新型太阳能吸附制冷系统性能实验研究

杜春旭，侯晓煌，苑中显，李晓红，吴玉庭

（北京工业大学环境与能源工程学院传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室，北京100124）

新型太阳能吸附制冷系统性能实验研究

杜春旭，侯晓煌，苑中显，李晓红，吴玉庭

（北京工业大学环境与能源工程学院传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室，北京100124）

采用新型吸附床结构建立一套太阳能固体吸附式制冷系统，利用ZSM-5沸石分子筛-水作为工质对进行空调应用领域吸附脱附制冷性能研究。通过实验测得吸附床内温度可达130℃，与太阳辐照度有密切的关联，床内沿轴线有温差分布，周向温度分布均匀。吸附过程沿制冷剂进口方向有时滞后，吸附床温度对吸附过程有影响，实验系统COP变化范围为0.02～0.05之间。

太阳能；ZSM-5沸石分子筛；吸附式制冷；制冷系数

0 引 言

随着经济的快速发展和人们生活水平的提高，常规能源的消耗剧增和环境污染的加剧成为人们高度关注的问题，节约能源和保护环境问题日益引起各国重视。固体吸附式制冷技术作为采用低品位能源驱动的绿色环保制冷技术，成为能源利用与环境保护的高效中介［1］，同时由于其结构简单、无噪音、无运动部件、使用绿色制冷剂的优点，也越来越受到关注。

吸附床是太阳能固体吸附式制冷系统中的核心装置，合理设计吸附床结构可有效改善固体吸附式制冷的性能。以太阳能为驱动热源的吸附式制冷系统的吸附床主要有平板式结构和管壳式结构［2］。国内外普遍采用的吸附集热器是平板型结构［3-5］，但其脱附温度低，受天气环境影响大。文献 ［6-8］则研究了圆管型吸附集热器，其吸附制冷性能较优于平板型。由于真空集热管拥有更高的集热效率，近年来有许多学者将其用于太阳能吸附制冷中。文献 ［9，10］对玻璃真空集热管做为吸附床进行了研究，显示出更好的集热与脱附性能。

吸附床的设计主要考虑吸附剂解吸/吸附速度、吸附床的传热传质、体积容量 （吸附剂的填充量）、承压能力、加工工艺、制造成本以及操作方便等因素。其中对吸附床的性能起关键作用的因素是吸附床的传热传质性能。针对太阳能吸附式制冷系统，还应充分考虑太阳辐照的利用问题。通过总结国内外学者对现有吸附床的传热传质强化和新型吸附床的设计研究，参考管状结构的吸附器，本文设计并构建了一种新型太阳能直接利用吸附床结构，即将吸附剂填充至金属-玻璃真空集热管中，在管中央布置一同心铜管，作为系统对外散热通道，同时在吸附床内轴向布置金属网管作为传质通道，以利于制冷剂轴向传质［11，12］。该床在具有管状结构吸附器优点的同时，能使吸附床内吸附剂达到更高的温度，可有效利用太阳能。

1 实验装置

太阳能固体吸附式制冷系统主要由吸附床（集热器）、蒸发器、冷凝器、储液罐以及其他辅助设备等组成。吸附床为核心，有集热性能，也是吸附脱附过程发生的场所，所以吸附床的集热性能以及传热传质性能直接影响吸附式制冷系统的性能。本文利用金属-玻璃真空集热管构建了新型的太阳能固体吸附式制冷实验系统，该系统以太阳能为直接驱动热源，由吸附床、冷凝器、蒸发器、水箱、真空泵、管道阀门、温度压力传感器以及数据采集系统组成，如图1所示。

图1 固体吸附式制冷系统装置示意图

由图1可知，该吸附床结构主要由金属-玻璃真空集热管组成，同时为了增强其冷却效果，内插一根冷却铜管作为自然冷却通道。在冷却铜管与集热管之间形成的空腔内填充吸附剂，此种填充方式可以直接利用太阳能对吸附剂进行加热，可有效利用集热管接收的太阳辐射能。吸附床的具体结构尺寸示意图如图2所示。

图2 吸附床结构示意图（单位：mm）

该集热管吸附床具有高效集热性，能将接收到的太阳辐射能有效传递到紧贴于其金属管内表面的吸附剂层，减少了热损失，提高了传热性能；内插冷却铜管可在需要冷却的情况下通过自然冷却或强制冷却，形成有效的冷却换热通道。为了便于观测吸附床内吸附剂的温度变化情况，在吸附剂层内布置多个测温点，温度传感器为A级铂电阻温度传感器，精度±0.1℃，采用四线制高精度测温方式，具体测点布置如图3所示。试验系统安装2个绝压压力变送器，量程0～20kPa，精度0.25%Fs，用于测量吸附床内以及蒸发/冷凝压力，以便于系统分析与运行。为了提高吸附床传质性能，在吸附剂层内还放有金属网管状传质通道，金属网管直径8mm，网孔直径2mm，有利于制冷剂蒸汽在吸附床内的流动传质。

图3 吸附床内部温度测点的分布示意图 （单位：mm）

2 实验过程

该系统测试地点为北京市北京工业大学能源楼楼顶，测试时吸附床南北水平放置，系统采用ZSM-5分子筛-水工质对，ZSM-5沸石分子筛填充量为3.152kg。实验前，首先对ZSM-5分子筛在350℃环境下高温活化8小时，再填充。然后关闭阀门Vc、Ve，对吸附床及管道抽真空至1Pa，关闭Vt阀门。然后分别打开Vc、Ve，将蒸发器、冷凝器抽真空至对应的饱和压力，最后关闭Vp。

2.1 吸附脱附过程

首次吸附时，吸附剂温度接近环境温度，关闭Vc，打开Ve，吸附饱和后，关闭阀门Vt、Ve，使吸附床接收太阳辐照，吸附床内开始升温，随着太阳辐照度的增强，吸附床内升温加快，同时床内压力升高，当压力达到设计冷凝器温度所对应的饱和压力时，打开阀门Vt、Vc开始脱附。脱附过程中吸附床不断接收太阳辐射能。脱附结束后，关闭Vt、Vc。

2.2 循环过程太阳辐照强度与系统内温度压力的变化关系

本系统直接以太阳能为驱动热源，太阳辐照度是系统顺利进行的关键因素。为了能更好的分析吸附床内部的吸附脱附性能，利用TBQ-2总辐射表来记录吸附床表面接收的太阳辐照度的变化，将同一时刻的吸附床内部温度 （以3号测点为代表）、环境温度以及吸附床内压力和太阳辐照度在图4中表示出来。太阳辐射强度与吸附床内部的温度有密切关联，吸附床内温度随太阳辐射的增加而逐渐增加，并且存在一定的滞后，同时吸附床内的压力也在随之增大。

以8.12日实验数据为例，简要分析吸附床在循环过程中其内部温度和压力与太阳辐照度之间的关系。图4可分为五个阶段：阶段Ⅰ为吸附，从上午8∶43开始，吸附过程中，集热管进行遮阳处理，伴随吸附热的释放，床内温度逐渐升高，吸附完成后，关闭阀门Ve、Vt。进入阶段Ⅱ，吸附床接收太阳辐照，开始大幅升温，此阶段太阳总辐照达到700W·m-2以上，床内温度快速升高，压力也随之升高。阶段Ⅲ，吸附床内压力达到设计冷凝温度所对应的饱和压力，打开阀门Vt、Vc，开始脱附。此阶段太阳辐射强度持续升高，保证了冷凝过程的持续进行，在此阶段床内温度达到最大值。理论上脱附阶段应为等压过程，但是实验系统冷凝器没有按照最大换热量设计，所以系统压力在脱附过程中存在逐渐上升现象，当吸附剂达到最高温，随着辐照度的下降开始下降时，关闭Vt、Vc，进入阶段Ⅳ，系统降温，利用遮阳布遮挡集热管和对冷却铜管强制通风，床内压力和温度快速下降。阶段Ⅴ，冷却过程中，当床内压力达到蒸发温度所对应的饱和压力，打开阀门Vt、Ve开始第二次吸附，由于吸附热的释放，吸附床内温度会有所升高，随着吸附接近饱和，床内温度趋于平缓。

图4 吸附床内压力、温度、环境温度及太阳总辐照度曲线

图5为图4中第一次吸附阶段吸附床内温度曲线，结合图3所示截面A、截面B上的温度测点，从图中可以看出吸附开始时，吸附过程沿着进口方向逐渐向内部传递，由于吸附过程为放热过程，截面A测点的温度先于截面B升高。通过图5可以看出，吸附床内的总体温度分布径向接近均匀。

图5 吸附过程中吸附床内温度曲线

2.3 吸附脱附循环的Claperon图

本系统采用单床间歇式循环，包括吸附和脱附两个过程，其循环过程通常在Claperon关系图中表示，如图6所示：

图6 吸附式制冷循环Claperon图

图6中：pe：蒸发温度对应的饱和压力；Ta1：吸附开始时的吸附剂温度；Tg1：升温结束后的吸附剂温度；pc：冷凝温度对应的饱和压力；Ta2：吸附结束时的吸附剂温度；Tg2：最大解吸温度

随着吸附过程的进行，产生制冷效果。系统的制冷效果可以由蒸发器所处的保温水箱的水温变化来分析计算。实际循环过程为a→b→c′→d→a′→a。其中：a→b—吸附床的显加热过程，b→c′—床的加热解吸过程 （同时制冷剂蒸气在冷凝器中冷凝）。由于吸附床接受太阳辐射能，及时补充解吸所需的能量，随着太阳辐射强度的增加，吸附床接收的太阳辐射能大于吸附床解吸所需的能量，使吸附床温度不断升高，大量制冷剂从吸附剂解吸出来，使吸附床内压力升高。c′→d—床的冷却过程（吸附床进行遮阳，并用鼓风机强制冷却）。鼓风机在额定功率下工作，出风量为8.5m3·min-1，铜管管径为22.4mm，则进口风速为1.29×106m· s-1。d→a′—床的吸附冷却过程 （同时制冷剂液体在蒸发器中蒸发制冷）；实际过程随吸附的进行，由于吸附热的释放，使床温有所升高，随后趋于平缓并逐渐降低。

2.4 实验过程中太阳辐射随时间的变化

对于以太阳能为主要驱动力的固体吸附式制冷装置，太阳辐射能的摄入量是实验循环的主要影响因素。因此分析太阳暴辐量在一天中的变化情况尤为重要。表1为实验期间的天气情况。

表1 测试日期天气情况Table 1 W eather w ithin the test date

图7为实验期间太阳辐射强度的变化情况。

图7 实验期间太阳辐射强度随时间的变化

结合表1，可以看出天气与太阳辐射强度有密切的关系，天气晴朗时（8.14、8.26），太阳辐射强度的变化曲线比较平缓，而多云及阴天的状况（8.11、8.24）虽然气温较高，但辐射强度的变化剧烈。太阳光线照在吸附床上的等效面积Ad=D· L，D和L分别为吸附床的内金属管外直径和长度。

2.5 实验过程中水箱内温度随时间的变化情况

实验过程中，蒸发器放置在经过保温的水箱内，通过吸附过程水箱内水温的下降来计算吸附制冷量。图8表示了吸附过程水箱内水温随时间的变化情况，由图可得吸附过程水箱内水温下降明显，由此可推断本实验系统吸附制冷效果明显。

图8 吸附过程水箱内水温随时间的变化

2.6 实验过程中吸附床内温度随时间的变化情况

图9表示了两次吸附过程中吸附床内平均温度的变化情况，从图中可以看出，吸附热的释放使吸附床内温度呈上升趋势，后缓慢降低。第一次吸附时，在吸附热的作用下快速升温，后趋于平缓；而对于第二次吸附，由于强制换热以及外界环境温度逐渐降低，使吸附床在吸附热作用下短暂上升后保持不断下降趋势。

2.7 制冷量及COP

实验系统制冷量由水箱内初终态水温差由下式计算：

式中：Qref—系统制冷量；△T—水箱内水温的温差；M—制冷剂 （水）质量；C—水的比热4.18kJ·kg-1·K-1；q—制冷剂（水）的汽化潜热，取值2400kJ·kg-1；m—水箱内水的质量。

吸附式制冷系统的COP：

图9 吸附过程吸附床内平均温度随时间的变化

吸附床两端均采用隔热保温层保温，忽略其对外的对流热、辐射损失，因此吸附床接收到的全部太阳辐射能均用来吸附制冷。计算结果表示在表2中。

表2 实验期间数据总结

3 结论

新型真空管式吸附床结构具有较高的集热效率，可以达到较高的集热温度，满足太阳能吸附空调的特点。综合所测数据及曲线分析可以得出：吸附床内温度分布与太阳辐射强度有强烈的关联，主要沿轴向分布；吸附床内吸附过程沿吸附剂进口逐渐向内部传递。可顺利进行吸附脱附循环过程，并根据所接收太阳总辐照度计算其COP，范围在0.02～0.05之间。

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Performance Experimental Study of a Novel Solar Adsorption Refrigeration System

DU Chunxu，HOU Xiaohuang，YUAN Zhongxian，LIXiaohong，WU Yuting

（Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，Ministry of Education and Key Laboratory of Heat Transfer and Energy Conversion，Beijingmunicipality，College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

A novel solar adsorption refrigeration system is established and experimented by using a bed of evacuated glass tube.Towards the application in air conditioning the system has adopted ZSM-5 zeolite and water as theworking pair of the adsorption.With the close relation to the solar radiation intensity，the temperature of the bed reached 130℃during the experiment.The distribution of the temperature in the bed was detected variable drastically along the tube axis，while the variation wasmuch less along the circumferential direction.From the refrigerant inletof the bed to the bottom the adsorption process put forwards step by step and there was a time delay.The bed temperature impacted the adsorption seriously.The COP of the adsorption system was revealed to be in between 0.02 to 0.05.

Solar；ZSM-5 zeolite；Adsorption refrigeration；COP

A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.001

ISSN1005-9180（2015）03-001-06

2015-6-20

国家自然科学基金项目（51276005）

杜春旭（1972-），男，博士、助理研究员，主要从事太阳能发电方面的研究。Email：duchunxu@bjut.edu.cn