设定的启动温差时，集热器循环水泵开启；当集热板温度与集热器进口温度的差值小于设定的停止温差时，循环水泵停止循环，直到温差满足启动温差才再次启动。根据文献[10]，循环水泵停止温差应满足下列关系，否则，将会因泵的频繁启停而使系统不稳定：（2）反2.2料详水箱模型脱水箱中的水存涉在明显的分层狼现象，水箱上艰部的水温总是免比下部的水温辨高。根据文献摆[13]耀，可以把水箱围由上至下分为宣层，写出每层结的能量平衡方嘉程，通过求解六一系列的差分柏方程即可以得艳到水箱中的温筋度分布情况。萍水箱中彩层水的能量平绘衡方程可以表艰示为：(3)龙方程右边第一冠项为怜层水箱与环境谁的换热项；第母二项为来自集递热器的水如果肾进入层，与败层水的换热项底，函数慢用来描述水箱担的哪层接受集志热器的出水；再第三项为来自业制冷机的回水锻如果进入层，抢与裂层水的换热项妈，函数绩来描述水箱的塘哪层接受制冷么机的回水；最误后一项为为层与使层的对流水量娱引起的能量交费换。重从暴层至梳层的对流水量婶主要由水箱中卡集热器的出水老函数恶和制冷机的回坚水函数犁决定：(4)炕2.3论毕制冷机模型摩针对该吸附式恩制冷机组，建禾立制冷机组的晓数学模型，因日篇幅关系，此痰处不再赘述。极表存1劝给出了机组性誓能模拟的结果抵。由耕表仍1林可以看出，机男组的性能与冷渣却水的进口温宝度有很大关系锣，当冷却水温缸度葡为要30石o雾C烟时，热水温度轻低腥于洋70共o田C座时机组的巩性能就会很差严；当冷却水温栏度银为且25刘o笑C灵时，热水温度眨低狡至镇60口o驻C币时仍然版有异4.7k止W殖的制冷量。为茎了使机组在一沿天当中能够提即供较为稳定的寻制冷量，热水忆的温度定准为形75爪o棋C睁左右满。盆本4蛮冰模拟结果与讨竿论返一套用于粮仓络保粮的太阳能雷吸附式空调系塘统正在上海交旅通大学制冷与廉低温工程研究蕉所进行研制。捡该系统使用坏40m嫌2慈的热管式真空谊管集热器，蓄渔热水箱的体积豪为棵1.8m愁3套，系统设计制夫冷量产为诱5k呼W各。辅助热源的盒温度设猫为光75财o弄C拌，与水箱并联请。们模拟过程建立伏在气象数据的讽基础上，通过伪求解所建立的吃数学模型，可皆得到一整天焰（倾6体：赵00~1凯8环：叠0唯0跨）中，系统运愉行的状况，循哑环迭代步长以弓秒为单位。走图念4称给出了一天中扮制冷机的输入忆能量和制冷量怠的变化曲线。棒开始由于使用区辅助热源，所株以能量输入和宵制冷量的输出狱均为一定值。冒由于太阳能热万水的接入，使带制冷量和加热粪量均增大，其玻变化趋势太阳融辐射强度的变秤化相一致。可尝以看出，制冷脸量的输出在早权、晚较小，中读午最大，其变飘化趋势符合制添冷负荷的变化拍趋势，在一天迈中可以较为稳躲定的提较供秃5~8k网W怕的冷量。三条搁曲线的起止时窝间不同，早上岩，在集热器循盟环启动一段时映间后，水箱才忍开始启动向制幻冷机供水；下揪午，集热器停诸止工作后，水腾箱由于有蓄热冻，仍然可以向压制冷机供水，椅当温度降咐至莫72真o吼C静以下才使用辅仰助热源。其中想，机组没的造CO环P迫曲线在两个切失换点处均有突幕降点，前一个裳突降点是因为这在使用太阳能馋时，加入量和抗制冷量均突然屑增加，而前者妙比后者增加的笛幅度大；后一挡个突降点是因睛为热源温度在六没有集热器集哥热的情况下，堂持续降低，导望致晓CO渴P滔一直减小。从申图中可以看出什，系统总食的宿CO稍P案在蚊0.摩2必以上。汁太阳能集热器叼的面积是太阳茂能应用中最为答关键的因素，芬它决定系统初振投资的大小以密及系统的性能佣。通常，在能知够保证制冷量畅的前提下，应刷尽可能减小集拳热器的面积来鉴降低初投资。剃Fig.6住Coolin族gcapa恋cityi针nfluen边cedby荐collec盏torar朴ea阶图运6踢给出了集热器碰面积对制冷量标的影响曲线。特其中炊，灵1星表示集热器面锁积为啄50m缎2外，相应的水箱班容积为法2.7m以3麦；方2己表示集热器面魂积为考40m笑2认，相应的水箱同容积为枯1.8m悔3阔；肤3篮表示集热器面宇积为毅30m阳2妻，相应的水箱荣容积为锻0.9m垂3刚；赏4松表示集热器面过积为卧20m羡2隶，相应的水箱结容积为摧0.6m瓦3女。由图中可以佛看出，集热器缸面积越大，系迁统利用太阳能畅的时间就越长瓦，制冷量也越俘大。过小的集捧热面积会导致至系统频繁的在考太阳能和辅助壶热源之间的切写换，使系统不悦能稳定运行。辉综合以上分析粘，需要提渠供亚5~8k慈w贩的前提下，最值佳的集热器面锤积和水箱容积对应分别为粪40m韵2坝和艳1.8m叨3奖。5结论矩本文设计了一跃种新型的太阳锈能吸附式连续俊制冷系统，该斑系统将用来为挨一空调负荷呼为玻5k汇w交左右的粮仓提杀供冷量。通过扒对系统的动态陆模拟和理论分茄析，可以得到职以下结论：许（辱1买）抢壁该吸附式制冷验机可以解决传移统的系统中由伤于在制冷剂管怎路使用真空挡侮板阀而导致的味压降问题，并忠可以避免在使僵用过程中制冷仪剂阀门的频繁核切换，更适合闷于太阳能的利边用。赢（乒2孝）考鬼本系统采用硅胡胶－水作为吸嫌附工质对，可筑以利湾用茄75寒o男C酬左右的热水。辛在设定最低驱杂动温度段为聚72原o调C际的情况下，系凳统可以较为稳肠定的输着出朴5~8k改w锦的制冷量，系升统螺CO银P迹在经0.衬2嫂以上。耽（鸭3披）纱屯在系统设计过船程中，要尤其世注意集热器面叨积和水箱容积凶的确定。对于幕该保粮项目，垦在制冷量芳为值5k苏w宴左右的前提下运，系统集热面祝积和水箱容积词应为卷40m餐2条和昏1.8m浸3捉。符号说明撇———衣—径为核层水的传热面叶积溪，掀m市2担———库—烤为集热面积委，闲m真2宗———泊—公为系统工质的佛定压比热钱，第k缺J索•流(k鹿g照℃乎)蜜-1捧———场—便集热器的热转勾移因子骂———道—稼集热器循环水折的流量侵，怀k杂g税•计s旷-1技———亦—撑为层水的质量冈，拍kg肤———燕—亡为制冷机侧供陶水的质量流量都，乒k胸g机•提s提-1膛———亦—切吸附床压力准，业Pa套———酒—团为太阳辐射强皆度破，扬W(m啊2柄℃怜)芝-1没———它—猴空气温度期，悄℃唐———愤—叨吸附床温度宴，掩K捉———它—慰为集热器进口碌温度锹，烘℃扰———硬—裕为总热损失系币数文———卖—莫平衡吸附量叠，贤kgwat碎er(kg椒silic关agel)碎-1孙———屋—诚为眯层水的换热系排数缝，缓k蛛W俭•见(虹m臭2迟℃俯)修———钟—诱关闭水箱的温级差抹，恰℃脖———垮—忠启动水箱的温拿差退，姥℃镰Refere哑nces娘1Wang丙Ruzhu俭强(他王如呼竹吗),WuJ既ingyi呆(赢吴静规怡晶),et史al.Ad延sorpti夸onRef盒rigera努tio竖n道（吸附式制冷挤）五.或Beijin攻g少:拣China立Machi命nePre密ss,20靠02.7.泳2Tche阅rnevD系轻I.怕Explo尊ration军ofmo也lecula做rsieve婚zeoli宋tesfo奸rcool燃ingof将build冬ingsw哭ithso迟laren舌ergy.腥Final锐Report五,NSF/R纷A-7700毛17,19住97.旅3Pons兔M,Gu估illemi父notJJ山.Desi喉gnof桶anexp哗erimen蓄talso激lar-po滑wered,俭solid挑-adsor疫ption泊icema斑ker.A袜SMEJou吐rnalo济fSola显rEner亿gyEn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