趙文魁，王云峰，趙沖，李明，梁靖康，黎學(xué)娟

(1.云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南 昆明 650500;2.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

太陽能吸附式制冷機(jī)因可直接利用太陽能且使用無污染且環(huán)境友好的工質(zhì)對(如沸石-水、硅膠-水、氯化鈣-氨、活性炭-甲醇等)[1]而受到廣泛關(guān)注.在吸附式制冷循環(huán)中，解吸性能直接影響系統(tǒng)的制冷性能.由Dubinin-Astakhov吸附理論可知，在解吸過程中，提高吸附床溫度可以提高制冷劑的解吸速率[2].于是有學(xué)者提出并采用拋物面聚焦器(CPC)集熱裝置的吸附床[3]，增加吸附管單位面積的熱量輸入，實(shí)現(xiàn)吸附管的快速升溫.在采用CPC技術(shù)和均勻布置翅片強(qiáng)化傳熱的基礎(chǔ)之上，使用微型真空泵以降低解吸過程的解吸壓力[4-5]，能有效提高制冷系統(tǒng)單位質(zhì)量吸附劑的制冷功率(SCP).ZHAO等[6]用CPC吸附床進(jìn)行了自然傳質(zhì)模式與強(qiáng)化傳質(zhì)模式的對比實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化傳質(zhì)模式促進(jìn)了制冷劑解吸從而提高系統(tǒng)的制冷量和性能系數(shù)(COP)，達(dá)到改善制冷劑解吸性能的目的，但是在直接強(qiáng)化傳質(zhì)模式下最開始解吸的這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)解吸壓力高于自然傳質(zhì)的現(xiàn)象，降低了解吸速率.

本文構(gòu)建了一種基于CPC聚光吸附床的太陽能吸附式制冷系統(tǒng)，并采用自然傳質(zhì)和強(qiáng)化傳質(zhì)相協(xié)同的運(yùn)行策略，即系統(tǒng)傳質(zhì)通道由自然與強(qiáng)化雙通道構(gòu)成，先以自然傳質(zhì)方式降低解吸過程的起始壓力，再通過強(qiáng)化傳質(zhì)模式降低解吸過程后段壓力.實(shí)驗(yàn)測試并分析了室外典型無云晴天工況下自然傳質(zhì)、強(qiáng)化傳質(zhì)和自然-強(qiáng)化傳質(zhì)協(xié)同三種模式下系統(tǒng)的性能.

1 太陽能吸附式制冷機(jī)工作原理

1.1 工作原理

固體式吸附制冷系統(tǒng)循環(huán)原理圖如圖1所示，吸附制冷系統(tǒng)工作的熱力循環(huán)過程主要有：加熱、解吸、冷卻和吸附四個(gè)過程.

圖1 固體吸附制冷循環(huán)原理圖

(1)過程一為等容加熱.初始狀態(tài)吸附床壓力和溫度分別為Pe和Ta，開始等容加熱過程，吸附床不斷地接收太陽輻射并且輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，其溫度和壓力也隨之升高.

(2)過程二為等壓解吸過程.在自然解吸過程中，解吸壓力為Pc，起始溫度為Tg，解吸結(jié)束時(shí)吸附床溫度為Tmax.在強(qiáng)化解吸過程中，解吸壓力為Pc′，低于自然傳質(zhì)過程解吸壓力，解吸結(jié)束時(shí)吸附床溫度為Tmax.

(3)過程三為等容冷卻過程.在理想的吸附式制冷循環(huán)過程中，等容冷卻過程起點(diǎn)的壓力為Pc/Pc′，吸附床溫度一直降至環(huán)境溫度，壓力同時(shí)降至Pe.

(4)過程四為等壓吸附.在等壓吸附過程中，蒸發(fā)器中的制冷劑不斷氣化，同時(shí)帶走冰箱中冷媒水的熱量.

吸附制冷循環(huán)過程由Dubinin-Astakhov (D-A)方程來描述，表達(dá)了活性炭的吸附率x與系統(tǒng)的溫度T和壓力P之間的關(guān)系，即[7]：

x(P,T)=

(1)

式中，W0—單位質(zhì)量活性炭的極限吸附體積，m3/kg；ρ(T) —制冷劑的密度，kg/m3；D—吸附劑-吸附質(zhì)對的表征系數(shù)；Ps(T)—制冷劑的飽和壓力，kPa；n—D -A方程的修正系數(shù);T—活性炭溫度，K;P—吸附/解吸壓力，Pa.

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

所研究的太陽能吸附式制冷系統(tǒng)圖如圖2，CPC吸附床參數(shù)如表1所示，吸附床放置于室外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，朝向?yàn)檎戏较?，吸附器?nèi)部均勻布置傳熱翅片.冷凝器為四根帶翅片銅管.傳質(zhì)泵采用微型無油微型真空泵，參數(shù)如表2所示.儲(chǔ)液瓶為10 L玻璃瓶，測量精度為5 mL.蒸發(fā)器為全鋁材質(zhì)，在吸附劑吸附制冷劑的過程中與冷媒水的快速換熱制冰.

表1 吸附床參數(shù)

圖2 太陽能吸附式制冷系統(tǒng)圖

表2 傳質(zhì)泵參數(shù)

1.3 系統(tǒng)性能評價(jià)

太陽能吸附式制冷系統(tǒng)可通過其制冷循環(huán)系數(shù)來評價(jià)其系統(tǒng)性能COP，公式如下[8]：

(2)

式中，Qref—蒸發(fā)器中制冷劑(甲醇)蒸發(fā)所帶走的熱量，MJ；Qs—CPC吸附床所接收的太陽能，MJ；Qpump—傳質(zhì)泵在運(yùn)行過程所消耗的電能，MJ.

蒸發(fā)器中制冷劑(甲醇)蒸發(fā)所帶走的熱量[9]：

Qref=ΔmaLe

(3)

式中，Δma—制冷劑循環(huán)量，kg；Le—制冷劑的汽化潛熱，J/kg.

吸附床在實(shí)驗(yàn)過程中所接收的太陽能Qs[10]：

(4)

式中，I—太陽瞬時(shí)輻射強(qiáng)度，W/m2；Aab—CPC吸附床面積，m2；t—太陽輻射時(shí)間，h.

傳質(zhì)泵工作過程消耗的電能：

(5)

式中，Ppump—傳質(zhì)泵瞬時(shí)功率，W；t—傳質(zhì)泵工作時(shí)間，h.

2 結(jié)果與討論

為驗(yàn)證不同傳質(zhì)模式下制冷劑解吸性能，在云南昆明(24.87°N，102.86°E，大氣壓為80 kPa)搭建了如圖2所示基于CPC太陽能吸附制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái).采用TRM-2輻射計(jì)測量實(shí)驗(yàn)過程太陽輻射強(qiáng)度和累計(jì)輻射量，獲得CPC所接收的太陽能.將T型熱電偶分別布置于每根吸附管中部的上、下側(cè)以測量其溫度，并用FLUKE記錄實(shí)驗(yàn)過程的吸附管壁溫度.

此次的吸附制冷實(shí)驗(yàn)對比了三種不同傳質(zhì)模式的解吸性能和COP，分別為模式1—自然傳質(zhì)，模式2—直接強(qiáng)化傳質(zhì)和模式3—自然與強(qiáng)化傳質(zhì)協(xié)同模式.三種傳質(zhì)模式下太陽能加熱時(shí)間均為從9∶20到15∶00.

2.1 吸附床溫度變化

圖3分別為三種模式下吸附床加熱過程的溫度變化趨勢.在10∶20開啟解吸通道后，有大量的制冷劑從吸附劑中解吸，帶走了吸附床的大量熱量，因此，在10∶20到10∶30時(shí)間內(nèi)吸附床的升溫速率相對減小.

圖3 吸附床溫度變化

由于吸附床接收的能量大于制冷劑的解吸熱，并且吸附床金屬部分吸收的熱量和活性炭的吸熱量以及吸附床內(nèi)甲醇的吸熱量均大于0，13∶00后太陽輻射強(qiáng)度雖然開始下降，但是于14∶30左右吸附床的溫度升高至最高值118 ℃.14∶30至15∶00，由于吸附床吸收的熱量不足以滿足制冷劑的解吸熱，因此，在結(jié)束解吸時(shí)三種傳質(zhì)模式下吸附管4的溫度分別降至111、107.7 ℃和114.8 ℃.

2.2 解吸壓力分析

吸附床在開始解吸之前是定容加熱過程.圖4記錄了三種傳質(zhì)模式下吸附床壓力隨時(shí)間的變化情況.在定容加熱過程中由于吸附床不斷接收太陽輻射，并且輻射強(qiáng)度I不斷增強(qiáng)，吸附床升溫較快，因此，由D-A方程可知吸附床壓力不斷升高.在定容加熱過程結(jié)束時(shí)吸附床壓力達(dá)到26.6 kPa，分別使用不同傳質(zhì)模式開始解吸：

圖4 吸附床壓力變化 圖5 制冷劑解吸體積變化

(1) 在傳質(zhì)模式1中，只打開真空閥門1.此時(shí)儲(chǔ)液瓶壓力為7.8 kPa，低于吸附床壓力26.6 kPa，壓力差致使制冷劑蒸汽迅速進(jìn)入冷凝器冷凝，吸附床壓力降至20 kPa.在隨后的一段時(shí)間內(nèi)，制冷劑自然擴(kuò)散速率小于制冷劑解吸速率，因此吸附床壓力升高至29.1 kPa.13∶00后輻射強(qiáng)度降低，同時(shí)吸附床中活性炭吸附率x的降低，制冷劑的擴(kuò)散速率大于制冷劑解吸速率后，解吸結(jié)束時(shí)吸附床壓力降至27.4 kPa.

(2) 在強(qiáng)化傳質(zhì)模式2過程中，開啟傳質(zhì)泵，吸附床壓力由27 kPa緩慢降低至22.5 kPa，然后由于真空泵無法將已經(jīng)解吸出來的制冷劑蒸汽送入冷凝器冷卻，因此吸附床壓力升高至27.5 kPa.此后，隨著制冷劑的解吸速率下降，吸附床壓力伴隨輻射強(qiáng)度降低而降低至22.4 kPa.

(3) 在先自然再強(qiáng)化傳質(zhì)的模式3中，解吸過程先打開真空閥門1通過自然傳質(zhì)通道傳質(zhì)，等吸附床壓力快速降低之后切換為強(qiáng)化傳質(zhì)模式.已經(jīng)解吸出來的制冷劑蒸汽通過自然傳質(zhì)通道快速進(jìn)入冷凝器冷卻，因此此時(shí)吸附床壓力從27.4 kPa快速降低至20.6 kPa.隨后，吸附床壓力變化趨勢與模式2基本一致.

2.3 解吸性能與結(jié)果分析

制冷劑的解吸量/循環(huán)量衡量了吸附式制冷系統(tǒng)的制冷性能，圖5表示了解吸出的制冷劑體積變化.解吸過程于10∶00開啟，在10∶10時(shí)三種傳質(zhì)模式下儲(chǔ)液瓶中分別有280、150 mL和300 mL甲醇液體.在模式2中，開啟真空泵解吸后，由于真空泵的流量限制，不能將吸附床中已經(jīng)解吸出來的制冷劑蒸汽快速輸送至冷凝器冷凝.然而，在11∶00時(shí)模式1和模式2的解吸量均為350 mL.在11∶10時(shí)，模式1和模式2的吸附床壓力到達(dá)24.7 kPa.在之后的解吸過程中，由于微型真空泵的降壓作用，模式2的吸附床壓力一直低于模式1.因此通過微型真空泵強(qiáng)化傳質(zhì)可有效降低吸附床壓力，在相同的吸附床溫度下使用真空泵強(qiáng)化傳質(zhì)比自然解吸獲得更高的解吸速率和更多的制冷劑循環(huán)量.模式2在13∶45就達(dá)到了模式解吸結(jié)束時(shí)的解吸量1 430 mL，解吸結(jié)束后強(qiáng)化傳質(zhì)模式解吸量相比于自然傳質(zhì)模式提高了19.72%.

通過對比模式2和模式3兩種不同傳質(zhì)方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文新提出的方法可以使解吸過程開始就能達(dá)到快速降低吸附床壓力的目的.由于沒有真空泵的限流作用，在解吸開始時(shí)制冷劑的解吸率和自然傳質(zhì)過程的解吸率幾乎一致，并且在之后的解吸時(shí)間內(nèi)使用真空泵強(qiáng)化傳質(zhì)過程的解吸速率一致.因此，在14∶10時(shí)傳質(zhì)模式3的解吸量就達(dá)到了1 700 mL，比模式2縮短了50 min.

在太陽能吸附式制冷循環(huán)中輻射強(qiáng)度決定制冷劑的解吸率，為了提高制冷劑的解吸量，必須縮短解吸過程所需時(shí)間.如圖5所示，解吸完成后模式1的解吸量為1 430 mL，模式2縮短了1.25 h，模式3縮短了1.67 h.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3，自然傳質(zhì)過程的制冷量和COP分別為1.25 MJ和0.076；強(qiáng)化傳質(zhì)過程的制冷量和COP分別為1.49 MJ和0.093，比自然傳質(zhì)模式提高了19.72%和22.37%；自然-強(qiáng)化傳質(zhì)過程制冷量和COP分別為1.62 MJ和0.100，比強(qiáng)化傳質(zhì)過程分別提高了8.82%、7.53%.

表3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

3 結(jié) 語

基于CPC太陽能吸附制冷系統(tǒng)，在晴朗天氣下進(jìn)行了自然傳質(zhì)、直接強(qiáng)化傳質(zhì)和自然-強(qiáng)化傳質(zhì)切換三種傳質(zhì)模式解吸性能的對比實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明，在相同的天氣狀況下，采用隔膜真空泵強(qiáng)化傳質(zhì)對太陽能吸附制冷解吸性能有非常明顯的提升效果(制冷量提高了19.72%).因此，強(qiáng)化傳質(zhì)在吸附制冷的解吸過程是非常有必要并且效果非常明顯的.

通過自然-強(qiáng)化傳質(zhì)可以脫離解吸開始時(shí)在強(qiáng)化傳質(zhì)過程由于隔膜泵流量的限制，同時(shí)擁有自然傳質(zhì)初始時(shí)快速降低吸附床壓力的優(yōu)點(diǎn)和強(qiáng)化傳質(zhì)過程通過隔膜泵持續(xù)降低解吸過程吸附床壓力.根據(jù)吸附理論，降低解吸過程壓力可以提高解吸速率從而促進(jìn)制冷劑解吸更徹底.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自然-強(qiáng)化傳質(zhì)過程制冷量和COP分別為1.62 MJ和0.100，比自然傳質(zhì)過程提高了30.28%和31.58%，比強(qiáng)化傳質(zhì)過程提高了8.82%和7.53%，證明此方法可有效提高單泵單冷凝器吸附制冷系統(tǒng)強(qiáng)化傳質(zhì)模式的制冷量及系統(tǒng)COP.