硅胶粒径对太阳能吸附制冷系统性能的影响

王泽鹏，苑中显，王洁，文鑫，刘一默

（北京工业大学环境与生命学部，北京 100124）

制冷技术是社会发展的重要技术之一，它为人们提供了舒适的生活条件。但是制冷系统的广泛应用对能源和环境产生了巨大影响，常规蒸汽压缩式制冷中广泛使用的制冷剂会加剧大气温室效应和臭氧层空洞。因而，使用天然制冷剂的绿色制冷技术越来越引起关注，而太阳能吸附式制冷技术便是其中之一。

虽然太阳能吸附式制冷系统使用天然制冷剂，但是目前仍然不能替代广泛使用的蒸汽压缩制冷系统。实际上，此类系统仍然存在着体积大、成本高和效率低的问题。人们采用多种措施，试图改进这类装置的性能。Yuan等为了提高太阳能集热器的效率，研制了一种抛物槽聚光式太阳能自动跟踪装置来驱动吸附制冷系统，其吸附床由真空太阳能集热管改造而成，可有效捕捉太阳能。为了增强吸附床的传热能力，Mohammed 等将硅胶颗粒置于高孔隙率泡沫铝中，发现硅胶-水吸附床的有效热导率可以显著提高。Li 等以SAPO-34 沸石-水为工质对，在给定翅片高度和厚度情况下，研究了翅片数量从2到8不同情况下的系统性能，结果表明随着翅片数量的增加，系统制冷量和性能都有明显提高。

此外，吸附剂和吸附质的选择对吸附式制冷系统也有着重要影响。Wang 等以活性炭-甲醇为工质对进行太阳能吸附式制冷实验研究，采用强化传质的方法，使系统的制冷系数（COP）相比于自然传质状态的吸附式制冷系统提高了35.9%。Hadj等以活性炭-甲醇为工质对，并用Dubinin-Astakhov方程描述吸附关系，然后进行了数值模拟研究，结果表明在冷凝温度较低、蒸发温度较高的情况下，系统性能最优，日制冰量可达13.65kg。但是活性炭-甲醇系统亦有缺点，甲醇有剧毒，并且系统是真空系统，负压系统的可靠性通常比正压系统差。Louajari 等设计了一种以活性炭-氨为工质对的太阳能吸附式制冷系统，采用加装翅片的方式使该系统的COP 可达到0.111。虽然活性炭-氨系统是在正压条件下工作，但是氨有毒且具有刺激性气味，与活性炭-甲醇工质对相比，循环吸附量还要较小一些。Frazzica等描述了一种基于活性炭-乙醇为工质对的吸附式制冷机样机的设计、实验和测试，结果表明该制冷机的比制冷功率（SCP）为50W/kg，COP在0.09～0.11之间。不过，活性炭-乙醇的吸附量相比于活性炭-甲醇较小，比制冷功率及效率均较低。

目前，国际上兴起一种有机金属骨架材料作为吸附剂。Solovyeva 等对新型高效水蒸气吸附剂MOF-801 的吸附平衡和吸附动力学进行了综合研究，结果表明在吸附温度为30℃、蒸发温度5℃时，MOF 材料与水蒸气有显著的亲和力，比制冷功率可达到2kW/kg，在吸附制冷方面有很高的潜力。How 等采用另一种有机金属骨架材料CAU-10 进行吸附实验并与铝基沸石材料进行了对比，结果发现CAU-10材料由于具有较高的吸附率，能够导致很高的SCP 和COP。Liu 等以MIL-101(Cr)/CaCl-20%作为吸附式制冷的吸附材料，水为吸附质，在液位法的基础上建立了封闭式吸附系统性能测试装置。实验结果表明，当吸附温度为293K 时，COP为0.18，SCP 为142.4W/kg。但是MOF 材料造价昂贵，这也限制了其广泛应用。

与活性炭相类似的物理吸附剂还有沸石与硅胶等，其与水结合可作为吸附式制冷系统中的工质对。Du 等在太阳能加热条件下研制了一种太阳能吸附式制冷系统，以SAPO-34 分子筛作为吸附剂，水为吸附质，结果表明SAPO-34 的制冷能力优于ZSM-5，COP可以达到0.169。Pan等设计制造了额定制冷功率3kW的硅胶-水吸附式空调，并对其在不同工况下的性能进行了全面测试，结果表明实际制冷功率和COP 分别达到3.98kW 和0.632。Liu等以硅胶-水为工质对进行太阳能吸附式制冷实验研究，在最佳吸附时间时系统的COP 可达到最大值0.258，与SAPO-34 分子筛-水为工质对的吸附式制冷系统相比较，硅胶系统的最大COP 是SAPO-34系统最大值的1.93倍。

吸附剂自身的性质对吸附式制冷系统也有着重要的影响，吸附剂粒径大小便是其中之一。Niazmand 等设计一种以SWS-1L（硅胶材料孔隙内含有CaCl）和水为工质对的板翅管式吸附式制冷实验系统，研究了粒径对吸附式制冷系统性能参数的影响，结果表明当粒径在0.2～0.3mm 范围内时，系统性能最佳。Huang 等研究了硅胶颗粒直径对有效热导率的影响，结果表明在硅胶粒径为0.3～0.605mm 时，其有效热导率是基本稳定的，但是当硅胶粒径为0.7mm 时，其有效热导率明显降低。陈思宇等采用数值模拟方法研究了圆筒型吸附床的二维非稳态脱附传热过程，分析了吸附剂粒径和吸附床的总孔隙率对吸附床传热性能的影响，结果表明当吸附剂的粒径较小且吸附床的总孔隙率较大时，吸附床的传热性能最优。

吸附材料的密实度和粒径大小影响吸附床的传热传质性能，从而影响系统的制冷能力。本文的研究依托现有的抛物槽聚光式太阳能吸附制冷实验台，对不同硅胶粒径的性能表现开展实验研究。设计三种实验工况，分别填充平均粒径为1mm、3mm、5mm 的硅胶颗粒。根据硅胶生产厂家的产品说明书，三种硅胶粒径实际上都具有一定的分布范围，分别为0.5～1.5mm、2～4mm 和4～8mm，而1mm、3mm、5mm的硅胶颗粒占各自组别的份额能够达到95%。为方便起见，在下面的讨论中，将直接用平均直径代表其组别。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

实验系统装置如图1所示，采用抛物槽集热器收集太阳能作为吸附式制冷系统的驱动热源，玻璃-金属真空集热管作为吸附床。吸附床内填充A型细孔硅胶作为吸附剂，实验用三种硅胶的物理性质如表1 所示，其主要差别在于堆积密度的不同，图2是其实物照片。

图1 太阳能吸附制冷实验装置实物照片

表1 A型细孔硅胶的主要物理性质

图2 三种粒径硅胶实物照片

预先在吸附床内布置温度、压力传感器，以便于实时监测床内温度及压力变化，分析系统性能。吸附床结构及温度测点布置位置如图3所示。实验过程中采用DRT-2-2测量太阳直射辐射强度，计算评估系统输入的太阳能。实验中所得温度、压力及太阳辐射强度数据均由Aglient34970A采集系统采集。

图3 吸附床结构及温度测点位置

1.2 实验方法

太阳能吸附式制冷系统运行主要包含四个过程，分别为吸附过程、预热过程、脱附过程以及冷却过程。图4为实验系统工作原理图，吸附过程开始时，打开阀门V2、V3和V4，此时吸附床在经历上一轮的冷却过程后处于负压状态，打开阀门后蒸发器中的水蒸气进入吸附床，被硅胶颗粒吸附。水蒸气的蒸发需要从周围吸入大量热量，从而产生制冷效果，这也是实验装置的最终目的。由于吸附过程会产生吸附热，热量蓄积导致吸附床温度升高，而吸附材料在高温下吸附性能又会下降，所以在吸附过程中，必须开启循环水泵，使冷却水在吸附床内部的冷却铜管中循环流动，以保证吸附材料处在较低的温度水平，实验中采用25℃的冷却水以0.694m/s的速度流经吸附床，并实时监测冷却水温度变化，及时更换冷却水使其温度保持在25℃。吸附过程中需要避免太阳辐射加热吸附床，因此要对吸附床进行遮光处理。吸附过程一旦结束，关闭阀门V2、V3和V4，切断吸附床与蒸发器和冷凝器的联系，开始太阳照射下的预热过程。此时抛物槽在步进电机驱动下缓慢转动，对太阳进行跟踪，通过聚光作用将太阳辐射能转变为热量源源不断地输入到真空管式吸附床内部，使得硅胶材料不断升温升压。当吸附床内压力达到12kPa 时，预热过程结束，然后打开阀门V1、V3 和V4，开始脱附过程。水蒸气由于压力差的作用，会迅速从吸附床流入到冷凝器中进行冷凝。12kPa下水蒸气的冷凝温度为50℃，而实验中环境温度一般在35～40℃之间，在温差作用下冷凝器最终将凝结热量排入大气环境。当吸附床内压力下降到7.5kPa并保持稳定后，脱附过程结束，之后进入冷却过程。冷却过程开始时，关闭阀门V1、V3和V4使吸附床处在与外界隔绝的定容状态，然后打开循环水泵，通入冷却水对吸附床进行冷却，直至压力与温度均恢复至初始的低温低压状态，为下一循环做好准备。

图4 实验系统工作原理图

原则上，自然条件下不同实验工况的实验结果难于精确比较，但是，一个实际工作的太阳能装置又必须给出其具有一定可信度的评价。因此，选择在晴朗无风、阳光充足的天气条件下进行实验，使不同工况的实验条件尽量接近，以达到单纯考察硅胶颗粒影响之目的。三种工况的实验日期分别为2021年7月2日、7月6日及7月7日。这三天的环境温度比较接近，均在35～40℃之间，太阳直射辐射强度也比较接近，均在690W/m左右（参见下文“系统制冷性能评价”部分）。另一方面，在数据整理过程中，太阳对吸附床的加热作用是以积分形式而不是以其强度形式体现的，因此天气差别的影响在一定程度上被纳入了评价体系。在后面的数据整理部分会看到，不同粒径工况的制冷性能差别明显。同一种吸附剂材料在接近的天气条件下的制冷性能，则不会有明显的变化，或者说，其变化与吸附剂粒径所引起的系统性能变化相比要小得多。这一点本文作者课题组在以前的研究过程中已经进行了证明。

2 实验数据整理方法

在吸附式制冷过程中，制冷量可以根据循环吸附水蒸气的质量及水蒸气的汽化潜热来计算，并据此进行制冷性能分析。除此之外，制冷量还应包括吸附降温过程中金属蒸发器的显热变化和蒸发器中水的显热变化。制冷量计算见式(1)。

式中，为吸附过程中制取的总冷量，kJ；为循环过程中被吸附的水的质量，kg；为水的汽化潜热，=2450kJ/kg；c、c分别为冷媒水和金属蒸发器的定压比热容，kJ/(kg·K)；、分别为循环结束时金属蒸发器中剩余水和金属蒸发器的质量，kg；Δ为蒸发器与蒸发器中水对应的温度降，K。

在预热、脱附过程中所需的太阳能输入量由抛物槽集热器吸收的太阳直射辐射提供。该吸附床在整个循环中需要的太阳能输入量可由式(2)计算。

式中，为抛物槽集热器收光孔面积，2.407m；(t)为瞬时太阳直射辐射强度，W/m；为真空玻璃-金属吸附床表面选择性涂层的吸收率，0.95；为集热槽反射率，0.7；为玻璃真空管的透射率，0.935；实验中，使用太阳直射辐射表以Δ时间间隔测量太阳直射辐射强度，在所有工况中均取Δ=10s。

单位质量吸附剂的制冷功率称为比制冷功率，通常用SCP 表示，单位为W/kg。它用来衡量一个制冷设备的紧凑性和输出功率大小。本文定义SCP和SCP两种比制冷功率，其中，SCP为按照吸附时间定义的比制冷功率，而SCP为按照循环周期定义的比制冷功率。定义两种比制冷功率，是为了便于区分吸附时段的制冷效果和循环周期内的制冷效果。对于传统的压缩式制冷或者热电制冷，其制冷过程都是连续性的，因此SCP的计算不需要区分制冷时段和全周期，但是吸附制冷则不同，它的制冷是间隔性的，循环周期是由吸附、预热、脱附和冷却四个过程构成的，吸附过程制冷，其他三个过程不制冷。因此，SCP分别计算更能反映系统的工作特点。鉴于以上分析，这里的SCP在数值上总是大于SCP。这两个指标分别由式(3)和式(4)计算。

式中，、、和分别代表预热时间、脱附时间、冷却时间和吸附时间，s；为吸附剂的填充量，kg。衡量制冷系统工作性能的另一个常用指标是制冷系数（COP），是指系统每单位输入功耗所获得的制冷量大小，在太阳能吸附制冷系统中输入功耗用输入太阳能加热量代替。COP是制冷系统的一项重要技术指标，其数值越大，表明制冷系统的能源利用效率越高。对于本实验系统，COP定义为式(5)。

式中，、是抛物槽集热器的校正因子。考虑了实际抛物面与理想抛物槽的形状偏差，=0.85。另外，所用抛物槽的设计是基于吸附床外部玻璃管的尺寸，而不是内部涂有选择性吸收涂层的金属管尺寸。因此，抛物槽聚集的阳光有一部分不会照射到金属内管上，而是直接穿透玻璃管进入到环境中。考虑到这一设计缺陷，采用校正太阳能输入量。由内部金属管直径=64mm 与外部玻璃管直径=100mm之比确定，=0.64。

为了正确评价系统性能，需要对实验结果进行误差分析。实验数据的基本测量误差取决于测量方法和所用仪器的准确度。实验中需要测量的参数主要有温度、压力、质量和太阳直射辐射强度。实验中，温度测量采用PT100 型热电阻，在0～200℃范围内，误差范围为0.25%。压力测量采用T22 型绝压压力传感器，测量范围为0～50kPa，误差范围为0.1%。实验中吸附材料与水的质量使用ACS-30JZ电子天平测量，电子天平最大量程为10kg，精度0.01%。另外，太阳直射辐射由DRT-2-2型辐射仪测量，精度为0.15%。根据误差传递公式，误差分析表明太阳能吸附式制冷系统的制冷量误差范围为5.98%，COP 的误差范围为6.13%，相应的，SCP的误差范围为6.02%。

3 吸附床动态特性

3.1 吸附过程床内传热传质特性

吸附过程开始时，在上一轮冷却过程的作用下，吸附床内为负压（约为800Pa），此时打开吸附床与蒸发器相连接的阀门，蒸发器内的水瞬间蒸发，大量涌入吸附床被硅胶颗粒吸附，并产生制冷效果。吸附开始后，床内压力与蒸发器压力很快趋于一致，达到2500Pa 左右。在之后的吸附过程中压力缓慢增加，但变化不大，如图5所示。下面重点讨论吸附过程中吸附床的温度变化。

图5 吸附过程蒸发器压力与床内压力变化

吸附过程床内三个测点的温度变化曲线如图6所示。图6(a)～(c)依次表示吸附床入口端、中部和末端的温度情况。图6(a)和(b)显示，小粒径的硅胶材料，在入口端和中部相较于大粒径硅胶具有更大的吸附量，因为小颗粒工况的温度崛起最大。但是其较大的传质阻力导致中部的硅胶材料开始吸附的时间更晚。吸附床前半部的吸附情况，整体上是小粒径最优，而大粒径最差。但是，结合图6(c)所反映的吸附床后半部的情况看，发现吸附结果发生了逆转，大粒径硅胶变得最佳，而小粒径最差。研究过程中当然希望吸附床各个部分的吸附表现都是最佳的，但现在的结果是，小粒径硅胶前半部最佳、后半部最差；大粒径硅胶正好相反。那么究竟应该怎样评价其优劣呢？这个问题还需从制冷量和系统性能指标上来讨论。

图6 吸附过程不同硅胶粒径的床温变化

3.2 预热脱附过程床内参数变化

实验过程中预热、脱附过程是依次进行的，因此将这两个过程放在一起讨论。预热脱附过程需要利用抛物槽集热器聚集太阳光加热吸附床，三种粒径工况对应的预热脱附过程的太阳直射辐射强度比较接近，具体而言，小粒径工况的太阳直射辐射强度平均值为694.35W/m，中粒径工况为692.63W/m，大粒径工况为689.01W/m。预热脱附过程中吸附床压力变化曲线如图7所示，图中横坐标的刻度从50min开始，是接续前述吸附时间为50min的结果。预热脱附过程三种工况的压力变化呈现出一致的趋势，这里以大粒径工况3的结果为例进行分析。在预热阶段，由于太阳持续加热作用，床内压力基本呈现直线上升的趋势，加热33.5min 之后床内压力由2500Pa升至12000Pa左右。预热刚开始时吸附床压力的小幅下降，是由瞬间切断阀门之后床内吸附仍在继续，而太阳加热量并不能及时传入床内所导致。吸附床内压力达到硅胶脱附所需压力时（图中时间等于83min），打开阀门V1、V3、V4，切换到脱附状态的瞬间，在压力差的作用下高温水蒸气从吸附床内涌入冷凝器，从而造成吸附床内压力骤降（约降低2200Pa）。随后，床内压力缓慢降低，直至稳定在7500Pa左右，此时认为脱附过程结束。

图7 预热脱附过程吸附床压力变化

与图7 所示的压力变化相对应，图8 为预热脱附过程吸附床温度随时间的变化曲线（中部测点2）。可以看出，图中73～85min之间温度出现小幅下降，系由连接阀门V1骤然打开所致，它与图7中压力骤降点相对应。骤降点将升温曲线分为左右两部分，左部代表吸附床定容预热工况，右部代表准定压加热工况，床内水蒸气边脱附边流入冷凝器冷凝。由于定压过程中系统的比热大于定容过程的比热，因此升温曲线的右半部分斜率较小，说明进入脱附阶段后，吸附床升温速率比定容阶段要缓慢一些。

图8 预热脱附过程吸附床温度变化曲线

另一方面，从三种粒径工况的升温情况分析，各粒径工况的升温曲线有所不同，尤其是小粒径工况1和大粒径工况3 的差别明显。预热阶段工况1和工况2 升温接近，工况3 较差。进入脱附阶段后，三种工况的温度变化差别越发明显，工况1的升温速度明显高于其他两者。这种结果应该是吸附床的表观热导率不同所造成的。小粒径硅胶填充密实，颗粒之间接触热阻小，因此导热能力强，升温快；大粒径硅胶接触热阻大，导热能力差，升温慢。但是，需要注意的是，吸附床升温本身不是目的，加热升温是为其吸附制冷服务的。前已述及，小粒径工况中吸附床后部的材料基本上不参与吸附，未能发挥其制冷作用，那么，这里所看到的升温优势也就不具有积极意义，同时具备良好的传热、传质性能时，对于吸附式制冷系统才是最优的。虽然图8是针对中部测点2的温度变化的测温结果，但其他两个测点的温度曲线与此大同小异。所谓吸附床的优化，就是要找出其合理的形式，使其各部分都能够充分发挥作用。如果填充了吸附剂，也经历了加热、冷却各过程，但最终材料不参与吸附制冷，显然这不是研究所需要的。

3.3 冷却过程床内参数变化

在脱附过程结束时，吸附床内较高的温度和压力不利于直接进行吸附过程，需要对吸附床进行冷却。冷却过程在吸附床遮阳条件下进行，床内压力降低到1000Pa 时冷却过程结束。图9、图10 分别为冷却过程测点3处床温和床内压力变化曲线。在冷却过程开始时，由于冷却水温度和吸附床内温度相差较大，床内的温度和压力迅速下降。但是随着时间的推移，冷却水与床内温差变小，床内温度和压力下降速率变缓。大约在冷却50min之后温度和压力曲线开始变得扁平。另外分析图10中的数据，可以发现三种工况压力达到1000Pa 的时间有所不同，工况1降到1000Pa用时121min，而工况2和工况3分别用时124.5min和130.5min。

图9 冷却过程床内温度变化

图10 冷却过程床内压力变化

4 系统制冷性能评价

本文将三种粒径工况下各实验参数汇总在表2中。可以看出，小粒径工况1硅胶填充量最多，但是其吸附量和制冷量居中。相比之下，中等粒径的硅胶在较不利的太阳辐射条件下却获得了最大吸附量和制冷量。大粒径工况虽然消耗了最多的太阳总辐射量，但是只得到了最少的772.24kJ 的总制冷量。据此计算出的比制冷功率SCP和制冷系数COP，也均表明中等粒径工况的表现最好。由此可见吸附材料的填充量并不是最决定性因素，床内空隙率也不是唯一决定因素，真空管式吸附床的工作性能，实际上是由吸附材料的自身特性、颗粒大小、床的轴向尺寸，以及周期控制策略等诸多因素综合决定的。所谓的系统优化，只能够在一定的限制条件下进行。本文的优化结果，也必须在给定的吸附床结构、给定的过程时间控制条件下来理解。另一方面，表2中的数据是单个吸附床、在单个制冷周期的优化结果，如果改为双床或多床，或者按照一天中太阳能利用率最大化的原则来优化，结论很可能就会不同。

表2 三种粒径硅胶的系统制冷性能

根据表2 中SCP的结果，显然是大粒径工况3的数据最好，达到了73.34W/kg。这个结果说明，如果单按照吸附时间内系统制冷能力而言，大粒径工况是最好的，所有填充的吸附剂都最大限度地发挥了吸附制冷作用。但是，SCP掩盖了大粒径硅胶预热时间、脱附时间和冷却时间都比较长的不利的一面，因此这是一种片面的衡量标准。一旦从系统的投入产出比来整体衡量，大粒径工况的劣势就显现出来。从COP看，工况3的数值明显低于其他两个工况。对于太阳能热力系统而言，热转换系数和比功率同样重要，前者代表装置的科学完善性，而后者代表其紧凑性，两者互为表里。一个热力装置，如果它工作性能好，而且体型也小，那么它就是更好的。

5 结论

本文讨论了采用以抛物槽集热器聚集太阳光作为驱动热源，玻璃-金属真空管作为吸附床，硅胶-水为工质对的太阳能吸附式制冷系统的一系列实验结果。按填充硅胶颗粒的平均粒径不同，设计三种实验工况，即粒径分别为1mm、3mm、5mm，进行实验研究，分析不同粒径的硅胶材料对吸附床传热传质特性及系统制冷能力的影响。实验过程中控制三种工况吸附时间一致为50min，其余过程均按照其自身运转所需参数进行相应控制，实验结果如下。

（1）粒径的减小虽然增加了硅胶颗粒在床内的填充量，但与此同时也带来了较大的传质阻力，造成了床内吸附量的不均匀分布，导致其吸附量并非是最可观的，反观粒径中等的工况2吸附量、COP和SCP均最大。而粒径最大的工况3，因其填充量过小，吸附量和制冷量在三者中最小。

（2）粒径的大小对系统的传热性能有着较大的影响。吸附剂粒径越小，硅胶颗粒间的接触热阻也越小，吸附床内综合的导热性能便越强，预热脱附、冷却过程所需要的时间就越短。但是，太阳能吸附制冷系统并不是由系统的导热性能单一决定的，必须将吸附床的动态传热能力和传质能力统筹考虑才有实际意义。