Système expérimental de réfrigération solaire Adsorption avec collecteur de concentré

Résumé

Avec l’énergie solaire comme la force motrice, un système de réfrigération du roman d’adsorption a été développé et étudié expérimentalement. Vapeur d’eau et de la zéolite forment la paire de travail du système adsorption. Ce manuscrit décrit la configuration de la plate-forme expérimentale, la procédure de fonctionnement et des résultats importants.

Résumé

Pour améliorer les performances de la réfrigération solaire adsorption, un système expérimental avec un collecteur solaires de concentration a été mis en place et étudié. Les principaux composants du système ont été le lit d’adsorbant, le condenseur, l’évaporateur, le système auxiliaire de refroidissement et le capteur solaire. Dans la première étape de l’expérience, le lit de la vapeur saturée a été chauffé par le rayonnement solaire dans des conditions fermés, qui a causé la température de lit et de la montée en pression. Lorsque la pression du lit est devenu assez élevée, le lit a été changé pour joindre le condensateur, donc vapeur d’eau coulaient continuellement du lit du condenseur pour être liquéfié. Ensuite, le lit nécessaire pour refroidir après la désorption. La condition solaire blindé, réalisée en aluminium, la boucle d’eau circulant a été ouvert au lit. L’eau circule continuellement dans le lit, la chaleur emmagasinée dans le lit a été sorti et la pression du lit a diminué en conséquence. Lorsque la pression du lit tombés sous la pression de saturation à la température d’évaporation, la valve à l’évaporateur a été ouverte. Une masse de vapeur d’eau s’est précipité dans le lit et a été absorbée par le matériau de la zéolite. Avec la vaporisation massive de l’eau dans l’évaporateur, l’effet de réfrigération a été finalement généré. Les résultats expérimentaux a révélé que tant la COP (coefficient de la performance du système) et SCP (puissance frigorifique spécifique du système) de la zéolite SAPO-34 était supérieure à celle de la zéolithe ZSM-5, peu importe si le temps d’adsorption a été plus longs ou plus court. Le système de la zéolite SAPO-34 a généré un COP maximum de 0,169.

Introduction

Le problème de l’appauvrissement de la couche d’ozone de vapeur traditionnel réfrigération compressée de plus en plus plus grave, son remplacement par réfrigération traditionnelle avec la technologie verte est devenu un sujet brûlant ces dernières années. Parmi ces technologies vertes, la réfrigération solaire adsorption a attiré l’attention des chercheurs. Mû par l’énergie thermique faible, le système de réfrigération d’adsorption a l’avantage d’être écologique, petit et flexible. Ce système d’adsorption peut également être commandé avec une énergie non solaire, par exemple par la chaleur des déchets rejetés par les équipements thermiques ou de gaz de combustion du moteur des véhicules, comme mentionné par Hu et al. ¹

Dans une adsorption, système de refroidissement, le lit de l’adsorption est l’élément clé. Ses travaux affecte directement les performances de l’ensemble du système. Par conséquent, la conception du lit adsorption est la question la plus importante comme souligné par Sutuki. ² il y a une dizaine d’années le lit plat était principalement utilisé dans l’adsorption, système de refroidissement. ^{3 , 4 , 5} sans n’importe quel appareil de concentration solaire, la température de lit plat était généralement faible et c’est pourquoi la Conférence des parties du système n’était pas satisfaisant. En revanche, le lit tubulaire adsorption amélioré la Conférence des parties. Il a été signalé que la Conférence des parties pourraient atteindre 0,21 dans la région sub-saharienne par Hadj Ammar et al. ⁶ en outre, Wang et al. ⁷ mis au point un adsorbeur de plaque en spirale qui s’est distingué par la caractéristique de la régénération de chaleur continue. La conception originale du lit adsorption raccourci le temps de cycle du système. Abu-Ahmed et al. ⁸ a signalé leur étude sur le système de réfrigération solaire adsorption avec un capteur cylindro-parabolique. Résultats de leurs tests ont montré la Conférence des parties du système varié de 0,18 à 0,20. Fadar El al. ⁹ a étudié un système de réfrigération d’adsorption a été couplé avec un caloduc et propulsé par collecteur cylindro-parabolique, qui a montré un COP optimal de 0,18.

Afin d’améliorer le transfert de chaleur du lit tubulaire, considérées comme des adsorbeurs de tubes à ailettes et a étudié l’effet de l’amélioration. Un lit innovant qui a pris la forme de l’échangeur de chaleur tubulaire a été présenté par Restuccia et al. ¹⁰. les tubes à ailettes internes a été recouvert d’une couche de zéolite afin que la résistance de contact de transfert de chaleur/masse comprise entre la surface du métal et le matériau adsorbant pourrait être réduite. Le système produit une puissance de 30 à 60 W/kg de puissance de refroidissement spécifique dans la durée de cycle de 15-20 s. Al Mers et al. ¹¹a démontré que l’adsorbeur améliorée avec 5-6 palmes pourrait réduire sensiblement les pertes de chaleur de l’adsorbant d’ambiance et améliorant ainsi la Conférence des parties de 45 %. L’effet d’un adsorbeur de tubes à ailettes sur la performance du système moteur solaire a été également étudiée par Louajari et al. ¹². à l’aide de charbon actif-ammoniac comme la paire de travail, ils ont montré que le transfert de masse cyclisme dans l’adsorbant avec palmes était supérieur à celui sans palmes.

Dans la présente étude, nous avons étudié expérimentalement un système de réfrigération améliorée solaire adsorption, dans lequel a été appliqué un collecteur de suivi solaire cylindro-parabolique et un tunnel de refroidissement interne a été déployé. Grâce à la zéolithe SAPO-34/ZSM-5 et la vapeur d’eau comme la paire de travail, le système a montré des caractéristiques intéressantes en termes de thermodynamique et de la réfrigération. La méthode expérimentale ainsi que les résultats de l’essai classique seront présentés et discutés dans le présent rapport.

Protocole

1. montage expérimental

Remarque : le système de réfrigération d’adsorption était composé du lit de l’adsorption, l’évaporateur, condensateur, la pompe à vide et le collecteur solaire creux ( Figure 1). Un dispositif de surveillance solaire automatique avec un cylindro-parabolique a été fabriqué et appliqué dans le système pour améliorer l’efficacité de l’échangeur solaire. La fosse suivi solaire automatique est pilotée par le périphérique de la vis sans fin, comme illustré à la Figure 2. Le dispositif comprenait le moteur pas à pas, le ver, le train, le bloc de limite émouvant et la roue manuelle. Les dimensions de l’appareil vis étaient 21 x 80 cm ². Le collecteur de creux concentre les rayons du soleil sur le lit d’adsorbant, qui était situé le long de la ligne de mise au point de la cylindro-paraboliques.

figure 1 : système expérimental pour solaire réfrigération de l’adsorption. Schéma (en haut) du système ; (en bas) Photographie du montage expérimental. Le panneau supérieur présente les composants du système expérimental, qui consiste à l’évaporateur, condensateur, la pompe à vide, etc. le panneau inférieur affiche la photo du système de réfrigération adsorption assemblé. Dans le système, l’évaporateur et du condenseur est de la structure de la nageoire-tube, un type d’échangeur de chaleur compact. Le lit de l’adsorption est réformé d’un capteur solaire sous vide, qui peut capturer l’énergie solaire efficacement. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de ce chiffre.

figure 2 : la structure de la boîte de vis sans fin. La boîte d’engrenage est l’appareil qui transforme le mouvement suivi solaire de la cylindro-parabolique de la rotation du moteur pas à pas. Outre le moteur pas à pas, la boîte d’engrenage implique également le réducteur, la roue manuelle, l’axe de ver, etc., tirant sur l’interrupteur manuel/automatique poignée vers la gauche, engrenages 5 a et 5 b sont dégagées. Ainsi, la cuve peut être contrôlée de manuellement en tournant la roue à main. Tirer la poignée interrupteur manuel/automatique vers la droite, 5 b et 5 a engrenages sont engagés ensemble. Ainsi, il est contrôlé automatiquement par le moteur pas à pas.

Méthode

1. Connectez le capteur solaire de suivi à l’arbre de roue de ver par une soudure. Passez la rotation du moteur pas à pas vers le collecteur solaire en faisant correspondre l’engrenage et le ver. Difficulté du lit tubulaire adsorption ainsi que le collecteur avec une paire de colliers de tuyaux.
   NOTE : Entraînée par le moteur pas à pas, le système tourne tous les jours de l’est vers l’Ouest pour suivre le mouvement solaire automatiquement.
2. Ajuster l’angle d’inclinaison de la cuve au niveau du sol, selon la variation de l’angle de site au fil des saisons. Déterminer l’angle β inclinaison de la fosse par le Φ de latitude locale et le δ de la déclinaison solaire et la formule β = Φ - δ. Faites tourner manuellement la petite roue qui se trouve au bas du levier de réglage d’angle pour régler l’angle d’inclinaison de la cuve (la partie du no 13, Figure 1).
   NOTE : De cette façon, le rayonnement solaire est aussi normal que possible sur la cuve. Le système expérimental a été situé dans le campus de l’Université de technologie de Pékin, à la latitude 39,89 ° N et longitude 116.38 ° E. Le lit de l’adsorption a pris une forme cylindrique. Il a été réformé par un récepteur solaire sous vide d’un tube ( Figure 3).

figure 3  : Structure du lit adsorption et le déploiement de la température sonde. Schéma (en haut) de la structure du lit ; (en bas) Les sondes de température et le canal de transfert de masse dans le lit. Le panneau supérieur montre la structure de base du lit. Le matériau adsorbant est placé dans la cavité annulaire entre le tube d’absorption d’énergie solaire et le canal de refroidissement cuivre. Les rayons solaires pénètrent dans le tube en verre et tombent sur la surface du tube absorbant l’énergie solaire. Puis, par conduction de la chaleur, l’énergie solaire est transféré dans le matériau absorbant à l’intérieur du lit. Le panneau du bas montre l’emplacement des sondes de température. Ces sondes sont utilisées pour suivre l’évolution de la température du lit pendant le processus d’adsorption/désorption. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de ce chiffre.

3. pour promouvoir le captage de l’énergie solaire, enduire le tube d’absorption solaire du lit, (en acier inoxydable avec d = 64,5 mm) avec une couche de dépôt de chrome noir par la méthode de métallisation sous vide. Veuillez vous reporter à la documentation précédemment publiée sur revêtement sélectif pour plus d’informations sur cette technique ¹³. S’assurer que le taux d’absorption solaire de la couche d’enduit est de 0,95, l’émissivité infrarouge est de 0,15, et l’épaisseur de la couche d’enduit est de 0,08 mm.
   Remarque : Cette couche de revêtement permet d’intercepter le rayonnement solaire efficacement mais émet très légèrement lui-même. Ainsi, l’énergie solaire pénètre dans le lit de l’adsorption facilement et se transforme à enthalpie thermique de l’adsorbant efficacement.
4. Insérer un tube en cuivre (d = 20 mm) le long de l’axe du lit adsorption. Fixer le tuyau en cuivre au lit avec la bride (voir Figure 3, panneau supérieur). Le tube de cuivre fonctionne comme le canal de refroidissement du lit pendant le processus d’adsorption.
5. Remplir le matériau adsorbant dans la cavité annulaire dans le lit qui est constituée par le tube de lit et le canal de refroidissement cuivre. Utiliser SAPO-34 zéolite comme le matériau adsorbant et l’eau comme fluide frigorigène. Mettez 3,171 kg de la zéolite SAPO-34 dans le lit. La zéolithe de SAPO-34 granulaire est 5,7 mm de diamètre.
6. Déployer des sondes de température neuf dans trois sections transversales de la vitre pour suivre l’évolution de la température du lit au cours du processus d’adsorption/désorption ( Figure 3, panneau inférieur). Une sonde de fixer à chaque petit partisan qui est assis sur le canal de refroidissement cuivre.
7. Put sondes 1 et 2 de la section A-A proximité de l’entrée de la chambre d’adsorption. Mettre les sondes 8 et 9, près de la voie sans issue du lit. Les autres sondes de fixer à la partie centrale de la B-B (voir Figure 3).
8. Insérer axialement un canal de transfert de masse de d = 10 mm dans le lit. S’assurer que le canal de masse a la forme du tube réticulaire et a la même longueur du lit adsorption (d _lit = 64,5 mm). Étendre le canal vers le bas à partir de l’entrée et qu’il se dans la bonne position avec la force d’extrusion du matériau adsorbant. Le tube réticulaire contribue à la vapeur d’eau pour entrer rapidement dans la région profonde du lit.

2. Méthode expérimentale

Remarque : réfrigération d’Adsorption est basée sur le principe que le matériau adsorbant solid absorbe la vapeur de réfrigérant fortement à basse température, tandis qu’il désorbe la vapeur à une température plus élevée. Le but de réfrigération utilisant la chaleur comme l’impulsion motrice, est atteint. Le cycle de réfrigération du système adsorption consiste principalement en quatre étapes, c'est-à-dire, l’énergie solaire le processus de chauffe, le processus de désorption, le processus de refroidissement par lit et le processus d’adsorption. Le processus de désorption commence une fois de plus après l’adsorption est terminée. Toutes les étapes de l’expérience sont tout aussi importants parce qu’ils sont interdépendants et s’influencent mutuellement interactivement.

1. Réglementer l’installation expérimentale par les procédures suivantes pour démarrer le chauffage solaire et la désorption du lit.
   1. Tourner la cylindro-paraboliques manuellement jusqu'à ce qu’elle fait face à échéance oriental avant l’expérience, afin que la lumière du soleil irradie les collecteurs cylindro-paraboliques normalement à midi.
   2. Fermer toutes les vannes qui sont connectés sur le lit de l’adsorption et de s’assurer que la pression du lit et le tuyau est inférieure à 800 PA faire prête pour le chauffage solaire.
   3. Commutateur sur l’appareil de contrôle du système lorsque la lumière du soleil est parallèle à la ligne d’horizon dans la matinée. Rendre la cuve automatiquement tourner pour retracer les mouvements solaires.
   4. Laisser le lit saturée d’adsorption soit réchauffée par le rayonnement solaire dans des conditions fermées. Ainsi, la température de la chambre et la pression du lit augmentera graduellement.
   5. Moniteur de la pression du lit avec le manomètre (numéro 6 sur la Figure 1) jusqu'à ce qu’elle est supérieure à la valeur de la pression qui correspond à la température de condensation de l’environnement. Selon la thermodynamique, la pression de condensation de l’eau à 30 ° C est 4 246 PA.
2. Démarrer le processus de désorption.
   ​ Remarque : dans le processus de désorption, la condensation de vapeur d’eau se produit. La température de condensation est déterminée par des conditions météorologiques locales sur la journée d’essais.
   1. Ouvrir la vanne qui relie le lit et le condenseur. Débit de vapeur d’eau laisser dans le condenseur à travers le tuyau de raccordement. Comme la vapeur d’eau pénètre dans le condenseur, la température du condenseur s’élèvera progressivement.
   2. Dans le même temps, garder le chauffage solaire au lit adsorption, afin que la pression du lit reste suffisamment élevée pour provoquer la désorption. N’arrêtez pas le chauffage solaire, jusqu'à ce que le processus est terminé.
   3. Terminez le processus de désorption lorsque la pression du lit est égale à la pression du réfrigérant. Fermez le robinet lorsque le processus de désorption est sur.
3. Refroidir le lit avant que le processus d’adsorption, comme le lit est encore à l’état de haute température après la désorption. Le matériau adsorbant peut adsorber en grande partie qu’à basse température.
   1. Pour démarrer le processus d’adsorption, protéger le lit de l’adsorption avec une feuille d’aluminium, alors que le lit soit coupé du rayonnement solaire.
   2. Fermer toutes les vannes qui relient l’évaporateur et du condenseur.
   3. Ouvrir la boucle d’eau circulante du lit et refroidir le matériau adsorbant. Avec l’eau circule continuellement dans le lit, l’enthalpie interne est souscrite et la pression de lit diminue proportionnellement.
   4. Terminez le processus de refroidissement lorsque la pression du lit est inférieure à la pression de vapeur saturée à l’évaporateur ' température de s.
      NOTE : Soyez prêt pour le processus de réfrigération d’adsorption après le refroidissement du lit. Maintenant, la température de la chambre est autour de la température de l’air ambiant, et la pression du lit a atteint le niveau minimum.
   5. Garder la boucle d’eau circulante dans un état de fonctionnement au cours du processus d’adsorption. L’adsorption est un processus exothermique et la chaleur produite doit être dégagée à l’extérieur dès que possible.
   6. Ouvrir la vanne entre le lit et l’évaporateur. Laissez la précipitation de la vapeur d’eau dans le lit de l’évaporateur.
      Remarque : La réduction de la vapeur de l’évaporateur provoque plus d’eau à vaporiser, dont les résultats dans la dramatique diminution de la température de l’évaporateur. Par conséquent, l’évaporateur absorbe la chaleur du réservoir d’eau où l’évaporateur est assis, et un effet de réfrigération est obtenu.
   7. Garder le processus d’adsorption en cours et d’enregistrer le changement de la température de la chambre et la pression du lit.
      Remarque : Au cours du processus d’adsorption, la pression de vapeur dans l’évaporateur devient baisser et baisser, mais le lit la température augmente rapidement.
   8. Terminer le processus d’adsorption lorsque la pression du lit est égale à la pression de l’évaporateur. Ensuite, le processus de désorption arrivera encore.

3. Méthode de réduction de données

1. évaluer les performances du système de réfrigération basé sur la puissance frigorifique et l’efficacité de la transformation de la chaleur au froid.
   ​ Remarque : le système actuel, la puissance frigorifique est calculée par la quantité de masse de l’eau vaporisée et la variation de température de l’évaporateur lui-même.
   1. Pour déterminer la puissance frigorifique totale (Q _Réf) du système, calculez la somme de la décrémentation d’enthalpie de l’eau froide dans le réservoir, l’évaporateur métal et l’eau résiduelle dans l’évaporateur après l’adsorption comme suit :
      
      où c _p dans l’équation (1) est la chaleur spécifique à pression constante, et m désigne la masse. C est un facteur de correction de la puissance frigorifique de l’évaporateur, compte tenu du transfert de chaleur entre le réservoir d’eau et l’environnement ambiant, et il est supposé C = 1.15 selon le principe du transfert de chaleur. L’indice w et e représentent l’eau et l’évaporateur, respectivement. Dans l’équation m _{w, tan} et m _{w, ev a} est la masse de l’eau froide dans le réservoir et la masse de l’eau résiduelle dans l’évaporateur, ce qui correspond à la température chute ΔT _w et ΔT _e , respectivement.
      NOTE : L’entrée de l’énergie solaire au lit est nécessaire pour évaluer l’efficacité de la transformation de la chaleur au froid.
   2. Déterminer l’énergie solaire d’entrée Q _s comme :
      
      où, j’ai _{s, j’ai} (t) est l’intensité solaire transitoire enregistrée par l’actinomètre qu’on solaire au cours du processus de désorption. Le Δt intervalle de temps de l’acquisition de données pour la je _{s, j’ai} (t) est de 10 s. La zone d’ouverture de la cylindro-parabolique un _p, l’efficacité réfléchissante le ρ surface de creux, la transmittance de la tube verre τ et le coefficient d’absorption solaire du revêtement surface α, ainsi que les paramètres de L’équation (1), sont tous répertoriés dans le tableau 1.
   3. Basé sur la Q _Réf et le _{Q s} obtenue ci-dessus, déterminer la Conférence des parties du système de réfrigération ¹⁴ :
      
      β1 et β ₂ sont des facteurs de correction à l’énergie solaire d’entrée Q _s. β ₁ est le facteur de correction du degré non-parabolique de la creux, qui tient compte de la déformation de la fosse à cause des limites de la technique de fabrication, et il est supposé β ₁ = 0,85. β ₂ est le facteur de correction de la quantité réelle de chaleur obtenue du lit. En raison de la petite taille du tube métallique lit que le tube de verre extérieur, la quantité de chaleur réelle obtenue est inférieure à celle reflétée sur le tube de verre. β ₂ est décidé par le rapport entre le diamètre D de lit en métal ₂ du verre tube diamètre D ₁. D ₁ = 100 mm et D ₂ = 64,5 mm, on a calculé que β ₂ = 0,645.
   4. Déterminer la puissance de refroidissement spécifique du lit par les paramètres de l’expérience comme ¹⁴ :
      < imalt g = « Équation 4" src="/files/ftp_upload/55925/55925eq4.jpg » / >
      où m _a est la masse du matériau adsorbant et t _annonces est la durée du processus d’adsorption.

tableau 1 : valeurs du paramètre dans l’équation (1) et l’équation (2). Les paramètres qui interviennent dans l’équation (1) et l’équation (2) sont répertoriés dans ce tableau. Les paramètres comprennent c _{p p,} α, etc.

Résultats

Transfert de masse caractéristique du lit à travers le processus d’adsorption
Le lit de l’adsorption est toujours l’élément le plus important dans un système de réfrigération d’adsorption, et la chaleur et la caractéristique de transfert de masse sont les principaux facteurs affectant les performances de l’ensemble du système. En analysant le changement de température enregistrée dans les sections efficaces, comme illustré à la Figure 3(pa...

Discussion

Comme un système thermodynamique, les performances d’un dispositif de réfrigération solaire adsorption dépendent de la conception optimale et le bon fonctionnement du système. La livraison de la chaleur et la méthode de refroidissement du lit sont importantes pour garantir que le système fonctionne bien. L’eau de refroidissement est préféré à l’air de refroidissement en raison de la haute résistance de transfert de chaleur de convection de l’eau. La faible conductivité du matériau adsorbant a généralement déterminé le ta...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
évaporateur	condenseur	d’échange de chaleur à ailettes
d’eau d’évaporation
d’eau de condenseur	volume fait		: pompe
à vide	Pékin Jing Rui Ze Xiang Instrument Co., Ltd.		vitesse de rotation : 1400 moteur pover : capteur
de pression de condenseur	370W Beijing Li Nuo Tian Sheng Instrument Co., Ltd.	16P2623	maximum :2200Pa
capteur de pression de lit	Beijing Li Nuo Tian Sheng Instrument Co., Ltd.		maximum : 2200Pa
lit d’adsorption	verre cylundral	fait
auge parabolique	tôle d’aluminium
		moteur maison : 250W, tête d’eau : réservoir d’eau de 8m
	Technology Co. Ltd.	03140132	sensibilité :13.257&mu ; V/W&bull ; Pyranomètre solaire m2< / sup>
TBQ-2	Jinzhou Sunshine Technology Development Co., Ltd., Chine	209079	sensibilité :12.733&mu ; V/W&bull ; zéolithe m2
SAPO-34	Langfang Peng Cai Co., Ltd., Chine		20 mm de longueur et 2,2 mm de diamètre
ZSM-5 zéolithe	Langfang Peng Cai Co., Ltd., Chine		5,7 mm de diamètre