平板式太阳能吸附式制冷技术模拟研究

王壮远，安永亮，杨瑞雪，齐 东，张 垚

（华北理工大学迁安学院 河北 迁安 064400）

平板式太阳能吸附式制冷技术模拟研究

王壮远，安永亮，杨瑞雪，齐 东，张 垚

（华北理工大学迁安学院 河北 迁安 064400）

本课题以“太阳能吸附式制冷技术的模拟研究”为项目主题，设计一套平板式太阳能吸附式制冷系统，然后根据唐山地区在夏季8～9月份的太阳辐射强度、室外温度等数据，用Matlab7.0软件编制程序，对吸附床内温度、吸附率、系统的制冷系数进行模拟计算。

吸附制冷；太阳能；模拟

1 太阳能平板式吸附式制冷系统设计

吸附床的结构有很多，其中平板结构的集热吸附床应用广泛[1]。板式集热器模型如图1所示。模型设计为厚度为2mm的不锈钢板制成，边长为700mm的正方形集热床，并用同样厚度的钢板将集热床分割成大小相同的49个小分隔。集热床下面铺上两张钢丝网。

目前常用的吸附剂主要有活性炭、沸石和硅胶等，本项目选择活性炭作为吸附剂。制冷剂为甲醇，甲醇具有制冷温度低，汽化潜热大的优点。

太阳能平板式吸附式制冷系统设计如图2所示，其工作过程为白天平板集热吸附床接收太阳的热能，吸附床内温度逐渐升高，与此同时压力也随着升高。在高温高压下，被吸附剂活性炭吸附的气态制冷剂甲醇脱附出来，沿着管道流进冷凝器。在冷凝器的冷却作用下，气态甲醇被冷凝成甲醇液体。液态的甲醇经节流阀节流降压，低温低压的液态甲醇在进入蒸发器吸收汽化潜热，从液态变为气态，从而产生制冷效应。到了夜晚，太阳辐射程度、环境温度降低，从而吸附床被冷却，甲醇蒸汽就又会被吸附床内的活性炭吸附。从而实现循环，不断地产生制冷效应。

图2 太阳能平板吸附式制冷系统工作原理图

2 计算模型假设

利用Matlab软件进行模拟计算。计算时采取以下假设[2]：

（1）气体在系统内视为理想气体。

（2）吸附床内的压力大小仅随温度变化，且均匀分布。吸附剂活性炭与制冷剂甲醇之间传热无温差。

（3）活性炭在吸附床内的吸附速率满足Dubinin平衡吸附方程。

（4）吸附床内活性炭为均质，比热为常数，为简化计算传质时产生的阻力忽略不计。

（5）模型结构为刚性材料且固定不动，密度ρ可取为常数。

（6）甲醇液体吸附在活性炭的孔隙内且固定不移动，且无任何反应发生。

采用集总参数法，认为集热吸附床是一整体，处于平衡状态[3，4]。唐山地区为北纬39.36，东经118.11，海拔300～600m，取400m。唐山地区在8～9月份水平地面上瞬时太阳总辐射最大强度约为537.5W/m2。

3 分析计算结果

模拟计算分为三个过程进行，计算结果如图3所示。上午6时-11时，可简化为等容吸热过程[5]。中午11时-14时30分，可简化为等压吸热过程。下午4∶30～18∶30，可简化为等容冷却过程。然后利用ATLAB7.0软件进行实验结果的模拟实验。

图3 6∶00～11∶00平板集热床温度变化曲线

图4 11∶00～14∶30平板集热床温度变化曲线

如图3所示，在6时～7时30分时间内曲线较平缓，这是因为早上的时候太阳辐射强度不高，所以集热吸附床内吸收的热量较少，故温度升高得很慢。在7时30分后，曲线很陡，这是由于随着时间的增加，太阳辐射出的热量逐渐增多，所以集热床内温度就上升得很快。结束时温度大概为338K（66℃）。

如图4所示，11时将冷凝阀门打开，气态制冷剂甲醇从活性炭中脱附出来，然后流入冷凝器中被冷凝成液态甲醇。14∶30时平板集热床的温度可达到81℃。

图5 14∶30～16∶30平板集热床温度变化曲线

图6 吸附速度随时间的变化关系

如图5所示，当在14∶30对集热床自然冷却时，其温度迅速下降，第三阶段平板集热床终为17℃。图6为吸附速度与时间的变化关系。最后，计算得到制冷系数为COP=0.3402。

4 太阳能固体吸附式制冷技术目前存在的问题

根据计算COP=0.3402，平板式太阳能吸附式制冷技术在唐山地区的制冷系数是比较低的。经实验研究表明，太阳能吸附式制冷主要存在以下难点。

（1）吸附式制冷基本循环不能实现连续制冷，吸附床传热传质性能差，吸附、解吸所需的时间长，循环周期长，系统调节滞后时间长，制冷功率低，制冷系数小，能量利用率低[6]。

（2）晚上制冷不符合空调用能规律，限制了太阳能吸附式制冷的应用。

（3）太阳能是低品位能源，且供能不连续，太阳能集热技术难以保证高温而稳定的驱动热源，因此，系统需要较低的驱动温度。

[1]赵加佩，陈宁，冻小飞.太阳能吸附式制冷技术进展综述[J].能源研究与信息，2007，23(1): 23-27.

[2]刘家林，郑学林.太阳能固体吸附式制冷技术的研究与进展[J].绿色科技，2011，9(9):188-191.

[3]李生璐，杜涛.太阳能吸附式制冷技术[J].第七届全国能源与热工学术年：329-335.

[4]范介清，罗斌等.翅片管整体传热传质强化的太阳能吸附式制冷系统性能研究[J]太阳能学报,2014,35(9):1663-1669.

[5]王如竹.吸附式制冷[M].北京：机械工业出版社，2002，1-20.

[6]李东明，姜耀俭，王志国，李庆，项新耀.太阳能吸附式制冷吸附床的热力计算方法[J].太阳能学报，2003,24(4):483-487.

TK519 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）02-0060-02

课题：华北理工大学迁安学院大学生创新性实验项目 项目编号Q201603

指导教师：何红叶