太陽吸着冷凍濃縮コレクターの実験システム

サマリー

原動力として太陽エネルギーは、新しい吸着冷凍システムを開発し、実験します。水蒸気とゼオライト吸着システムの作業のペアを形成します。本稿では、実験装置、操作手順および重要な結果のセットアップについて説明します。

要約

太陽吸着冷凍のパフォーマンスを向上させる太陽濃度コレクターと実験システムはセットアップされ、調査。システムの主なコンポーネントは、吸着剤ベッド、凝縮器、蒸発器、冷却サブシステム、太陽集熱器をだった。実験の最初のステップで蒸気飽和ベッドはベッドの温度と圧力が増加を引き起こした閉鎖条件下で太陽放射によって加熱されました。ベッド圧力に十分に高くなり、コンデンサーへの接続に切り替えられましたが、ベッド、こうして水蒸気流れ継続的にベッドから液化するコンデンサーに。次に、脱着後クールダウンに必要なベッド。アルミ箔を達成太陽シールド状態でベッドに循環水ループを開設されました。継続的にベッドで循環水、ベッドで蓄熱を取り出したし、ベッドの圧力減少しております。ベッド圧を下回る蒸発温度の飽和蒸気圧力、蒸発器にバルブが開かれました。水蒸気の質量はベッドに駆けつけて、ゼオライト素材が吸着します。蒸発器内の水の巨大な蒸発、冷凍効果は最終的に生成されます。実験結果の警官 (システムの成績係数) とサポ 34 ゼオライトの SCP (システムの特定の冷却電源) は zsm-5 ゼオライトの吸着時間が長いかどうかに関係なくのそれよりも大きいことがわかったまたは短い。サポ 34 ゼオライトのシステムには、最大 COP 0.169 が生成されます。

概要

伝統的な蒸気のオゾン層破壊問題より深刻な緑の技術と伝統的な冷凍を置き換えて成長圧縮冷凍は近年のホットな話題をなっています。それらの緑の技術の中で太陽吸着冷凍は多くの研究者の注目を集めています。吸着冷凍システム低悪性度の熱エネルギーによって駆動される、環境にやさしく、小さい、柔軟であることの利点があります。この吸着システムも駆動可能非太陽エネルギー、例えば熱機器から排出される排熱、車、エンジン排気ガス胡らによって述べられるように。¹

冷却装置吸着、吸着ベッドは重要なコンポーネントです。その作業は、システム全体のパフォーマンスに直接影響します。したがって、吸着ベッドのデザインは、Sutuki が指摘したように最も重要な問題です。²年前、フラット ベッドで大抵使用された冷却装置吸着。^3,4,5の太陽光の集光装置なし、フラット ベッドの温度は通常低だった、それ故にシステムの COP ははかばかしくなかった。対照的に、鋼管吸着ベッドは、COP を向上しました。警官がサブサハラ地域で 0.21 を達することができるハジ アマルらによって報告されました。⁶また、王ら⁷連続熱再生の特性によって区別されたスパイラル プレート吸着器を開発しました。吸着ベッドの斬新なデザインは、システムのサイクル タイムを短縮しました。アブ Hamdehら⁸は、パラボリック ・ トラフ方式、太陽吸着冷凍システムに彼らの研究を報告しました。そのテスト結果は、0.20 0.18 から様々 なシステムの COP を示した。エル Fadar et al.⁹は、ヒートパイプと相まって、0.18 の最適な警官を示したパラボリック ・ トラフ方式を搭載する吸着冷凍システムを検討しました。

考えられていたいくつかのフィン チューブに対する鋼管のベッドの熱伝達を強化して強化の効果を検討しました。シェルとチューブ熱交換器の形をした革新的なベッドが Restucciaらによって発表されました¹⁰. 金属表面と吸着剤の材料間の熱・物質の接触移動抵抗を減らすことができるので、内部のフィン チューブはゼオライト層を被覆したもの。システムでは、特定の冷却力の 30-60 W/kg 15-20 s. アル Mersらのサイクリングの時に出力¹¹5 6 フィンと強化された吸着器は大幅雰囲気と 45%、COP が向上する吸着器の熱損失を減らすことができることを示した。Louajariらによるフィン チューブの吸着器のソーラー駆動システムのパフォーマンスに及ぼす影響を調べたも¹²です。 作業のペアとして活性炭・ アンモニアを使用して、彼らはフィン バッキ サイクリングの物質移動がフィンなし 1 より大きいことを示した。

現在の研究では、定量的改善太陽光吸着冷凍システムで太陽追尾パラボリック ・ トラフ方式の適用は、内部冷却トンネルが展開されました。サポ-34/zsm-5 ゼオライトと作業のペアとして水蒸気は、システムは、熱力学と冷凍の面で興味深い特性を示した。典型的なテスト結果と同様、実験的方法論を提示して、このレポートで説明しました。

プロトコル

1 実験のセットアップ

注: 吸着冷凍システムは吸着ベッド、蒸発器、凝縮器、真空ポンプ、太陽トラフ コレクターの構成 (。図 1)。放物線トラフと自動太陽追尾装置は製造され、太陽集熱器の効率を改善するためにシステムに適用されます。 図 2 に示すように、太陽光追尾自動トラフはウォーム歯車装置によって駆動されました。デバイスはステッピング モーター、ワーム、ギア、移動制限ブロック、手動車輪から成っています。ウォーム歯車装置の寸法 21 × 80 cm ² であった。トラフ コレクターは、放物線トラフのフォーカス ・ ラインに沿って位置していた吸着剤のベッドの上に太陽光を集中して

。

図 1: 実験システム太陽吸着冷凍。 システムの (最上位) の模式図(下)実験のセットアップの写真。上部のパネルは蒸化器、コンデンサー、真空ポンプを含む実験システムのコンポーネント など 下部のパネル組み立て吸着冷凍システムの写真が表示されます。システム、蒸発器と凝縮器はフィン付き管の構造、コンパクトな熱交換器の一種です。吸着ベッド、太陽エネルギーを効果的に取り込むことができます真空ソーラーコレクターから改革します の拡大版を表示するにはここをクリックしてください。この図

。

図 2: ウォームギヤ ボックス構造。ウォームギヤ ボックスは、ステッピング モーターの回転を放物線トラフの太陽追跡運動に変換するデバイスです。ステッピング モーターに加えウォームギヤ ボックスには、減速機、手動ホイール、ウォーム シャフト、等 の手動/自動スイッチを引っ張って左へのハンドル、歯車 5a と 5b を外れます。したがって、ハンド ホイールを回転させることにより、トラフを手動で制御できます。手動/自動スイッチ ハンドルを右に引いて、歯車 5a と 5b 従事している一緒に。したがって、ステッピング モーターによって自動的に制御されます

。

1. 溶接によるウォーム ホイール軸に追跡太陽集熱器の接続方法です。ステッピング モーターの回転をギアとワームを照合することによって太陽集熱器に渡します。パイプの襟のペアで一緒にコレクター鋼管吸着ベッドを修正します
   。 注: は、ステッピング モーターによって駆動、回転毎日東から自動的に太陽の動きに追従して西へ
。
2. は、四季折々 の太陽高度の変化によると、平らな地面にトラフの傾斜角度を調整します。緯度地域 Φ と太陽赤緯 δ によって谷の傾斜角 β と数式の β を決定する Φ - δ を =。手動での谷の傾斜角度を調節角度調整レバーの下部にある小さなホイールを回転 (第 13 部 図 1).
   注: この方法で太陽放射は、トラフにできるだけ普通です。実験システムは、緯度 39.89 ° N および経度 116.38 ° e. で北京工科大学のキャンパス内に位置していた吸着ベッドは、円筒形を取った。管 ( 図 3) の真空太陽受信機から結成された
。

図 3 : 吸着ベッドの温度の展開構造プローブ。 ベッド構造体の (最上位) の模式図(下)温度プローブ、ベッドで大量転送チャネル。上部のパネルは、ベッドの基本的な構造を示しています。吸着材は、太陽光吸収管および銅の冷却チャネル間円環状空隙に置かれます。太陽の光は、ガラス管を貫通、太陽光吸収管の表面に落ちる。その後、熱伝導によって太陽のエネルギーはベッド内吸着剤の材料に移ります。下部パネルには、温度プローブの場所が表示されます。吸着・脱離プロセス中ベッドの温度変化を監視するこれらのプローブを使用 拡大版を表示するのにはここをクリックしてくださいこの図の

。

太陽エネルギーの捕獲を促進するために
3. コート ベッドの太陽吸収管 (ステンレス製 d = 64.5 mm) 真空成膜法による黒のクロム鉱床の層で。この技術 ¹³ の詳細について選択的なコーティングについて以前に発行された文献を参照してください。コーティング層の太陽光吸収率が 0.95、赤外線放射率は、0.15、コーティング層の厚さは 0.08 mm を確保します
   。 注: この被膜は日射を効果的にキャッチすることができますが、自体を発する非常にわずか。結果として、太陽エネルギーが吸着ベッドに簡単に取得し、効果的に吸着エンタルピー熱に変換されます
。
4. 銅の管を入れる (d = 20 mm) 吸着層の軸に沿って。フランジとベッドに銅管を修正 ( 図 3、上部パネルを参照してください)。銅の管は吸着プロセス中にベッドの冷却チャネルとして機能します
。
5. ベッド ベッド チューブと銅の冷却チャネルによって形成される環状の空洞に、吸着材をご記入ください。吸着材としてサポ 34 ゼオライトを使用し、水を冷媒として。サポ 34 ゼオライトの 3.171 kg をベッドに入れてください。粒状のサポ 34 ゼオライトは直径 5.7 mm
。
6. は、吸着・脱離過程 ( 図 3 底板) の中にベッドの温度変化を監視するベッドの 3 つの断面に 9 つの温度プローブを配置します。銅の冷却チャンネルが装着されて小さなサポーターでプローブを修正します
。
7. 入れてプローブのセクション 1 と 2 A 吸着層の入口近く。ベッドの 8 および 9 行き止まり近く・ プローブを置きます。B B の中間のセクションで他のプローブを修正 ( 図 3 参照).
8. 挿入軸 d の大量転送チャネルをベッドに 10 mm を =。大量のチャネル網状管の形態がある吸着ベッドの同じ長さであることを確認 (d _ベッド = 64.5 mm)。入口から下のチャネルを拡張し、吸着材の押し出し力で正しい位置に立つこと。網状管によりベッドの深い領域をすばやく入力する水蒸気
。

2。実験方法

注: 吸着冷凍、それは高温蒸気を放出しながら、固体吸着材吸着強く低温の冷媒であるという原則に基づいています。運転の原動力として使用する熱、冷蔵の目的は達されます。吸着システムの冷凍サイクルは、主に 4 つのステップ、すなわち、太陽光加熱処理、脱離過程、ベッド冷却プロセス、および吸着プロセス。吸着プロセスが完了した後脱着プロセスをもう一度開始します。実験のすべての手順は同様に重要な彼らが相互にかかわり合い、対話的に互いに影響を及ぼすので

。

1. ソーラーとベッドの脱着を開始する次の手順で実験のセットアップを調整する。
   1. を回して、放物線トラフ手動でそれに直面しているため、日光照射パラボリック ・ トラフ方式通常正午、実験前に東します
   。
   2. 吸着ベッドに接続するいると、ベッドの圧力を確保するためすべてのバルブをオフにシャット ダウンし、パイプが 800 以下ペンシルバニア、それは太陽暖房の準備ができています
   。
   3. は、朝の太陽の光が水平線と平行にシステムの制御装置に切り替えます。太陽の動きをトレースする自動的に回転トラフを作る
   。
   4. は、閉じた状態の下で太陽放射によって熱されるため吸着飽和ベッドを許可します。ベッドの温度とベッドの圧力が徐々 に増加、結果としてします
   。
   5. モニターまで圧力計 ( 図 1 の番号 6) とベッドの圧力は環境の凝縮温度に対応する圧力の値より高い。熱力学によると 30 ° C で水の凝縮圧力は 4,246 ペンシルバニア州
2. 脱着プロセスを開始します
   。 ​ 注: 脱着過程で水蒸気の結露が発生します。凝縮温度は、テスト当日現地の天候によって決定されます。
   1. オープン ベッドとコンデンサーを接続するバルブ。接続パイプを通ってコンデンサーに let 水蒸気流。コンデンサーの温度が徐々 に上昇する水蒸気凝縮器に入りと
   。
   2. 同時に吸着ベッドに太陽暖房ように保つベッド圧力のまま脱を引き起こすのに十分高い。プロセスが完了するまで、太陽ヒーターを停止しないでください
   。 ベッドの圧力がコンデンサーの圧力と等しい場合、
   3. は脱着プロセスを終了します。脱着プロセスが終わるときバルブをオフにします
   。
3. ベッドがまだ高温の状態で脱着後は 吸着プロセスの前にベッドを冷やします。吸着剤の材料が低温でのみ吸着主。
   1. ベッドが太陽放射から遮断されるのでシールド アルミ箔シート、吸着ベッドを吸着処理を開始する
   。
   2. 蒸発器と凝縮器接続すべてのバルブを閉じます
   。
   3. は、ベッドの循環水ループを開き、吸着材を冷却します。継続的にベッドで循環水、内部のエンタルピーは撮影し、ベッド圧力がそれに応じて低下します
   。
   4. 冷却プロセスを終了は、ベッドの圧力が飽和蒸気圧、蒸発器で下回った ' s 温度
      。 注: は、ベッドの冷却後吸着冷凍過程の準備が。今ベッドの温度は周囲の空気の温度とベッド圧力が最低限のレベルに達している
   。
   5. は、吸着過程で作業状態で循環水ループを維持します。吸着が発熱して、発生した熱はできるだけ早く外に排出する必要があります
   。
   6. は、ベッドと蒸発器のバルブを開きます。ベッドに蒸発器からの水蒸気ラッシュができます
      。 注: 蒸発器の蒸気還元気化する結果、飛躍的に低下蒸発温度のより多くの水が発生します。結果的に、蒸発器は蒸発器が装着されて、冷凍効果が得られる水タンクからの熱を吸収する
   。
   7. 起こっている、吸着過程を維持し、ベッドの温度とベッドの圧力の変化を記録します
      。 注: 吸着プロセスの間に蒸発器で蒸気圧を下げるなり低い、ベッドの温度がすばやく上昇します
   。 ベッド圧力、蒸発器圧力と等しいとき、
   8. は吸着プロセスを終了します。その後、脱離過程を再度続く
   。

3。データ削減手法

1. 冷凍能力と熱-冷間変形の効率に基づく冷凍システムの性能を評価します
   。 ​ 注: 現在のシステムでは、冷凍能力が蒸発した水の質量量と蒸発器自体の温度変化で計算されます。
   1. システムの合計冷凍能力 (Q _ref) を決定する、次のように、吸着後冷水タンク、金属の蒸発器、蒸発器内の残水のエンタルピー減少の合計を計算するには、:
      
      c _p 式 (1) では一定圧力での比熱、m は質量を意味します。水タンクと周囲の環境との間の熱伝達を考慮した蒸発器の冷凍能力に補正係数であり、C と C = 熱伝達の原則に従って 1.15。下付き文字 w と e それぞれ水と蒸発器を表します。_{方程式 m タン w と m w ev はタンク内の冷却水の質量と温度ドロップ ΔT w と ΔT に対応する蒸発器内の残留水の質量 e}、それぞれします
      。 注: ベッドに太陽エネルギー入力が暑さ・寒さの変換の効率を評価する必要があります
   。
   2. 決定として太陽エネルギー入力 Q _s:
      
      、私 _s、私 (t) が脱離過程の中に、露出計によって記録された一時的な日射量。私にデータ取得時間間隔 Δt _s、私 (t) は 10 秒。トラフ表面 ρ の放物線トラフ _p、反射効率、チューブ ガラス τ の透過率、コーティングの表面 α のパラメーターと共に太陽光吸収係数の開口面積式 (1) の、すべては、表 1 に記載されています
   。 Q _ref で、上記で入手した _{Q s}
   3. 基づく判断 ¹⁴ として冷凍システムの警官:
      
      β 1 と β ₂ が太陽エネルギー入力 Q _s に補正係数 β ₁ は非放物線性の補正係数、。トラフを考慮、トラフの変形製造技術の制限のため、β ₁ と見なされます = 0.85。β ₂ はベッドの得られた熱の実際の量の補正係数です。外側のガラス管よりも金属のベッド チューブの小さいサイズのため実際得られる熱量がガラス管に反映させるよりも小さいです。β ₂ は、ガラス管径 D ₁ に金属のベッド径 D ₂ の比によって決定されます。D ₁ = 100 mm、D ₂ = 64.5 mm が計算されますその β ₂ = 0.645
   。
   4. ¹⁴ として実験のパラメーターによってベッドの特定の冷却力を決定する:
      < img alt ="方程式 4" src="/files/ftp_upload/55925/55925eq4.jpg"/>
      m _、 吸着物質の質量は、t _広告 は吸着過程の時間
   。

テーブル 1: 式 (1) と式 (2) のパラメーターの値。イコライザー (1) と 式 (2) に含まれるパラメーターは、この表に記載されています。パラメーターは、c _p、_p α など

結果

大量転送吸着過程を通したベッドの特徴
吸着ベッドは常に吸着冷凍システムで最も重要なコンポーネントと熱・物質移動特性がシステム全体のパフォーマンスに影響を与える主な要因です。断面図 3(底板) に示すように記録された温度変化を解析することにより熱・物質移動ベッドの特徴を知ることは不可能です。図 4は、吸着プロセス中にベッドの温度の変化を示します。サポ 34 ゼオライトの物質移動能力である、別のセクションの開始点の吸着に適してほぼ同時に図に示します。ベッドの物質移動抵抗が低い場合は、ベッドが短時間で吸着平衡に達する可能性があり、ベッドで吸着材が完全に採用されます。循環水の対流の強く冷却機能、温度撮影アップはについて効果的に後抑制された時点 9 を除いて、吸着の 400-600 s。対照的に、自然な空気冷却法のベッドの温度は比較的ゆっくり減少でしょう。関連の実験結果は、デュらで徹底的に議論されています。...

ディスカッション

熱力学的システムとして太陽吸着冷凍装置のパフォーマンスは最適の設計とシステムの適切な動作に依存します。熱供給とベッドの冷却方法の両方がシステムにうまく機能を保証するため重要です。水冷却空気冷却水の対流熱伝達の強度が高いためにお勧めします。吸着材の悪い伝導性は通常ベッドの限られた熱転送率を決定します。ベッドの熱伝達を改善するために多くの計測は、内部に挿入されたフィンの強化構造などと考えられていた。¹⁹シリカゲルは人気、吸着材の一種です。太陽吸着システムで、シリカゲルを使用する場合は、シリカゲルの脱水状態になるし、活性を失うことがないようにベッドの脱離温度は 95 ° C 未満に限定になりません。

ほとんどの再生可能エネルギー システムのような現在の吸着冷凍システム エンジニア リング アプリケーションの面でいくつかの欠点があります。注目すべき問題は、システムの断続的な作品です。吸着システム、加熱と冷却の本質的な自然と冷たい電源を供給継続的にシングル ベッドを使用。一部の研究者のこの問題を解決するために再生熱と物質移動の技術を適用できる共...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
エバポレーター	自家製フィン		付き熱交換
コンデンサー	自家製フィン		付き熱交換
エバポレーター水タンク	自家製		容量:9L
コンデンサー水タンク	自家製		容量:9L
真空ポンプ	北京JingRuiZeXiangInstrumentCo.、Ltd。		回転速度:1400、モータープーバー:370W
、コンデンサー、圧力センサー	、北京、Li、Nuo、Tian、Sheng、Instrument Co.、Ltd。	16P2623	最大:2200Pa
ベッド圧力センサー	北京Li Nuo Tian Sheng Instrument Co., Ltd.		最大:2200Pa
吸着ベッド	自家製		円筒形ガラス管
放物線トラフ	自家製		高反射アルミシート
ウォーターポンプ	自家製		モータープーバー:250W、ウォーターヘッド:8m
水タンク	自家製		容量:500L
DRT-2-2直接ソーラーアクチノメーター	北京天玉徳テクノロジー株式会社	03140132	感度:13.257μV / W&ブル;m2
TBQ-2太陽日射計	錦州サンシャイン技術開発有限公司、中国	209079	感度:12.733μV / W&ブル;m2
SAPO-34ゼオライト	Langfang Peng Cai Co., Ltd., Ltd., 中国		長さ20mm、直径2.2mm
ZSM-5ゼオライト	Langfang Peng Cai Co., Ltd., 中国		直径5.7mm