Sistema experimental de refrigeración de absorción Solar con colector de concentrado

Resumen

Con la energía solar como la fuerza impulsora, un sistema de refrigeración de la adsorción de novela ha sido desarrollado e investigado experimentalmente. Vapor de agua y zeolita forman el par de funcionamiento del sistema de adsorción. Este manuscrito describe la configuración de la plataforma experimental, el procedimiento de operación y los resultados importantes.

Resumen

Para mejorar el rendimiento de la refrigeración de absorción solar, un sistema experimental con un colector de concentración solar fue establecido e investigado. Los principales componentes del sistema fueron la cama adsorbente, el condensador, el evaporador, el subsistema de enfriamiento y el colector solar. En el primer paso del experimento, el lecho saturado de vapor fue calentado por la radiación solar en condiciones cerradas, que causó la temperatura y la presión para aumentar. Cuando la presión llegó a ser lo suficientemente alta, la cama fue cambiada para conectar el condensador, así vapor de agua fluido continuamente desde la cama al condensador para ser licuado. A continuación, la cama es necesario enfriar después de la desorción. En la condición de solar blindado, alcanzada por papel de aluminio, el circuito de agua circulante se abrió a la cama. Con el agua circula continuamente en la cama, se sacó el calor almacenado en la cama y la presión disminuye en consecuencia. Cuando la presión haya caído debajo de la presión de saturación a la temperatura de evaporación, se abre la válvula en el evaporador. Una masa de vapor de agua se precipitó en la cama y fue absorbida por el material de la zeolita. Con la vaporización masiva del agua en el evaporador, el efecto de refrigeración se generó finalmente. El resultado experimental ha puesto de manifiesto que el COP (coeficiente de rendimiento del sistema) y SCP (potencia frigorífica específica del sistema) de la zeolita de SAPO-34 fue mayor que la de la zeolita ZSM-5, no importa si fue mayor el tiempo de adsorción o más corto. Generados por el sistema de la zeolita de SAPO-34 un COP máximo de 0.169.

Introducción

El problema del agotamiento del ozono del vapor tradicional de refrigeración comprimido creciendo más serio, sustitución de refrigeración tradicional con tecnología verde se ha convertido en un tema candente en los últimos años. Entre las tecnologías verdes, la refrigeración de absorción solar ha atraído mucha de la atención de los investigadores. Impulsado por la energía térmica de baja calidad, el sistema de refrigeración de la adsorción tiene las ventajas de ser ambientalmente amigable, pequeño y flexible. Este sistema de adsorción puede también ser conducido con energía no solar, por ejemplo por el calor residual descargado térmica o por gases de escape del motor de los vehículos, como se ha mencionado por Hu et al. ¹

En una sistema de refrigeración de la adsorción, el lecho de adsorción es la clave. Su trabajo influye directamente en el rendimiento de todo el sistema. Por lo tanto, el diseño de la cama de adsorción es la cuestión más importante, como señala Sutuki. ² hace una década, el plano se utiliza sobre todo en el sistema de refrigeración de la adsorción. ^{3 , 4 , 5} sin ningún dispositivo de concentración solar, la temperatura de la cama plana fue generalmente baja y por lo tanto el COP del sistema era insatisfactoria. En contraste, el lecho de adsorción tubular mejoró a la CP. Se informó que la policía podría llegar a 0.21 en región subsahariana por Hadj Ammar et al. ⁶ por otra parte, Wang et al. ⁷ desarrolló un adsorbedor de placa de espiral que fue distinguido por la característica de la regeneración continua de calor. El novedoso diseño del lecho de adsorción acortó el tiempo de ciclo del sistema. Abu-Hamdeh et al. ⁸ informó su estudio sobre el sistema de refrigeración de absorción solar con un colector parabólico. Sus resultados demostraron el COP del sistema variado entre 0.18 y 0.20. El Fadar et al. ⁹ estudios de un sistema de refrigeración de la adsorción que fue acompañado de una pipa de calor y alimentado por parabólicos, que demostró a un COP óptimo de 0.18.

Para mejorar a la transferencia de calor de la cama tubular, se consideraron algunos adsorbentes de tubo aletado y examinaron el efecto de la mejora. Una cama innovador que tomó la forma de la shell y tubo intercambiador de calor fue presentada por Restuccia et al. ¹⁰. el tubo aletado interno fue cubierto con una capa de zeolita por lo que se podría reducir la resistencia de contacto de transferencia de masa calor entre la superficie del metal y el material adsorbente. El sistema produce una salida de 30-60 W/kg de energía de enfriamiento específico en el tiempo de ciclo de 15-20 s. Al Mers et al. ¹¹demuestra que el adsorbente mejorado con 5-6 aletas podría reducir significativamente la pérdida de calor del elemento de adsorción a ambiente y mejorando al COP en un 45%. También se estudió el efecto de un adsorbedor de tubo aletado en el rendimiento del sistema solar conducido por Louajari et al. ¹². usando carbón activado-amoníaco como el par de trabajo, demostraron que la transferencia de masa ciclismo en adsorción con aletas era mayor que uno sin aletas.

En el presente estudio, se estudió experimentalmente un sistema de refrigeración mejorado absorción solar en la que se aplicación un parabólicos de seguimiento solar y se desplegó un túnel de enfriamiento interno. Con la zeolita de SAPO-34/ZSM-5 y el vapor de agua como el par de trabajo, el sistema mostró características interesantes en términos de termodinámica y refrigeración. La metodología experimental, así como los resultados típicos se presentan y discuten en este informe.

Protocolo

1. Montaje experimental

Nota: el sistema de refrigeración de la adsorción fue compuesto por el lecho de adsorción, el evaporador, el condensador, la bomba de vacío y el colector solar ( Figura 1). Un dispositivo de seguimiento solar automático con una parabólica fabricado y aplicado en el sistema para mejorar la eficiencia del colector solar. El comedero automático de seguimiento solar fue impulsado por el dispositivo de engranaje de gusano, como se muestra en la figura 2. El dispositivo consistió en el motor paso a paso, el gusano, el engranaje, el bloque móvil del límite y la rueda manual. Las dimensiones del dispositivo de engranaje de gusano fueron 21 x 80 cm ². El colector concentra los rayos solares sobre la cama adsorbente, que fue situada a lo largo de la línea de foco de la parabólica.

figura 1: sistema Experimental para el solar refrigeración de la adsorción. (Superior) diagrama esquemático del sistema; (parte inferior) Fotografía de la instalación experimental. El panel superior presenta los componentes del sistema experimental, que consiste en el evaporador, el condensador, la bomba de vacío, etc. el panel inferior muestra la fotografía del sistema de refrigeración de la adsorción montado. En el sistema, el evaporador y el condensador es de la estructura de tubo de aleta, una especie de intercambiador de calor compacto. Se reforma el lecho de adsorción de un colector solar de vacío, que puede capturar energía solar con eficacia. haga clic aquí para ver una versión más grande de Esta figura.

figura 2: la estructura de la caja de engranaje de gusano. La caja de engranaje de gusano es el dispositivo que transforma el giro del motor paso a paso en el movimiento de seguimiento solar de canal parabólico. Además el motor paso a paso, la caja de engranajes de gusano también implica el reductor, el manual de la rueda, el eje del gusano, etc. tirar el interruptor manual/automático de la manija a la izquierda, engranajes 5a y 5b están desactivados. Así, la depresión puede controlarse manualmente girando el volante. A la derecha tirando de la palanca de selector manual/automático, 5b y 5a de engranajes participan juntos. Así, es controlada automáticamente por el motor paso a paso.

1. Conectar el colector solar seguimiento al eje de la rueda de gusano una soldadura por método. Pasar la rotación del motor paso a paso para el colector solar, haciendo coincidir el engranaje y el gusano. Arreglar la cama tubular adsorción junto con el colector con un par de collares de tubo.
   Nota: Conducido por el motor paso a paso, el sistema rota diariamente de Oriente a Occidente para seguir el movimiento solar automáticamente.
2. Ajustar el ángulo de inclinación del canal a nivel del suelo, según la variación de la altura solar en diferentes estaciones del año. Determinar la inclinación ángulo β de la depresión por el Φ local de la latitud y la declinación solar δ y β fórmula = Φ - δ. Girar manualmente la rueda pequeña que se encuentra en la parte inferior de la palanca de ajuste de ángulo para regular el ángulo de inclinación de la depresión (la parte de la nº 13, figura 1).
   Nota: De esta manera, la radiación solar es tan normal como sea posible en el canal. El sistema experimental fue situado en el campus de la Universidad de tecnología de Beijing, en la Latitud 39.89 ° N y longitud 116.38 ° E. El lecho de adsorción tomó una forma cilíndrica. Fue reformada de un receptor solar vacío de un tubo ( figura 3).

figura 3 : estructura de la cama de adsorción y el despliegue de la temperatura punta de prueba. (Superior) esquema de la estructura de la cama; (parte inferior) Las sondas de temperatura y el canal de transferencia de masa en la cama. El panel superior muestra la estructura básica de la cama. El material adsorbente se pone en la cavidad anular entre el tubo de absorción solar y el canal de enfriamiento de cobre. Los rayos solares penetran en el tubo de cristal y caen sobre la superficie del tubo de absorción solar. Posteriormente, por conducción de calor, la energía solar es transferida al material adsorbente dentro de la cama. El panel inferior muestra la ubicación de las sondas de temperatura. Estas sondas se utilizan para monitorear el cambio de temperatura de la cama durante el proceso de adsorción/desorción. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra.

3. para promover la captura de la energía solar, la capa del tubo solar absorbente de la cama, (de acero inoxidable con d = 64,5 mm) con una capa de depósito negro cromo por el método de la capa de vacío. Por favor, consulte la literatura previamente publicada sobre capa selectiva para obtener más información sobre esta técnica ¹³. Asegúrese de que la tasa de absorción de energía solar de la capa de la capa es 0,95, la emisividad infrarroja es 0.15, y el espesor de la capa de la capa es de 0,08 mm.
   Nota: Esta capa ayuda a atrapar la radiación solar efectiva pero emite muy poco a sí mismo. Como resultado, la energía solar se mete en el lecho de adsorción fácilmente y se transforma en térmica entalpia de adsorbente eficaz.
4. Insertar un tubo de cobre (d = 20 mm) en el eje de la cama de adsorción. Fijar el tubo de cobre a la cama con la brida (vea la figura 3, panel superior). El tubo de cobre funciona como el canal de enfriamiento de la cama durante el proceso de adsorción.
5. Llenar el material adsorbente en la cavidad anular en la cama que está formada por el tubo de la cama y el canal de enfriamiento de cobre. Uso de zeolita de SAPO-34 como el material adsorbente y agua como refrigerante. Poner 3,171 kg de la zeolita de SAPO-34 en la cama. La zeolita granular de SAPO-34 es de 5,7 mm de diámetro.
6. Desplegar nueve sondas de temperatura en tres secciones de la cama para controlar el cambio de temperatura de la cama durante el proceso de adsorción/desorción ( figura 3, panel inferior). Fijar una sonda en cada partidario pequeño que está sentado en el canal de enfriamiento de cobre.
7. Poner las puntas de prueba 1 y 2 en la sección A-A cerca de la entrada del lecho de adsorción. Poner las puntas de prueba 8 y 9 cerca del callejón sin salida de la cama. Fijar las otras sondas en la sección B-B media (ver figura 3).
8. Axial insertar un canal de transferencia de masa de d = 10 mm en la cama. Asegúrese de que el canal masivo tiene la forma de tubo reticular y tiene la misma longitud del lecho de adsorción (d _cama = 64,5 mm). Extender el canal hacia abajo de la entrada y hacerlo reposar en la posición correcta con la fuerza de extrusión del material adsorbente. El tubo reticular ayuda a entrar en la región profunda de la cama rápidamente el vapor de agua.

2. Método experimental

Nota: refrigeración de la adsorción se basa en el principio de que el material adsorbente sólido adsorbe el vapor de refrigerante fuertemente a baja temperatura, mientras que desorbs el vapor a una temperatura superior. Utilizando calor como el impulso motriz, se alcanza el objetivo de la refrigeración. El ciclo de refrigeración del sistema de adsorción consiste principalmente de cuatro pasos, es decir, la energía solar proceso de calentamiento, el proceso de desorción, el proceso de enfriamiento de cama y el proceso de adsorción. El proceso de desorción se inicia una vez más después de completa el proceso de adsorción. Todos los pasos del experimento son igualmente importantes ya que están interrelacionados e influyen recíprocamente.

1. Regular la disposición experimental de los procedimientos siguientes para iniciar el calentamiento solar y desorción de la cama.
   1. Girar la parabólica manualmente hasta que se encuentre debidamente este antes del experimento, para que la luz del sol irradia los parabólicos normalmente al medio día.
   2. Cierre todas las válvulas que están conectadas a la cama de adsorción y aseguran la presión de la cama y la tubería está por debajo de 800 PA hacer listo para instalación solar térmica.
   3. Encender la plataforma de control del sistema cuando la luz del sol es paralela a la línea del horizonte en la mañana. Hacer automáticamente rotar para rastrear el movimiento solar a través del.
   4. Deje la cama saturados de adsorción para ser calentado por la radiación solar en condiciones cerradas. Como resultado, la temperatura y la presión aumentará poco a poco.
   5. Monitor de la presión con el manómetro (número 6 en la figura 1) hasta que es mayor que el valor de presión que corresponde a la temperatura de condensación del medio ambiente. Según la termodinámica, la presión de condensación del agua a 30 ° C es 4.246 PA.
2. Iniciar el proceso de desorción.
   ​ Nota: en el proceso de desorción, se produce la condensación del vapor de agua. La temperatura de condensación es determinada por condiciones climáticas locales, en el día de la prueba.
   1. Abrir la válvula que conecta la cama y el condensador. Flujo de vapor de agua que en el condensador a través de la tubería de conexión. Como vapor de agua entra en el condensador, la temperatura del condensador se elevará poco a poco.
   2. Al mismo tiempo, mantener la calefacción solar a la cama de la adsorción, por lo que la presión sigue siendo lo suficientemente alta para provocar la desorción. No deje la calefacción solar hasta que se complete el proceso.
   3. Finalizar el proceso de desorción cuando la presión de la cama es igual a la presión del condensador. Cerrar la válvula cuando el proceso de desorción en.
3. Enfriar la cama antes del proceso de adsorción, como la cama es todavía en el estado de alta temperatura después de la desorción. El material adsorbente puede absorber en gran parte solamente a baja temperatura.
   1. Para iniciar el proceso de adsorción, proteger el lecho de adsorción con una hoja de papel de aluminio, para que la cama se corta de la radiación solar.
   2. Cierre todas las válvulas que conectan el evaporador y el condensador.
   3. Abra el circuito de agua circulante de la cama y enfriar el material adsorbente. Con el agua circula continuamente en la cama, se saca la entalpía interior y la presión disminuye correspondientemente.
   4. Termina el proceso de enfriamiento cuando la presión cae por debajo de la presión saturada del vapor en el evaporador ' temperatura de s.
      Nota: Esté preparado para el proceso de refrigeración de la adsorción después de refrescar abajo de la cama. Ahora la temperatura está alrededor de la temperatura del aire y la presión ha llegado al nivel mínimo.
   5. Mantener el circuito de agua circulante en el estado de un trabajo durante el proceso de adsorción. La adsorción es un proceso exotérmico, y el calor generado debe ser descargada fuera tan pronto como sea posible.
   6. Abra la válvula entre la cama y el evaporador. Deje que la fiebre del vapor de agua en el lecho del evaporador.
      Nota: La reducción de vapor del evaporador hace más agua a vaporizar, que resulta en la drástica disminución de la temperatura del evaporador. Por consiguiente, el evaporador absorbe el calor del tanque de agua donde el evaporador está sentado, y se obtiene un efecto de refrigeración.
   Mantener el proceso de adsorción en
   7. y registrar el cambio de la temperatura y la presión.
      Nota: Durante el proceso de adsorción, la presión de vapor en el evaporador se convierte en bajar y bajar, pero la cama temperatura aumenta rápidamente.
   8. Finalizar el proceso de adsorción cuando la presión es igual a la presión de evaporación. El proceso de desorción se sigue luego, otra vez.

3. Método de reducción de datos

1. evaluar el desempeño del sistema de refrigeración basado en la capacidad de la refrigeración y la eficiencia de la transformación de calor a frío de.
   ​ Nota: para el sistema actual, la capacidad de refrigeración se calcula por la cantidad total de agua vaporizada y el cambio de temperatura del evaporador sí mismo.
   1. Para determinar la capacidad total de refrigeración (Q _ref) del sistema, calcular la suma de la disminución de entalpia del agua fría en el tanque, el evaporador de metal y el agua en el evaporador después de la adsorción como sigue:
      
      donde c _p en la ecuación (1) es el calor específico a presión constante y m denota la masa. C es un factor de corrección a la capacidad de refrigeración del evaporador teniendo en cuenta la transferencia de calor entre el tanque de agua y el medio ambiente, y se asume C = 1.15 según el principio de transferencia de calor. El subíndice w y e representan el agua y el evaporador, respectivamente. En la ecuación m _{w, bronceado} y m _{w, ev a} es la masa de la agua fría en el tanque y la masa del agua residual en el evaporador, que corresponde a la temperatura gota ΔT _w y ΔT _e , respectivamente.
      Nota: La entrada de energía solar a la cama es necesario para evaluar la eficiencia de la transformación de calor a frío.
   2. Determinar la energía solar entrada Q _s como:
      
      , I _{s, i} (t) es la intensidad solar transitoria registrada por el actinometer durante el proceso de desorción. El Δt de intervalo de tiempo de la adquisición de datos a la _{s, i} (t) es de 10 s. El área de la abertura de la parabólica A _p, la eficacia de la reflexión de la ρ superficial del canal, la transmisión de la τ de vidrio del tubo y el coeficiente de absorción de energía solar de la capa superficial del α, junto con los parámetros de Ecuación (1), todos aparecen en la tabla 1.
   3. Basado sobre el Q _ref y el _{Q s} obtenidos anteriormente, determinar el COP de la instalación frigorífica como ¹⁴:
      
      β1 y β ₂ son factores de corrección a la energía solar entrada Q _s. β ₁ es el factor de corrección del grado no parabólica de la canal, que tiene en cuenta la deformación del canal debido a las limitaciones de la técnica de fabricación, y se supone β ₁ = 0.85. β ₂ es el factor de corrección de la cantidad real de calor obtenido de la cama. Debido al tamaño más pequeño del tubo del metal de la cama que el tubo exterior, la cantidad de calor real obtenida es menor que la reflejada en el tubo de vidrio. β ₂ se decide por el cociente de la cama del metal diámetro D ₂ el tubo de vidrio de diámetro D ₁. Con D ₁ = 100 mm y D ₂ = 64,5 mm, se calcula que β ₂ = 0.645.
   4. Determinar la potencia frigorífica específica de la cama por los parámetros del experimento ¹⁴:
      < imalt g = "Ecuación 4" src="/files/ftp_upload/55925/55925eq4.jpg" / >
      donde m _a es la masa del material adsorbente y _anuncios de t es el tiempo de duración del proceso de adsorción de.

tabla 1: valores del parámetro en la ecuación (1) y EC. (2). En esta tabla se muestran los parámetros que intervienen en la ecuación (1) y EC. (2). Los parámetros incluyen c _p, _p, α, etc.

Resultados

Transferencia de masa característica de la cama a través del proceso de adsorción
La cama de la adsorción es siempre el componente más importante en un sistema de refrigeración de la adsorción y el calor y la característica de transferencia de masa son los principales factores que afectan el rendimiento de todo el sistema. Analizando el cambio de temperatura registrada en las secciones transversales como se muestra en la figura 3(panel inf...

Discusión

Como un sistema termodinámico, el funcionamiento de un dispositivo de refrigeración solar de adsorción depende el diseño óptimo y el funcionamiento del sistema. La fuente del calor y el método de enfriamiento de la cama son importantes para garantizar que el sistema funciona bien. Refrigeración por agua se prefiere al aire debido a la alta resistencia de transferencia de calor por convección del agua de enfriamiento. La mala conductividad del material adsorbente generalmente ha determinado la tasa de transferencia de cal...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
evaporador	de intercambio de		calor con aletas
condensador		calor con aletas	casero
tanque	de agua casero		volumen:9L
tanque de agua del condensador	hecho		volumen:9L
bomba de vacío	Beijing Jing Rui Ze Xiang Instrument Co. Ltd.		velocidad de rotación: 1400 motor pover: sensor
de presión del condensador	Beijing Li Nuo Tian Sheng Instrument Co., Ltd.	16P2623	máximo: sensor de presión de cama 2200Pa
	Beijing Li Nuo Tian Sheng Instrument Co., Ltd.		2200Pa
		vidrio cilíndrico	hecho en casa
canal parabólico	bomba de agua de		lámina de aluminio de alta reflexión
	en casa		pover: 250W, cabeza de agua: tanque
agua			: 500L
DRT-2-2 actinómetro solar directo	Beijing Tian Yu De Tecnología Co. Ltd.	03140132	sensibilidad: 13.257μ V/W• piranómetro solar m2
TBQ-2	Jinzhou Sunshine Technology Development Co., Ltd., China	209079	sensibilidad: 12.733μ V/W• m2
SAPO-34 zeolita	Langfang Peng Cai Co., Ltd., China		20 mm de longitud y 2,2 mm de diámetro
ZSM-5 zeolita	Langfang Peng Cai Co., Ltd., China		5,7 mm de diámetro