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....

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 x 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....

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，水冷方式对该系统更为有利。<.......

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