吸附式制冰机和板翅式吸附器的实验研究

吸附式制冰机和板翅式吸附器的实验研究

0吸附器的研制近年来，固碳吸附热被广泛使用，报道了许多固碳吸附热的报道。其中，许多吸附技术的质量包括活性物质、分子筛选、水凝胶、氯化钙-氨和金属氢化合物。其中比较典型的有太阳能间隙式制冷机、回热型循环制冷机和复叠式制冷系统。新的热力循环,如热波型制冷循环和对流热波型制冷循环也在不断研究探索之中。从实际应用考虑,连续回热型吸附式制冷循环通常易被采用,然而有关吸附器的设计制造是问题关键。有几种类型的热交换器被选作吸附器,如壳管式、管带式、板式和板翅式等。近来我们研制了螺旋板式和板翅式吸附器,分别研制了一台吸附式制冰机和一台吸附式空调/热泵,并在制冰机和空调/热泵系统上作了大量实验工作。本文报道了采用活性炭-甲醇工质对的吸附式制冰机和吸附式空调实验系统,以及相应的实验结果。1冷媒盐水制冷实验我们研制的连续回热型吸附式制冰机样机,采用活性炭-甲醇吸附工质对,以螺旋板式换热器作吸附器,最初曾采用热波循环布置方式,然而实验结果并不理想。后来对热驱动流程作了重新布置,使两台吸附器加热/冷却过程相对独立,加热/冷却的切换间隔有两个吸附器的回热过程。图1所示为装置原理及其传感器布置,系统有两台吸附器、一台冷凝器和一台蒸发器,为了观察系统中制冷剂的流动还安装了一个玻璃贮液器。蒸发器中的冷量通过冷媒盐水传给制冰箱制冰。两台吸附器与冷凝器、蒸发器的连接通过四个真空阀门实现,当一台吸附器加热解吸时与冷凝器相连,此时另一台吸附器受冷却与蒸发器相连。吸附床的加热通过计算机控制,测试数据显示在计算机显示屏上。螺旋板式吸附器一侧通换热流体,另一侧填入活性炭吸附剂,在螺旋板式吸附器的上法兰上设置制冷剂蒸汽流动通道。每台吸附器的换热面积为2m2,吸附剂侧螺旋板间距为18mm,可充填6kg活性炭。为了增强吸附床内的传质,沿螺旋板垂直方向均匀布置20根不锈钢丝网。上述系统已成功地进行了制冰实验。结果表明,该系统可以在余热制冰中得到应用。我们曾以40、60及80min为循环周期,实验发现对于冷媒盐水制冷系统,采用40min循环周期较好。实验中有两组典型实验条件,图2、3和表1给出了工作条件(1)下24小时连续制冷的效果。图中主要显示的是最初和最后5小时的实验结果。实验中,在吸附制冷系统进入正常制冷运行状态后,再注入适量的调好温度的自来水,通过24小时的结冰实验,放出未结冰水即可获知制冰量。从该图还可以看到,经12000s后冷冻水开始结冰,结冰过程需要一过冷度。我们注意到以图1所示的系统采用冷媒盐水制冷会使系统产生较大的冷量损失,此外原先加工设计的壳管式蒸发器(换热面积0.5m2)不适合制冰要求,这种布置方式所产生的单位质量吸附剂日制冰量SCP在1.2kg左右。经过分析,我们又以翅片管式直冷式蒸发器替代间冷式蒸发器,这样蒸发制冷损失可减小到最低程度,此外通过翅片管可使换热面积增大。直冷式蒸发器采用ф50mm的管子和ф100mm的翅片,管子总表面积为0.5m2,翅片面积为2m2。这里采用大管子的目的是使解吸的甲醇不致100%充满管子,此外蒸发过程可同时发生在每根相连的管子中以确保对传热面积的充分利用。表1的实验结果表明,采用直接蒸发制冷后,系统制冷性能有较大幅度提高。虽然实验工况3—6总体上均比间冷式工况1—2差(解吸温度较低、冷凝温度较高、吸附温度也较高),然而其单位质量吸附剂的日制冰量SCP均比间冷式高得多。如典型工况6,SCP可达2.63,是间冷式的2倍以上。由于实验条件的差异,对于直接蒸发式制冷其优化运行的循环周期大约为100min,工况6所对应的COP为0.12。这里应说明的是,采用螺旋板式热交换器后,为了实验方便采用法兰结构,使每台吸附器重达70kg,消耗在吸附器金属本体上的热量较大,另外因采用板式结构,循环流体量较大,也使流体热容较大,这两方面因素均对COP带来不良影响。在设计合理的吸附式系统制冰工况下,COP可达0.4—0.5。经此改进后系统循环实际运行情况比改进前有明显改善,如图4所示,p-T-x图上所显示的运行轨迹与理想的两条等量线和两条等压线很接近,而先前文献报道的运行情况还不太完善。2空调制冷实验采用板翅式热交换器作为吸附器的吸附式空调/热泵如图5所示,该系统也采用活性炭-甲醇吸附制冷工作对,系统中每台吸附器中充注26kg活性炭。采用板翅式吸附器可大大加强吸附床的传热,使加热/冷却时间缩短,从而缩短循环周期。实验表明,采用该种吸附器可使循环周期缩短到20min。从图6可见,该系统与吸附式制冰系统非常类似,除了吸附器结构不同外,主要是冷量的输出方式不同,这里通过2台5kW的风机盘管输出冷量,冷媒水进蒸发器温度约10—12℃,出蒸发器温度大约6—7℃。作为冷水机组,实验系统还配备了循环冷却水塔,循环冷却水用于吸附床的冷却和冷凝器的冷却。为了保证吸附系统长久可靠运行、热媒流体相对独立及可替换性,热媒流体与加热锅炉为一封闭回路,吸附制冷系统中设置的一台板式冷却器可实现热媒流体与循环冷却水的热交换。该吸附式空调/热泵在进行空调工况制冷实验时,由于一台吸附器技术上的问题,实验只采用单吸附床间断制冷形式,中间没有回热过程。改变解吸温度和循环时间进行多工况实验发现,即使在60℃的热源温度下活性炭-甲醇制冷系统也具有一定的制冷效果,作为一台吸附式空调冷水机组,在85—90℃解吸温度下即具有良好的制冷能力。实验中尝试采用20、30、40、60min等不同循环周期,结果发现吸附式系统具有强烈的非平衡特性,其制冷系数COP随循环周期增长而增大,而单位质量吸附剂制冷功率SCP则随循环周期增长而减小。这表明吸附式制冷系统COP和SCP是相互矛盾的两个方面,尽管我们希望COP和SCP均较大。这台板翅式吸附器吸附空调制冷冷水机组较合适的循环周期大约为30到40min左右。表2列出了几组实验工况下(不同循环周期和最大加热功率)空调制冷实验结果。从以上实验数据可以看到,单床系统的COP在0.15—0.21左右,制冷功率在3.0kW—3.9kW左右。实验COP值比理论估计值～0.6小得多,其主要是吸附床的金属热容和热媒流体(水)热容所致,这里两者热容之和与活性炭热容的比达11.4。从实验结果和实验热平衡分析进行估计,本实验系统在改进吸附床、采用双床回热和采用热容较低的油作为热媒后的性能情况,表3列出了经各种改进后吸附式空调冷水机组的性能参数。应该强调,表3的数据完全建立在实验数据的基础上,因而具有工程应用价值。针对本实验系统过高的金属热容和热媒流体热容(两者累计与吸附剂热容之比达11.4),重新设计加工了两台吸附器,使金属与热媒(油)累计热容与吸附剂热容之比控制在2.5～3左右,其目标是使得系统在保持150W/kg活性炭的SCP值基础上,COP值能达到0.5以上。为此,采用特别设计的壳管式热交换器,加热/冷却流体走管程、吸附剂在壳程,吸附器采用上百根外径9.5mm的紫铜管,铜管组上整个壳体截面套上整体式翅片,每个吸附床充注约25kg活性炭。考虑实验的方便和可靠性,热流体暂时仍采用水,一系列实验表明系统性能已有较大改善。在92—96℃解吸温度下,采用30min的循环周期,中间回热3min,获得了空调制冷量3kW以上的结果,且COP达到0.3以上。表4列出了几组典型实验数据,单位质量吸附剂的制冷功率已达到108—150W/kg。下一步实验将把解吸温度提高到100—110℃,最后还将采用油作为热媒流体,进一步减小流体热容,以进一步提高系统性能,提高系统COP。3吸附空调制冷系统研制的两套吸附式制冷系统,采用活性炭-甲醇吸附工作对,分别用于制冰和空调,并进行了较大量的试验。两套系统分别采用螺旋板式和板翅式吸附器/特制壳管式吸附器,从运行情况看,两套吸附制冷系统的循环周期均较短,说明吸附器均具有较好的传热性能。这类吸附制冷系统单位质量吸附剂可日制冰2.6kg以上或单位质量吸附剂具有空调工况制冷功率150W/kg。显然,这种吸附制冷系统可在余热驱动制冷中得到应用,尤其是采用发动机尾气余热制冰或空调制冷。此外,在60℃以上的热源条件下即可实现吸附制冷空调。两套吸附制冷系统均具有较高的SCP,较低的COP。设计时应尽量控制吸附床金属材料热容和热媒流体热容,在满足SCP的要求下应使两者热容累计值与吸附剂热容之比控制在一个合理的水平,比较现实的值是3—5。对于单效型双床回热的吸附式空调制冷系统,在95℃热源驱动的空调工况下,良好的设计可使系统COP值达0.5以上