Name: 聚光集热器太阳能吸附制冷实验系统 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-10-18T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 18 s
Description: 了解聚光集热器太阳能吸附制冷实验系统的运行原理与性能评估方法。本研究采用水蒸气与沸石工质对，通过太阳能追踪装置优化集热效率，为可持续制冷技术提供实验数据支持。

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本研究工作由国家重点基础研究发展计划（编号：2015CB251303）和国家自然科学基金（编号：51276005）资助。

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。
<img alt="太阳能吸附制冷系统示意图与装置；蒸发器、冷凝器、吸附床、真空泵" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55925/55925fig1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
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。 <a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55925/55925fig1v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="带有齿轮、步进电机和蜗轮的机械系统示意图，标注各组成部分。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55925/55925fig2v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图2"> 
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料槽。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。
<ol>
	<li>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。使用一对管箍将管状吸附床与集热器固定在一起。 
	注意：在步进电机的驱动下，系统每日自动从东向西旋转，以跟踪太阳的运动。</li>
	<li>根据不同季节太阳高度角的变化，调节槽体相对于地面的倾角。通过当地纬度 Φ 和太阳赤纬 δ 确定槽体的倾角 β，计算公式为 β = Φ - δ。手动旋转位于角度调节杠杆底部的小轮，以调节槽体的倾角（编号13部分， 图1）。 
	注意：通过此方式，可使太阳辐射尽可能垂直入射至槽体表面。实验系统位于北京工业大学校园内，地理坐标为北纬39.89°、东经116.38°。吸附床呈圆柱形，由一根真空管式太阳能集热管改造而成（图3）。</li>
</ol>
<img alt="带真空管的太阳能集热器设计；示意图显示了吸热管和真空夹层结构。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55925/55925fig3v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="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。吸附材料被填充在吸热管与铜制冷却通道之间的环形空腔内。太阳光穿过玻璃管，照射到吸热管表面，再通过热传导将太阳能传递至床层内部的吸附材料。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。<a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55925/55925fig3v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol start="3">
	<li>为促进太阳能的吸收，在床层的太阳能吸收管（由不锈钢制成，d = 64.5 mm）表面通过真空镀膜法涂覆一层黑色铬沉积层。有关该技术的更多信息，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：该涂层可有效吸收太阳辐射，但自身几乎不发射热辐射，从而使太阳能易于进入吸附床并高效转化为吸附剂的热焓。</li>
	<li>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在床体上（见图3，上图）。该铜管在吸附过程中作为床层的冷却通道。</li>
	<li>将吸附剂材料填充至由床管与铜制冷却通道之间的环形空腔中。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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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置于床体的封闭端附近。其余探头固定在中间的B-B截面处（见图3）。</li>
	<li>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（dbed = 64.5 mm）。从入口处向下延伸该通道，并利用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。</li>
</ol>
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。实验的所有步骤均同等重要，因为它们相互关联并相互影响。
<ol>
	<li>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。
	<ol>
		<li>实验前手动调节抛物面槽式聚光器，使其朝向正东方，以确保正午时太阳光垂直照射到聚光器表面。</li>
		<li>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。</li>
		<li>早晨太阳光线与地平线平行时，开启系统的控制装置，使聚光槽自动旋转以跟踪太阳运动。</li>
		<li>在密闭条件下，利用太阳辐射加热已饱和的吸附床。随着加热进行，床层温度和压力将逐渐升高。</li>
		<li>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蒸气压。根据热力学数据，30 °C 时水的冷凝压力为 4,246 Pa。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>开始解吸过程。 
	​注意：在解吸过程中，水蒸气会发生冷凝。冷凝温度由测试当天的当地气象条件决定。
	<ol>
		<li>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，其温度将逐渐上升。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>为启动吸附过程，使用铝箔覆盖吸附床，使其与太阳辐射隔绝。</li>
		<li>关闭连接蒸发器与冷凝器的所有阀门。</li>
		<li>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。</li>
		<li>当床层压力降至低于蒸发器温度下的饱和蒸气压时，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。</li>
		<li>在吸附过程中保持循环水回路处于工作状态。吸附为放热过程，所产生的热量需尽快排出系统。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 数据降维方法
<ol>
	<li>根据制冷系统的制冷量和热-冷转换效率评估其性能。 
	注意：对于当前系统，制冷量通过蒸发的水的质量以及蒸发器本身的温度变化来计算。
	<ol>
		<li>为了确定总制冷量（Q参考文献) 计算蓄冷水中、金属蒸发器以及吸附后残留在蒸发器中的水的焓值降低量之和，如下所示： 
		<img alt="热力学方程，系统传热分析的能量平衡计算公式" src="/files/ftp_upload/55925/55925eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1"> 
		其中 cp 在 方程 (1) 是定压比热容，m 表示质量。C 是考虑水箱与周围环境之间传热对蒸发器制冷量的修正系数，根据传热原理，假设 C = 1.15。下标 w 和 e 分别表示水和蒸发器。在方程 mw,tan 和 mw,eva 是储水罐中冷水的质量与蒸发器中残留水的质量，对应于温度下降 ΔTw 和 ΔTe分别。 
		注意：需要测量输入到床层的太阳能，以评估热能-冷能转换的效率。</li>
		<li>确定太阳能输入 Qs 作为： 
		<img alt="静力平衡方程，ΣI_(i,j)(t) 图示；教育用物理公式。" src="/files/ftp_upload/55925/55925eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 2"> 
		其中，Is,i (t) 是解吸过程中由日射强度计记录的瞬时太阳辐射强度。数据采集的时间间隔 Δt 对于 Is,i (t) 为 10 秒。抛物面槽的孔径面积 Ap，槽面反射率 ρ、管壁玻璃透射率 τ 以及涂层表面的太阳吸收系数 α，连同其中的参数 方程 (1)，均列于 表1.</li>
		<li>根据 Q参考文献 以及Qs 上述获得的结果，确定制冷系统的性能系数（COP）14: 
		<img alt="用于能源系统分析中COP计算的热力学方程" src="/files/ftp_upload/55925/55925eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 3"> 
		β1 和 β2 用于校正太阳能量输入 Q 的校正因子sβ1 是沟槽非抛物线程度的校正因子，用于考虑因制造技术限制所导致的沟槽形变，假定β1 = 0.85。β2 是床层实际获得热量的校正系数。由于金属床管的尺寸小于外层玻璃管，实际获得的热量低于照射到玻璃管上的热量。β2 由金属床直径 D 的比值决定2 与玻璃管直径 D1. 使用 D1 = 100 mm 和 D2 = 64.5 mm，据此可计算出 β2 = 0.645.</li>
		<li>根据实验参数确定床层的比冷却功率14: 
		<img alt="特定冷却功率公式 SCP，用于说明研究分析中的能效计算。" src="/files/ftp_upload/55925/55925eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 4"> 
		其中 ma 是吸附剂材料的质量和 t广告 是吸附过程的时间持续长度。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="热容和质量表；热分析参数，显示比热和质量值。" src="/files/ftp_upload/55925/55925table1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="表 1"> 
表 1：公式 (1) 和公式 (2) 中参数的取值。 本表列出了参与公式 (1)和公式 (2)的参数，包括 cp、Ap、α、etc.

<ol><li>Hu, P., Yao, J. J., Chen, Z. S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890408003701">Analysis for composite zeolite/foam aluminum-water mass recovery adsorption refrigeration system driven by engine exhaust heat.</a> Energ Convers Manage. 50, 255-261 (2009).</li>
<li>Sutuki, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0890433293900584">Application of adsorption cooling system to automobiles.</a> Heat Recov Syst CHP. 4 (13), 335-340 (1993).</li>
<li>Li, M., Wang, R. Z., Xu, Y. X., Wu, J. Y., Dieng, A. O. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148101001884">Experimental study on dynamic performance analysis of a flat-plate solar solid-adsorption refrigeration for icemaker.</a> Renew Energy. 27, 211-221 (2002).</li>
<li>Liu, Y. L., Wang, R. Z., Xia, Z. Z. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140700704001768">Experimental study on a continuous adsorption water chiller with novel design.</a> Int J Refrig. 28 (2), 218-230 (2005).</li>
<li>Sumathy, K., Li, Z. F. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148198002560">Experiments with solar-powered adsorption ice-maker.</a> Renew Energy. 16, 704-707 (1999).</li>
<li>Hadj Ammar, M. A., Benhaoua, B., Balghouthi, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890415008481">Simulation of tubular adsorber for adsorption refrigeration system powered by solar energy in sub-Sahara region of Algeria.</a> Energ Convers Manage. 106, 31-40 (2015).</li>
<li>Wang, R. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431197000380">Experiment on a continuous heat regenerative adsorption refrigerator using spiral plate heat exchanger as adsorbers.</a> Appl Therm Eng. 18, 14-19 (1998).</li>
<li>Abu-Hamdeh, N. H., Alnefaie, K. A., Almitani, K. H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890413002604">Design and performance characteristics of solar adsorption refrigeration system using parabolic trough collector: experimental and statistical optimization technique.</a> Energ Convers Manage. 74, 162-170 (2013).</li>
<li>El Fadar, A., Mimet, A., Pérez-García, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148109001128">Study of an adsorption refrigeration system powered by parabolic trough collector and coupled with a heat pipe.</a> Renew Energy. 34, 2271-2279 (2009).</li>
<li>Restuccia, G., Freni, A., Russo, F., Vasta, S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431104002819">Experimental investigation of a solid adsorption chiller based on a heat exchanger coated with hydrophobic zeolite.</a> Appl Therm Eng. 25, 1419-1428 (2005).</li>
<li>Al Mers, A., Azzabakh, A., Mimet, A., El Kalkha, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431106000329">Optimal design study of cylindrical finned reactor for solar adsorption cooling machine working with activated-ammonia pair.</a> Appl Therm Eng. 26 (16), 1866-1875 (2006).</li>
<li>Louajari, M., Mimet, A., Ouammi, A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261910003491">Study of the effect of finned tube adsorber on the performance of solar driven adsorption cooling machine using activated carbon-ammonia pair.</a> Appl Energ. 88, 690-698 (2011).</li>
<li>Mattox, D. M., Kominiak, G. J. <a target="_blank" href="http://avs.scitation.org/doi/10.1116/1.568750">Deposition of semiconductor films with high solar absorptivity.</a> J Vac Sci Technol. 12, 182-185 (1975).</li>
<li>Du, S. W., Li, X. H., Yuan, Z. X., Du, C. X., Wang, W. C., Liu, Z. B. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X16304182">Performance of solar adsorption refrigeration in system of SAPO-34 and ZSM-5 zeolite.</a> Sol Energ. 138, 98-104 (2016).</li>
<li>Ron, M., Gruen, D., Mendelsohn, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0022508880901836">Preparation and properties of porous metal hydride compacts.</a> J. Less- Common Metals. 74 (2), 445-448 (1980).</li>
<li>Liu, Z. Q., Wu, F., Tan, Z. H., Chen, S., Wang, G. Q. An experimental study of thermal conductivity enhancement on solid adsorption refrigeration. Mater Rev. 15 (12), 61-63 (2001).</li>
<li>Gordeeva, L. G., Freni, A., Restuccia, G., Aristov, Y. I. <a target="_blank" href="https://www.jstage.jst.go.jp/article/jcej/40/13/40_07WE168/_article">Adsorptive air conditioning systems driven by low temperature energy sources: choice of the working pairs.</a> J Chem Eng Jpn. 40 (13), 1287-1291 (2007).</li>
<li>Kakiuchi, H., Shimooka, S., et al. <a target="_blank" href="https://www.jstage.jst.go.jp/article/kakoronbunshu/31/4/31_4_273/_article">Water vapor adsorbent FAM-Z02 and its applicability to adsorption heat pump.</a> Kagaku Kogaku Ronbun, Jpn. 31 (4), 273-277 (2005).</li>
<li>Li, X. H., Hou, X. H., Zhang, X., Yuan, Z. X. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890415000898">A review on development of adsorption cooling-Novel beds and advanced cycles.</a> Energ Convers Manage. 94, 221-232 (2015).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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。
<p class="jove...

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&#160;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。

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

带聚光集热器的太阳能吸附制冷实验系统

Experimental System of Solar Adsorption Refrigeration with Concentrated Collector

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。

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。<...

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。

为提高太阳能吸附制冷系统的性能，搭建并研究了一套配备聚光集热器的实验系统。

本实验的总体目标是研究带有太阳能集热槽的太阳能吸附系统的制冷性能。该方法有助于回答太阳能吸附制冷领域中的一些关键问题，例如如何提高系统的性能系数以及单位功率的比制冷量。几年前，我们开始考虑如何利用太阳能降低制冷能耗时，首次提出了该方法的构想。这是位于北京工业大学校园内的太阳能吸附制冷系统。该系统的主要组成部分是一个吸附床，位于槽式太阳能集热器的焦点处，并配有太阳跟踪装置。吸附床与冷凝器和蒸发器相连。蒸发器安装在一个由系统进行冷却的水箱上。循环水回路可以冷却吸附床。这些部件之间的连接方式如本示意图所示。吸附床通过管路与蒸发器和冷凝器相连。压力表用于监测吸附床管路内的压力。阀门可用于隔离吸附床。为使吸附床释放水蒸气，请打开此阀门及冷凝器上的阀门。当吸附床需要吸收水蒸气时，关闭冷凝器阀门并打开蒸发器阀门。泵在管路中建立真空，连接吸附床、蒸发器和冷凝器。必要时，循环水回路可冷却吸附床。吸附床的详细信息见此示意图。其外部为一根玻璃管。它与太阳能吸收管同轴。两者之间为真空层。太阳能吸收管内部设有用于水冷系统的同轴铜管。该横截面显示，在中心轴外存在一个传质通道。太阳能吸热管与内部管道之间的区域填充了以水为制冷剂的吸附材料。在系统的不同位置，吸附材料中均设有温度探头。两个位于系统一端140毫米处，五个位于系统中部，另有两个位于系统另一端140毫米处。为了启动制冷循环，首先将太阳能槽式集热器对准太阳以进行跟踪。手动调节集热器，使其最大程度地接收太阳辐射，随后关闭与之相连的阀门，以隔绝吸附床，并确保吸附床及管道内的压力低于800帕斯卡。确保所有阀门均处于关闭状态，且无冷却水循环，然后启动太阳能跟踪系统的控制器。随着时间推移，系统将追踪太阳运动，在密闭条件下加热含水饱和的吸附床。当槽式集热器移动时，通过压力表监测吸附床内的压力。等待压力升至高于环境冷凝温度对应的数值。在适当压力下，启动解吸过程。打开连接床层与冷凝器的阀门。当水蒸气流动时，持续对吸附床进行太阳能加热。当吸附床与冷凝器压力相等时，关闭吸附床与冷凝器之间的阀门。随后，取一张足以覆盖吸附床的铝箔。使用它遮挡试管免受太阳辐射，以启动吸附过程。打开循环水回路以冷却吸附剂材料。监测床层压力，以确定其何时低于蒸发器的饱和蒸气压。此时，打开床层与蒸发器之间的阀门，使水蒸气迅速进入床层。继续吸附过程，并记录床层温度和床层压力的变化。当床层与蒸发器压力相等时，关闭连接两者的阀门。然后，停止水循环中的流动。最后，移除吸附管上方的铝箔块，以启动脱附过程。这些数据来自吸附过程中SAPO-34分子筛上九个温度传感器的测量结果。图中显示了靠近蒸发器、位于柱体中心以及远离蒸发器最近的传感器数据。将数据一同绘出后可见，不同区域的吸附几乎同时开始。这表明SAPO-34的传质能力良好。在吸附约400至600秒后，水冷系统防止了温度上升，仅在管子的最远端除外。不同的吸附材料具有不同的传热特性。这些数据显示了SAPO-34分子筛（蓝色）与ZSM-5分子筛（红色）在脱附过程中的温度变化。两次实验的太阳辐射强度数据并未显示出加热条件存在显著差异。尽管如此，ZSM-5分子筛的温度升高了32摄氏度，而SAPO-34分子筛的温度仅升高了17摄氏度。ZSM-5 的传热特性优于 SAPO-34。通过测量蒸发器冷冻水箱温度可知，不同吸附材料之间存在性能差异。使用 SAPO-34 沸石时，温度迅速下降，随后减缓。在整个过程中，使用ZSM-5分子筛时的温度变化相对平缓。该技术的优势在于，有害制冷剂通过太阳能吸附床中传热的增强而被冷却。因此，该方法为太阳能吸附技术提供了深入的理解。它还可以为其他系统提供动力，例如空调系统。如果操作得当，您也可以掌握这项技术。观看本视频后，您应能充分理解如何仅利用太阳能实现制冷的过程。请注意，在高温下操作吸附床可能带来极高的危险性，因此在进行该操作时，必须始终采取预防措施，例如与吸附床保持安全距离。

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带聚光集热器的太阳能吸附制冷实验系统

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