带聚光集热器的太阳能吸附制冷实验系统

摘要

以太阳能为驱动力，开发并实验研究了一种新型吸附式制冷系统。该吸附系统采用水蒸气和沸石作为工质对。本文介绍了实验装置的搭建、操作步骤以及重要的实验结果。

摘要

为了提高太阳能吸附式制冷系统的性能，搭建并研究了一套配备聚光太阳能集热器的实验系统。该系统的主要组成部分包括吸附床、冷凝器、蒸发器、冷却子系统以及太阳能集热器。实验的第一步是在封闭条件下，利用太阳辐射对已饱和蒸汽的吸附床进行加热，导致床层温度和压力上升。当床层压力升高至足够水平时，将吸附床切换至与冷凝器连通，水蒸气便持续从吸附床流向冷凝器并被液化。随后，在脱附过程结束后需要对吸附床进行冷却。通过铝箔遮蔽阳光以实现避光条件，开启循环水回路与吸附床连通。随着水在吸附床内持续循环，床层中储存的热量被带走，床层压力相应下降。当床层压力降至蒸发温度对应的饱和压力以下时，打开通向蒸发器的阀门。大量水蒸气迅速进入吸附床，并被沸石材料吸附。由于蒸发器中的水发生大量汽化，最终产生了制冷效应。实验结果表明，无论吸附时间长短，SAPO-34沸石的COP（系统性能系数）和SCP（单位质量制冷功率）均高于ZSM-5沸石。采用SAPO-34沸石的系统实现了最高0.169的COP。

引言

随着传统蒸气压缩制冷技术导致的臭氧层消耗问题日益严重，近年来，以绿色技术替代传统制冷技术已成为研究热点。在各类绿色技术中，太阳能吸附式制冷受到了研究人员的广泛关注。吸附式制冷系统以低品位热能驱动，具有环境友好、结构紧凑和灵活性强等优点。该吸附系统也可由非太阳能驱动，例如利用热力设备排出的废热，或如Hu et al.所述，利用车辆发动机的尾气余热¹。

在吸附制冷系统中，吸附床是关键部件，其工作性能直接影响整个系统的运行效果。因此，正如Sutuki所指出的，吸附床的设计是最重要的问题。² 十年前，平板式床体主要应用于吸附制冷系统中。^3,4,5 在不使用任何太阳能聚光装置的情况下，平板吸附床的温度通常较低，因此系统的性能系数（COP）不理想。相比之下，管式吸附床提高了系统的COP。据Hadj Ammar报道，在撒哈拉以南地区，COP可达到0.21。 等⁶ 此外，Wang 等⁷ 开发了一种具有连续热再生特性的螺旋板式吸附器。该吸附床的新型设计缩短了系统的循环时间。Abu-Hamdeh 等⁸ El Fadar 报道了其关于采用抛物槽式集热器的太阳能吸附制冷系统的研究。试验结果表明，该系统的性能系数（COP）在 0.18 至 0.20 之间。 等⁹ 研究了一种与热管耦合并由抛物槽式集热器驱动的吸附式制冷系统，其最优性能系数（COP）为0.18。

为了增强管式床的传热性能，研究人员考虑了一些翅片管吸附器，并考察了其强化效果。Restuccia 等¹⁰提出了一种创新的床体结构，其形式为壳管式换热器。该结构采用内翅片管，并在其表面涂覆一层沸石，以降低金属表面与吸附剂材料之间的传热传质阻力。该系统在15–20秒的循环时间内实现了30–60 W/kg的比冷却功率输出。Al Mers 等¹¹证明，带有5–6个翅片的强化吸附器可显著减少吸附器向环境的热损失，从而使性能系数（COP）提高45%。Louajari 等¹²也研究了翅片管吸附器对太阳能驱动系统性能的影响。他们采用活性炭-氨作为工质对，结果表明，带翅片的吸附器中的循环传质能力优于无翅片的吸附器。

在本研究中，我们实验性地研究了一种改进的太阳能吸附制冷系统，该系统采用了太阳能跟踪抛物面槽式集热器，并配备了内部冷却通道。以SAPO-34/ZSM-5沸石和水蒸气作为工质对，该系统在热力学和制冷性能方面表现出良好的特性。本文将介绍并讨论实验方法以及典型的测试结果。

方案

1. 实验设置

注意：吸附式制冷系统由吸附床、蒸发器、冷凝器、真空泵和太阳能槽式集热器组成（图1）。系统中制造并应用了一种带有抛物面槽的自动太阳跟踪装置，以提高太阳能集热器的效率。该自动太阳跟踪槽由蜗轮蜗杆装置驱动，如图2所示。该装置包括步进电机、蜗杆、齿轮、限位块和手动轮。蜗轮蜗杆装置的尺寸为21 × 80 cm²。槽式集热器将太阳辐射聚焦到吸附床，吸附床位于抛物面槽的焦线位置。

图1： 太阳能吸附制冷实验系统 （上图）系统的示意图；（下图）实验装置的照片。上图展示了实验系统的各个组成部分，包括蒸发器、冷凝器、真空泵 等等。 下图显示了组装好的吸附式制冷系统的照片。该系统中，蒸发器和冷凝器采用翅片管结构，是一种紧凑型热交换器。吸附床由真空太阳能集热器改造而成，可有效吸收太阳能。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2： 蜗轮箱的结构。 蜗轮箱是将步进电机的旋转运动转化为抛物面槽式集热器太阳跟踪运动的装置。除了步进电机外，蜗轮箱还包括减速器、手轮和蜗杆轴。 等等。 将手动/自动切换手柄向左拉动，齿轮5a和5b分离，此时可通过旋转手轮手动控制槽体。将手动/自动切换手柄向右拉动，齿轮5a和5b啮合，此时由步进电机自动控制。

1. 通过焊接方法将跟踪式太阳能集热器连接至蜗轮轴。通过齿轮与蜗杆的啮合，将步进电机的旋转传递至太阳能集热器。使用一对管夹将管状吸附床与集热器固定在一起。
   注意：该系统由步进电机驱动，每天自动从东向西旋转，以跟踪太阳的运动。
2. 根据不同季节太阳高度角的变化，调整槽体相对于地面的倾斜角度。确定倾斜角度 β 当地纬度对槽的影响 Φ 以及太阳赤纬 δ，以及公式 β = Φ - δ手动旋转位于角度调节杆底部的小轮，以调节槽体（第13部分）的倾斜角度。 图1).
   注意：通过这种方式，槽式集热器接收到的太阳辐射尽可能接近正常情况。实验系统位于北京工业大学校园内，所处纬度为 39.89 °N 和经度 116.38 °E. 吸附床呈圆柱形，由一根真空太阳能集热管改造而成。图3).

图3：吸附床结构及温度探针的布置。（上图）床层结构示意图；（下图）床层中的温度探针与传质通道。上图显示了床层的基本结构，吸附剂材料被填充在光热吸收管与铜冷却通道之间的环形空腔内。太阳光穿过玻璃管，照射到光热吸收管表面，再通过热传导将太阳能传递至床层内部的吸附剂材料。下图显示了温度探针的位置，这些探针用于监测吸附/脱附过程中床层温度的变化。 请点击此处查看该图的放大版本。

3. 为促进太阳能的吸收，采用真空镀膜法在床层的太阳能吸收管（由不锈钢制成，d = 64.5 mm）表面镀一层黑色铬涂层。有关该技术的更多细节，请参考先前发表的选择性涂层相关文献¹³。确保涂层的太阳能吸收率为0.95，红外发射率为0.15，涂层厚度为0.08 mm。
   注意：该涂层可高效吸收太阳辐射，但自身发射辐射极弱。因此，太阳能可高效进入吸附床并有效转化为吸附剂的热焓。
4. 沿吸附床轴线插入一根铜管（d = 20 mm），并通过法兰将铜管固定于床体（见图3，上图）。该铜管在吸附过程中作为床层的冷却通道。
5. 将吸附剂材料填充至由床管与铜质冷却通道形成的环形空腔中。采用SAPO-34分子筛作为吸附剂，水作为制冷剂。将3.171 kg的SAPO-34分子筛装入床体中。颗粒状SAPO-34分子筛的直径为5.7 mm。
6. 在床体的三个横截面上布置九个温度探头，用于监测吸附/解吸过程中床层的温度变化（见图3，下图）。将每个探头固定在位于铜冷却通道上的小型支架上。
7. 将探头1和探头2置于靠近吸附床入口的A-A截面处，探头8和探头9置于床体盲端附近。其余探头固定于中间的B-B截面（见图3）。
8. 沿轴向将一根直径为10 mm的质量传递通道插入床体中。确保该传质通道为网状管结构，且长度与吸附床相同（d_bed = 64.5 mm）。从入口处向下延伸该通道，并依靠吸附剂材料的挤压力使其保持在正确位置。网状管有助于水蒸气快速进入床体深层区域。

2. 实验方法

注意：吸附式制冷基于以下原理：固体吸附剂在低温下强烈吸附制冷剂蒸气，而在较高温度下则解吸该蒸气。利用热能作为驱动动力，实现制冷目的。吸附系统的制冷循环主要包括四个步骤， 即太阳能加热过程、解吸过程、床层冷却过程和吸附过程。吸附过程完成后，解吸过程再次开始。实验的所有步骤都同样重要，因为它们相互关联并相互影响。

1. 通过以下步骤调节实验装置，启动太阳能加热及床层解吸过程。
   1. 实验前手动调节抛物面槽式集热器，使其朝向正东方，以确保正午时太阳光垂直照射到集热器表面。
   2. 关闭所有与吸附床相连的阀门，并确保床层及管道内的压力低于 800 Pa，为太阳能加热做好准备。
   3. 早晨太阳光线与地平线平行时，开启系统的控制装置，使集热槽自动旋转以跟踪太阳运动。
   4. 在密闭条件下，利用太阳辐射加热已饱和的吸附床。在此过程中，床层温度和压力将逐渐升高。
   5. 使用压力表（图 1 中编号 6）监测床层压力，直至其高于环境冷凝温度所对应的饱和压力值。根据热力学数据，30 °C 时水的冷凝压力为 4,246 Pa。
2. 开始解吸过程。
   ​注意：在解吸过程中会发生水蒸气的冷凝，冷凝温度由测试当天的当地气象条件决定。
   1. 打开连接吸附床与冷凝器的阀门，使水蒸气通过连接管道流入冷凝器。随着水蒸气进入冷凝器，冷凝器温度将逐渐上升。
   2. 同时继续对吸附床进行太阳能加热，以维持足够高的床层压力，确保解吸持续进行。在过程完成前不得停止加热。
   3. 当吸附床压力与冷凝器压力相等时，结束解吸过程，并关闭相应阀门。
3. 在吸附过程开始前对床层进行冷却，因为在解吸结束后床层仍处于高温状态。吸附剂材料仅在低温下才能有效吸附水蒸气。
   1. 为启动吸附过程，使用铝箔覆盖吸附床，使其与太阳辐射隔离。
   2. 关闭连接蒸发器与冷凝器的所有阀门。
   3. 开启床层的循环水回路，对吸附剂材料进行冷却。随着冷却水在床层内持续循环，内部焓值被带走，床层压力相应下降。
   4. 当床层压力降至蒸发器温度对应的饱和蒸气压以下时，结束冷却过程。
      注意：床层冷却完成后，即可准备进入吸附制冷过程。此时床层温度接近环境空气温度，床层压力已降至最低水平。
   5. 在吸附过程中保持循环水回路处于运行状态。吸附为放热过程，所产生的热量需尽快排出系统。
   6. 打开吸附床与蒸发器之间的阀门，使水蒸气从蒸发器迅速进入吸附床。
      注意：蒸发器内蒸气压力降低，促使更多液态水蒸发，导致蒸发器温度急剧下降。因此，蒸发器从其所处的水箱中吸收热量，从而实现制冷效果。
   7. 持续进行吸附过程，并记录床层温度与压力的变化。
      注意：在吸附过程中，蒸发器内的蒸气压力不断降低，而床层温度则迅速升高。
   8. 当床层压力与蒸发器压力相等时，结束吸附过程。随后将再次进入解吸过程。

3. 数据约简方法

1. 根据制冷能力和热-冷转换效率评估制冷系统的性能。
   ​注意：对于当前系统，制冷能力通过蒸发的水的质量以及蒸发器本身的温度变化来计算。
   1. 为确定系统的总制冷能力（Q_ref），需计算水箱中冷水、金属蒸发器以及吸附后蒸发器内残留水的焓降之和，如下所示：
      
      其中，公式 (1) 中的 c_p 为定压比热容，m 表示质量。C 是考虑水箱与周围环境之间传热影响的蒸发器制冷能力修正系数，根据传热原理，假设 C = 1.15。下标 w 和 e 分别代表水和蒸发器。在该公式中，m_w,tan 和 m_w,eva 分别表示水箱中冷水的质量和蒸发器中残留水的质量，对应温度下降 ΔT_w 和 ΔT_e。
      注意：需要知道输入至吸附床的太阳能，以评估热-冷转换的效率。
   2. 确定太阳能输入量 Q_s 如下：
      
      其中，I_s,i (t) 是在解吸过程中由日射强度计记录的瞬时太阳辐射强度。对 I_s,i (t) 进行数据采集的时间间隔 Δt 为 10 秒。抛物槽的孔径面积 A_p、槽面反射效率 ρ、管玻璃透射率 τ、涂层表面太阳吸收系数 α，以及 公式 (1) 中的参数均列于 表 1 中。
   3. 基于上述获得的 Q_ref 和 Q_s，确定制冷系统的性能系数（COP）¹⁴：
      
      β₁ 和 β₂ 是对太阳能输入量 Q_s 的修正系数。β₁ 是槽体非理想抛物度的修正系数，用于考虑因制造工艺限制导致的槽体形变，假设 β₁ = 0.85。β₂ 是吸附床实际获得热量的修正系数。由于金属床管尺寸小于外层玻璃管，实际获得的热量少于反射到玻璃管上的热量。β₂ 由金属床直径 D₂ 与玻璃管直径 D₁ 的比值决定。当 D₁ = 100 mm 且 D₂ = 64.5 mm 时，计算得 β₂ = 0.645。
   4. 根据实验参数确定吸附床的单位冷却功率¹⁴：
      
      其中，m_a 为吸附剂材料的质量，t_ads 为吸附过程持续的时间。

表1：公式(1)和公式(2)中参数的取值 参与的参数包括 方程 (1) 和 方程 (2) 在此表格中列出。参数包括 c_p，A_p, α, 等等。

结果

吸附过程中床层的传质特性
吸附床始终是吸附制冷系统中最重要的部件，而传热与传质特性是影响整个系统性能的主要因素。通过分析如图3（底部图）所示的横截面温度变化记录， 可以了解床层的传热传质特征。图4展示了吸附过程中床层温度的动态变化。该图表明，SAPO-34分子筛的传质能力良好，因为不同截面位置的吸附几乎在同一时间开始。如果床层的传质阻力较低，则床层可在较短时间内达到吸附平衡，从而使床内吸附剂材料得到充分利用。由于循环水对流具有较强的冷却作用，在吸附开始约400–600秒后，除第9个时间点外，床层温度的急剧上升得到了有效抑制。相比之下，若采用自然空气冷却方式，床层温度下降则相对较慢。相关实验结果已在Du et al.¹⁴中进行了深入讨论。气流的冷却效果微弱，导致床层热量难以有效排出，进而影响吸附制冷系统的循环性能。相比之下，水冷方式对该...

讨论

作为一个热力学系统，太阳能吸附式制冷装置的性能取决于系统的优化设计和正确运行。床层的供热方式和冷却方法对于保证系统良好运行都至关重要。由于水的对流换热强度较高，通常优先采用水冷而非风冷。吸附剂材料导热性能差，通常是限制床层传热速率的主要因素。为了提高床层的传热性能，人们提出了多种改进措施，例如在内部增加翅片结构以增强传热。¹⁹ 硅胶是另一种常用的吸附剂材料。若在太阳能吸附系统中使用硅胶，则床层的解吸温度必须控制在95 °C以下，以防止硅胶过度脱水而失活。

与大多数可再生能源系统类似，当前的吸附式制冷系统在工程应用方面存在一些不足。其中显著的问题是系统的间歇性工作。由于加热和冷却过程的固有特性，当使用单个吸附床时，吸附系统无法持续提供冷量。为解决这一问题，一些研究人员考虑采用双床耦合系统，并应用再生式传热传质技术。这类系统可能变得相当复杂，但性能提升往往并不理想。另一个需要考虑的因素是天气状况的影响。在天气不佳的情况下，系统将无法获得足够的太阳能供应。此时，需要配备备用热源，以确保系统能够继续运行。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
蒸发器	自制		翅片式换热器
冷凝器	自制		翅片式换热器
蒸发器水箱	自制		容积：9L
冷凝器水箱	自制		容积：9L
真空泵	北京京瑞泽翔仪器有限公司		转速：1400，电机功率：370W
冷凝器压力传感器	北京力诺天晟仪器有限公司	16P2623	最大值：2200Pa
床层压力传感器	北京力诺天晟仪器有限公司		最大值：2200Pa
吸附床	自制		圆柱形玻璃管
抛物面槽式聚光器	自制		高反射铝板
水泵	自制		电机功率：250W，扬程：8m
水箱	自制		容积：500L
DRT-2-2 直接太阳辐射计	北京天宇德科技有限公司	03140132	灵敏度：13.257μV/W•m2
TBQ-2 太阳总辐射表	锦州阳光科技发展有限公司，中国	209079	灵敏度：12.733μV/W•m2
SAPO-34 分子筛	廊坊鹏彩有限公司，中国		长度20mm，直径2.2mm
ZSM-5 分子筛	廊坊鹏彩有限公司，中国		直径5.7mm