宋莎莎，唐祥虎，劉雪燕，程俊峰( 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306 )

太陽能吸附式制冷管的實驗研究

宋莎莎，唐祥虎，劉雪燕，程俊峰
( 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306 )

本實驗在室內(nèi)用碘鎢燈代替太陽輻射，通過改變碘鎢燈與太陽能冷管之間的距離來調(diào)節(jié)太陽輻射強度。整個周期太陽輻射強度范圍為400～1000W/m2，室內(nèi)環(huán)境溫度范圍在19～25℃，濕度維持在40%左右。太陽能冷管吸附床脫附過程中的最高溫度為120℃；吸附過程中溫度下降至20℃左右；太陽能冷管一個周期內(nèi)單根冷管的制冷量為160kJ，制冷系數(shù)約為0.15。太陽能冷管可以有效地利用太陽能制冷，是一種對環(huán)境友好、沒有溫室效應(yīng)和臭氧破壞勢的制冷方式，該研究具有潛在的應(yīng)用價值，具有節(jié)能環(huán)保的特點。

太陽能；冷管；吸附式制冷；節(jié)能；環(huán)保

1 引言

太陽能作為對環(huán)境友好的可再生能源，由于其具有覆蓋面廣，儲量大、可再生、無污染等特點，成為最具關(guān)注的焦點之一。在制冷領(lǐng)域，太陽能的利用包括吸收式制冷和吸附式制冷兩大類。其中，太陽能吸附式制冷系統(tǒng)可以有效地利用低品位能源，不產(chǎn)生污染性物質(zhì)，在環(huán)保和節(jié)能方便顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，在環(huán)境危機日益惡化的今天得到廣泛的親睞。

太陽能冷管是基于固體吸附原理，利用太陽輻射充當驅(qū)動熱源，在單一冷管內(nèi)獨立完成吸附和脫附過程的制冷元件。20世紀末，上海交通大學(xué)的劉震炎教授[1-3]率先在國際上提出了單管自成制冷制熱單元的太陽能冷管，使太陽能的利用步入了一個新的時期。隨著太陽能冷管技術(shù)的不斷發(fā)展，其問題也越來越突出，主要表現(xiàn)在固體吸附制冷真空度難以維持、吸附床集熱效率低的問題，此后上海交通大學(xué)又通過對太陽能冷管整體結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計，研制出了第一代單效太陽能冷管和第二代制冷和制熱同步的雙效太陽能冷管；隨后又有大量的學(xué)者對太陽能冷管進行了研究：李明[4]等對翅片式冷管進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能分析，新型結(jié)構(gòu)的翅片式吸附床不僅增強了傳熱傳質(zhì)能力，而且縮小了吸附床各個部分之間的溫差；Paolo Corrada[5]等通過優(yōu)化太陽能集熱器傾角來提高吸附制冷系統(tǒng)中能量的采集能力；N.M.Khattab[6]利用活性炭-甲醇在戶外對一種新型太陽能冷管冬夏兩季的制冷性能進行了對比和分析；Antoni Gil[7]等將相變材料(PCM)應(yīng)用于太陽能制冷系統(tǒng)中。

圖2 太陽能冷管制冷循環(huán)示意圖

太陽能冷管擁有巨大的市場前景和潛在的應(yīng)用價值。太陽能冷管能夠高效的利用太陽輻射能，為生產(chǎn)生活持續(xù)的提供冷量和熱量，具有成本低，效率高，清潔無污染等優(yōu)點。此外，太陽能冷管空調(diào)系統(tǒng)與建筑巧妙結(jié)合在一起，不僅形成視覺上的美的效果，而且達到了節(jié)能的目的，綠色建筑將成為未來建筑的發(fā)展趨勢。

2 太陽能吸附式制冷管實驗原理

2.1 太陽能吸附式制冷管工作原理

太陽能吸附式制冷是吸附工質(zhì)對在以太陽能為熱源的驅(qū)動下在集熱器上完成吸附與脫附過程的制冷循環(huán)。其制冷系統(tǒng)示意簡圖如圖1所示：

圖1 太陽能吸附式制冷循環(huán)示意圖

循環(huán)過程如下：白天，太陽光照射在吸附床上對吸附床進行加熱，吸附床溫度逐漸上升，當吸附床溫度上升到制冷劑在該壓力下的飽和溫度時，制冷劑開始從吸附床上的脫附出來，脫附出來的制冷劑蒸汽經(jīng)過冷凝器冷凝進入蒸發(fā)器，釋放大量的冷凝熱；到了晚上，太陽輻射消失，溫度開始緩慢下降，當吸附床的溫度達到制冷劑在該壓力下的飽和溫度時，吸附過程發(fā)生，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，吸收大量的汽化潛熱從而達到制冷的目的。如圖2為太陽能冷管制冷循環(huán)示意圖。

本文設(shè)計的新型太陽能冷管由吸附床、冷凝端和蒸發(fā)端等部分構(gòu)成。吸附床使用薄壁不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)部設(shè)置有六根等距的矩形肋片，大大增強了吸附床的導(dǎo)熱能力，在吸附床的中央設(shè)置有吸附質(zhì)蒸汽通道。冷管的冷凝端亦采用不銹鋼材質(zhì)，有利于提高冷凝速率。冷凝器與玻璃外管的封接處用“O”型圈密封，并在接口處涂上高真空膠。其循環(huán)過程如下：在白天，冷管吸收太陽輻射，吸附床逐漸升溫，當吸附床內(nèi)溫度達到制冷劑的脫附溫度時，制冷劑開始從吸附床中脫附，經(jīng)冷凝器冷卻成液體，冷凝器外壁與室外通過自然對流換熱，釋放出大量的冷凝熱。當太陽下山后，冷管不再接受太陽輻射，吸附床溫度開始降低，當管內(nèi)溫度達到制冷劑吸附溫度時，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑通過相變制冷。其結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 新型太陽能冷管結(jié)構(gòu)示意簡圖

表1 新型太陽能冷管結(jié)構(gòu)參數(shù)

冷管結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值(mm) 套管外徑吸附/集熱器外徑冷凝端/蒸發(fā)端長度翅片寬度 玻璃管壁厚吸附床長度玻璃管長度吸附質(zhì)通道外徑翅片長度5848250141.512001800161200

2.2 冷管制冷性能測試系統(tǒng)

圖4為太陽能制冷性能測試系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)由以下三個部分構(gòu)成：輻射強度測試部分，室內(nèi)參數(shù)測試部分與太陽能冷管各參數(shù)測試部分。輻射強度測試部分包括TBQ-2總輻射表、QTS-4光輻射記錄儀、數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置；室內(nèi)參數(shù)測試由溫濕度儀來完成；太陽能冷管各參數(shù)測試部分有溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、熱電偶、壓力變送器等部分組成，將以上各部分經(jīng)由USB端口和計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接。將熱電偶設(shè)置在制冷劑通道、冷凝端外壁、蒸發(fā)端外壁，近似測量吸附床、冷凝器和蒸發(fā)器的溫度。安捷倫數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)定每2min記錄一次數(shù)值，并用標記法每隔30min測量制冷劑脫附量，一個完整的制冷循環(huán)時間為24h。

本試驗在實驗室內(nèi)進行，從早上8∶00開始，次日早上8∶00結(jié)束，試驗為一個周期。本實驗研究的基本原理概述如下：實驗開始前，打開碘鎢燈(模擬太陽輻射，并用太陽能輻射儀記錄太陽瞬時輻射量和總輻射量)對太陽能冷管進行加熱(通過調(diào)節(jié)碘鎢燈矩陣與冷管間的距離來改變碘鎢燈的輻射強度)，吸附床內(nèi)的溫度開始緩慢上升，當溫度達到制冷劑的脫附溫度時，制冷劑開始擺脫吸附劑的約束，以蒸汽的形式從吸附床中脫附出來，再經(jīng)由吸附質(zhì)通道進入冷凝端與室內(nèi)空氣進行換熱，最終被冷卻的制冷劑液體在重力的作用下流進蒸發(fā)器；在吸附階段，關(guān)閉碘鎢燈。此時，吸附床內(nèi)的溫度開始緩慢回落，當溫度降低到蒸發(fā)壓力下的飽和溫度時，吸附過程發(fā)生，制冷劑因蒸發(fā)而產(chǎn)生大量的冷量。

圖4 太陽能冷管制冷性能測試實驗臺

圖5 抽真空時冷管內(nèi)壓力變化

圖6 制冷劑填充過程系統(tǒng)壓力變化

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 太陽能冷管抽真空過程

抽真空過程：首先關(guān)閉閥門1、閥門2，啟動真空泵，然后開啟閥門1、閥門3，連續(xù)對太陽能冷管工作40min。然后打開碘鎢燈矩陣，對冷管進行加熱，并繼續(xù)對系統(tǒng)進行抽真空。圖5所示為太陽能冷管熱排空過程壓力變化，由于太陽能冷管容積很小，系統(tǒng)壓力在10min內(nèi)迅速從大氣壓下降到500Pa左右，隨著抽真空過程的繼續(xù)進行，太陽能冷管內(nèi)真空度最終穩(wěn)定在400Pa左右，達到該狀態(tài)點的極限壓力值。抽真空過程持續(xù)40min以后，打開碘鎢燈，開始對太陽能冷管進行加熱。在熱排空過程的初始階段冷管內(nèi)壓力未出現(xiàn)明顯的波動，這是因為吸附床溫度沒有達到該狀態(tài)下制冷劑的脫附溫度。隨著吸附床溫度持續(xù)增高，當溫度達到脫附溫度后，制冷劑擺脫束縛，脫附出的水蒸氣使冷管內(nèi)壓力持續(xù)增高。熱排空過程持續(xù)大概3小時以后，系統(tǒng)內(nèi)壓力上升到1300Pa左右，并保持穩(wěn)定，制冷劑完全脫附。

3.2 制冷劑的填充過程

在制冷劑的填充過程中，系統(tǒng)內(nèi)壓力變化曲線如圖6所示。當吸附瓶內(nèi)抽真空完畢后，關(guān)閉真空閥1，打開真空閥3，使太陽能冷管與吸附瓶連通。此時，系統(tǒng)內(nèi)壓力迅速上升到1200Pa左右。當真空閥3開啟后，太陽能冷管與吸附瓶相連通，隨著時間的推移，系統(tǒng)內(nèi)的壓力逐漸下降，由最初的1200Pa下降到500Pa左右，這是由于冷管的吸附床在靜態(tài)吸附吸附瓶內(nèi)的制冷劑的過程中，吸附床溫度逐漸下降，太陽能冷管中的吸附劑不斷的吸附吸附瓶內(nèi)的水蒸氣，系統(tǒng)中壓力下降。最初的時候系統(tǒng)內(nèi)壓力下降速度較快，隨著時間的推移，壓力的下降速率越來越慢，最終，系統(tǒng)內(nèi)壓力維持在400～500Pa之間。

圖7 脫附段吸附床和環(huán)境溫度變化

圖8 吸附段吸附床和環(huán)境溫度變化

圖9 冷凝溫度與室溫

圖10 蒸發(fā)溫度和室溫

3.3 吸附床溫度的變化

圖7與圖8為太陽能冷管在吸附制冷實驗過程中吸附床溫度變化曲線；在起始階段，冷管內(nèi)溫度趨于環(huán)境溫度。打開碘鎢燈，模擬太陽光透過玻璃外管開始對冷管吸附床加熱，吸附床溫度開始逐漸上升；當實驗進行到180min左右時，脫附過程發(fā)生，制冷劑蒸汽開始掙脫吸附劑的束縛，經(jīng)過吸附質(zhì)通道進入冷凝器，進而被冷凝成液體，沿內(nèi)壁流進蒸發(fā)器。初始階段因為吸附床向陽面與背陰面溫差較大，吸附床內(nèi)的溫升速率較大。隨著實驗的進行，吸附床溫度逐漸上升并最終趨近于120℃，此階段由于吸附床內(nèi)溫差逐漸縮小，吸附床內(nèi)熱傳導(dǎo)變慢，吸附床內(nèi)的溫升速率逐漸變慢，并趨于穩(wěn)定。當實驗進行到500min左右時，關(guān)閉碘鎢燈矩陣，此時太陽能冷管不再接受碘鎢燈輻射，吸附床內(nèi)溫度開始緩慢降低，此時脫附過程仍在繼續(xù)。待實驗進行到600min左右后，脫附過程完畢。隨后太陽能冷管繼續(xù)通過管壁與外界進行換熱，吸附床溫度繼續(xù)下降，待溫度達到吸附劑的吸附溫度時(30℃左右)，吸附過程發(fā)生，制冷劑開始在蒸發(fā)器發(fā)生相變，帶走大量的汽化潛熱。

3.4 冷凝溫度和蒸發(fā)溫度變化

圖9所示為太陽能冷管向陽面的環(huán)境溫度隨著模擬光源輻射強度的變化曲線，其最高溫度約為34℃；打開碘鎢燈，太陽能冷管受到模擬光源輻射，制冷劑掙脫吸附劑的束縛經(jīng)吸附質(zhì)通道進入冷凝器，制冷劑蒸汽透過冷凝器外壁和室內(nèi)空氣進行熱量交換，釋放出凝結(jié)熱。在冷凝過程中，冷凝器的最高溫度可以達到34℃，最低溫度為21℃，冷管冷凝溫度與向陽面環(huán)境溫度的最大溫差約為14℃。

圖10所示為蒸發(fā)溫度在一個制冷循環(huán)周期中的變化；當關(guān)閉碘鎢燈矩陣后，冷管停止接收模擬光源輻射，吸附床溫度開始逐漸降低，壓力亦隨之變低，當蒸發(fā)器內(nèi)壓力達到制冷劑液體蒸發(fā)溫度下所對應(yīng)的飽和壓力值時，制冷劑開始吸附。由于未向中心管中通入冷卻水，本制冷單元管采用自然對流冷卻方式。開始時，制冷劑液體溫度較高，要達到所需要的制冷溫度，需要耗費一部分制冷劑的汽化潛熱。隨后蒸發(fā)溫度急速降低，并在240min時刻點達到最低值8℃。實驗初始階段，吸附床的吸附能力較強，蒸發(fā)速率較快，蒸發(fā)溫度急劇降低，當吸附床的吸附能力趨于飽和時，蒸發(fā)溫度開始逐漸升高，并逐漸趨近于環(huán)境溫度。

4 結(jié)論

(1)太陽能冷管的制冷性能實驗整個實驗周期太陽輻射強度范圍為400～1000W/m2，室內(nèi)環(huán)境溫度范圍在19～25℃，濕度維持在40%左右；太陽能冷管內(nèi)極限壓力可以達到300Pa左右。

(2)太陽能冷管吸附床脫附過程中的最高溫度為120℃，可以充分的脫附；吸附過程中溫度下降至20℃左右，完全可以滿足吸附的要求，實驗過程中冷凝溫度最高可達34℃，冷凝溫度的最大溫差為15℃左右，最低蒸發(fā)溫度為8℃，單根冷管的制冷量為160kJ，制冷系數(shù)約為0.15，制冷時間可以持續(xù)10個小時以上。

[1] 劉震炎,盧允莊,王永堂.一種新穎的太陽能制冷管及其性能實驗研究[J].太陽能學(xué)報,2000,(1):82-88

[2] 劉震炎,盧允莊.冷管型太陽能制冷系統(tǒng)[J].熱能動力工程,2000,(6):587-589

[3] 劉震炎，趙惠忠，盧允莊，等．太陽能制冷管的機理與結(jié)構(gòu)改進實驗[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報，2004，38(10)：1635一1638

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[6]N.M.Khattab,H.Sharawy,M.Helmy.Development of Novel Solar Adsorption Cooling Tube.Energy Procedia.2012,18:709-714

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The Experimental Study of Solar Energy Adsorption Cooling Tube

SONG Shasha，TANGXianghu，LIU Xueyan，CHENG Junfeng

( Merchant Marine College of Shanghai Maritime University,Shanghai 201306 )

This experiment use iodine tungsten lamp instead of solar radiationin indoor，adjusting the intensity of solar radiation by changing the distance between the iodine tungsten lamp and solar cooling tube.In the whole cycle,the radiation intensity range of the sun is 400～1000W/m2,the ambient temperature is 19～25℃ and the humidity remains at about 40%.The highest temperature of the adsorption bed is 120 ℃ in the desorptionprocess and The temperature of the adsorption bed falls to about 20 ℃.The refrigerating capacity of single solar cooling tube is 160kJ and the COP is 0.15.It is a way of refrigeration which caneffectively utilize solar energy.It is friendly to the environment with its GWP&ODP=0.The study has the characteristics of environmental protection and energy saving with potential value of application.

Solar energy；Cooling tube；Adsorption refrigeration；Energy saving；Environmental protection

2015-11-24

宋莎莎(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：余熱利用技術(shù)。Email：602630151@qq.com

ISSN1005-9180(2016)04-016-06

TK511+.3文獻標示碼：A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.003