1. Układ doświadczalny
UWAGA: System chłodniczy adsorpcyjny składał się z złoża adsorpcyjnego, parownika, skraplacza, pompy próżniowej oraz słonecznego kolektora rynnowego (Rysunek 1). W celu zwiększenia wydajności kolektora słonecznego w systemie zastosowano wykonane automatyczne urządzenie do śledzenia słońca z rynną paraboliczną. Automatyczna rynna śledząca była napędzana przez mechanizm przekładni ślimakowej, jak pokazano na Rysunku 2. Urządzenie składało się z silnika krokowego, ślimaka, koła zębatego, bloku ogranicznika ruchu oraz koła ręcznego. Wymiary przekładni ślimakowej wynosiły 21 x 80 cm2. Kolektor rynnowy koncentrował promienie słoneczne na złożu adsorbenta, które znajdowało się wzdłuż linii ogniskowej rynny parabolicznej.

Rycina 1: Układ eksperymentalny do solarnego chłodzenia adsorpcyjnego. (Góra) Schemat systemu; (dół) Zdjęcie układu eksperymentalnego. Górny panel przedstawia komponenty układu eksperymentalnego, w którego skład wchodzą parownik, skraplacz, pompa próżniowa itd. Dolny panel prezentuje zdjęcie zmontowanego systemu chłodzenia adsorpcyjnego. W systemie parownik i skraplacz mają strukturę rur z żebrami, będącą rodzajem kompaktowego wymiennika ciepła. Złoże adsorpcyjne zostało przekształcone z próżniowego kolektora słonecznego, który potrafi efektywnie przechwytywać energię słoneczną. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 2: Budowa przekładni ślimakowej. Przekładnia ślimakowa jest urządzeniem, które przekształca ruch obrotowy silnika krokowego w ruch śledzenia słońca kolektora parabolicznego. Oprócz silnika krokowego, przekładnia ślimakowa składa się również z reduktora, koła ręcznego, wału ślimakowego itp. Przesunięcie dźwigni przełącznika trybu ręcznego/automatycznego w lewo powoduje rozłączenie kół zębatych 5a i 5b. Dzięki temu kolektorem można sterować ręcznie poprzez obracanie koła ręcznego. Przesunięcie dźwigni przełącznika trybu ręcznego/automatycznego w prawo powoduje zazębienie kół 5a i 5b. Wówczas sterowanie odbywa się automatycznie za pomocą silnika krokowego.
- Połącz śledzący kolektor słoneczny z wałem przekładni ślimakowej metodą spawania. Przenieś obrót silnika krokowego na kolektor słoneczny poprzez dopasowanie koła zębatego i ślimaka. Przymocuj rurkowe złoże adsorpcyjne do kolektora za pomocą pary opasek zaciskowych do rur.
UWAGA: System napędzany silnikiem krokowym obraca się codziennie ze wschodu na zachód, aby automatycznie śledzić ruch słońca.
- Dostosuj kąt nachylenia rynny do poziomu gruntu, zgodnie ze zmianami wysokości słońca w różnych porach roku. Wyznacz kąt nachylenia β rynny na podstawie szerokości geograficznej Φ danego miejsca oraz deklinacji słonecznej δ, stosując wzór β = Φ - δ. Ręcznie obróć małe koło znajdujące się u dołu dźwigni regulacji kąta, aby ustawić kąt nachylenia rynny (część nr 13, Rysunek 1).
UWAGA: W ten sposób promieniowanie słoneczne padające na kolektor rynnowy jest możliwie jak najbardziej naturalne. System eksperymentalny znajdował się na terenie kampusu Beijing University of Technology, na szerokości geograficznej 39.89 °północ i długość geograficzna 116.38 °E. Złoże adsorpcyjne miało kształt cylindryczny. Zostało ono wykonane z próżniowego solarno-termicznego odbiornika rurowego (Rysunek 3).

Rysunek 3: Budowa złoża adsorpcyjnego i rozmieszczenie sond temperatury.(Góra) Schemat budowy złoża; (dół) Sondy temperatury i kanał transferu masy w złożu. Panel górny przedstawia podstawową strukturę złoża. Materiał adsorbenta umieszcza się w pierścieniowej wnęce pomiędzy rurką absorbującą promieniowanie słoneczne a miedzianym kanałem chłodzącym. Promienie słoneczne przenikają przez szklaną rurkę i padają na powierzchnię rurki absorbującej. Następnie, poprzez przewodnictwo cieplne, energia słoneczna jest przekazywana do materiału adsorbenta wewnątrz złoża. Panel dolny pokazuje rozmieszczenie sond temperatury. Sondy te służą do monitorowania zmian temperatury złoża podczas procesu adsorpcji/desorpcji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
- Aby zwiększyć absorpcję energii słonecznej, pokryj rurkę absorbującą złoża (wykonaną ze stali nierdzewnej o d = 64.5 mm) warstwą osadu z czarnego chromu metodą napylania próżniowego. Więcej informacji na temat tej techniki oraz powłok selektywnych znajduje się w opublikowanej wcześniej literaturze13. Upewnij się, że współczynnik absorpcji słonecznej warstwy powłoki wynosi 0.95, emisyjność w podczerwieni 0.15, a grubość warstwy powłoki 0.08 mm.
UWAGA: Warstwa ta pomaga skutecznie wychwytywać promieniowanie słoneczne, wykazując przy tym bardzo niską własną emisję. W rezultacie energia słoneczna łatwo dociera do złoża adsorpcyjnego i jest efektywnie przekształcana w entalpię cieplną adsorbenta.
- Wprowadź miedzianą rurkę (d = 20 mm) wzdłuż osi złoża adsorpcyjnego. Przymocuj rurkę miedzianą do złoża za pomocą kołnierza (patrz Rysunek 3, górny panel). Rurka miedziana pełni funkcję kanału chłodzącego złoże podczas procesu adsorpcji.
- Wypełnij materiałem adsorbentem przestrzeń pierścieniową w złożu, utworzoną przez rurkę złoża i miedziany kanał chłodzący. Jako materiał adsorbent zastosuj zeolit SAPO-34, a jako czynnik chłodniczy wodę. Umieść w złożu 3.171 kg zeolitu SAPO-34. Ziarnisty zeolit SAPO-34 ma średnicę 5.7 mm.
- Rozmieść dziewięć sond temperatury w trzech przekrojach złoża, aby monitorować zmiany temperatury podczas procesu adsorpcji/desorpcji (Rysunek 3, dolny panel). Przymocuj sondę do każdego małego wspornika osadzonego na miedzianym kanale chłodzącym.
- Umieść sondy 1 i 2 w przekroju A-A w pobliżu wlotu złoża adsorpcyjnego. Umieść sondy 8 i 9 w pobliżu ślepego końca złoża. Pozostałe sondy zamocuj w środkowym przekroju B-B (patrz Rysunek 3).
- Wprowadź osiowo do złoża kanał transportu masy o d = 10 mm. Upewnij się, że kanał masy ma formę rurki siatkowej i ma taką samą długość jak złoże adsorpcyjne (dbed = 64.5 mm). Wysuń kanał w dół od wlotu i ustabilizuj go w odpowiedniej pozycji za pomocą siły nacisku materiału adsorbenta. Rurka siatkowa ułatwia szybkie wnikanie pary wodnej w głąb złoża.
2. Metoda eksperymentalna
UWAGA: Chłodzenie adsorpcyjne opiera się na zasadzie, zgodnie z którą stały materiał adsorbenta silnie adsorbuje pary czynnika chłodniczego w niskiej temperaturze, natomiast desorbuje je w temperaturze wyższej. Wykorzystanie ciepła jako siły napędowej pozwala na osiągnięcie efektu chłodzenia. Cykl chłodniczy układu adsorpcyjnego składa się głównie z czterech etapów: t. j.proces nagrzewania słonecznego, proces desorpcji, proces chłodzenia złoża oraz proces adsorpcji. Proces desorpcji rozpoczyna się ponownie po zakończeniu procesu adsorpcji. Wszystkie etapy eksperymentu są równie ważne, ponieważ są ze sobą powiązane i wzajemnie na siebie wpływają.
- Skonfiguruj układ eksperymentalny zgodnie z poniższymi procedurami, aby rozpocząć ogrzewanie słoneczne i desorpcję w złożu.
- Przed eksperymentem ręcznie obróć kolektor paraboliczny tak, aby był skierowany dokładnie na wschód, w taki sposób, aby światło słoneczne padało prostopadle na kolektor w południe.
- Zamknij wszystkie zawory połączone ze złożem adsorpcyjnym i upewnij się, że ciśnienie w złożu i rurze jest poniżej 800 Pa. Przygotuj układ do ogrzewania słonecznego.
- Włącz układ sterowania systemem w momencie, gdy rano światło słoneczne jest równoległe do linii horyzontu. Ustaw automatyczną rotację kolektora, aby śledził ruch słońca.
- Pozwól, aby nasycone adsorpcyjnie złoże było ogrzewane promieniowaniem słonecznym w warunkach zamkniętych. W rezultacie temperatura i ciśnienie w złożu będą stopniowo rosły.
- Monitoruj ciśnienie w złożu za pomocą manometru (numer 6 na Rysunku 1), aż przekroczy ono wartość ciśnienia odpowiadającą temperaturze kondensacji w otoczeniu. Zgodnie z termodynamiką, ciśnienie kondensacji wody w temperaturze 30 °C wynosi 4,246 Pa.
- Rozpocznij proces desorpcji.
UWAGA: W procesie desorpcji zachodzi kondensacja pary wodnej. Temperatura kondensacji jest określona przez lokalne warunki pogodowe w dniu badania.
- Otwórz zawór łączący złoże z kondensatorem. Pozwól parze wodnej przepłynąć do kondensatora przez rurę łączącą. W miarę wpływania pary wodnej do kondensatora, jego temperatura będzie stopniowo rosnąć.
- Jednocześnie kontynuuj ogrzewanie słoneczne złoża adsorpcyjnego, aby ciśnienie w złożu pozostało wystarczająco wysokie, by wymusić desorpcję. Nie przerywaj ogrzewania słonecznego do czasu zakończenia procesu.
- Zakończ proces desorpcji, gdy ciśnienie w złożu zrówna się z ciśnieniem w kondensatorze. Zamknij zawór po zakończeniu procesu desorpcji.
- Ostudź złoże przed procesem adsorpcji, ponieważ po desorpcji złoże wciąż znajduje się w stanie wysokiej temperatury. Materiał adsorbentny może efektywnie adsorbować tylko w niskiej temperaturze.
- Aby rozpocząć proces adsorpcji, osłoń złoże adsorpcyjne arkuszem folii aluminiowej, tak aby odciąć złoże od promieniowania słonecznego.
- Zamknij wszystkie zawory łączące parownik z kondensatorem.
- Otwórz pętlę cyrkulacyjną wody w złożu i ostudź materiał adsorbentny. Dzięki ciągłej cyrkulacji wody w złożu, entalpia wewnętrzna jest odprowadzana, a ciśnienie w złożu odpowiednio spada.
- Zakończ proces chłodzenia, gdy ciśnienie w złożu spadnie poniżej ciśnienia pary nasyconej w temperaturze parownika.
UWAGA: Po schłodzeniu złoża przygotuj się do procesu chłodzenia adsorpcyjnego. Obecnie temperatura złoża jest zbliżona do temperatury powietrza otoczenia, a ciśnienie w złożu osiągnęło poziom minimalny.
- Utrzymuj pętlę cyrkulacyjną wody w stanie pracy podczas procesu adsorpcji. Adsorpcja jest procesem egzotermicznym, a wytworzone ciepło musi zostać jak najszybciej odprowadzone na zewnątrz.
- Otwórz zawór między złożem a parownikiem. Pozwól parze wodnej z parownika gwałtownie wpłynąć do złoża.
UWAGA: Spadek ciśnienia pary w parowniku powoduje odparowanie większej ilości wody, co skutkuje gwałtownym spadkiem temperatury parownika. W konsekwencji parownik pochłania ciepło z zasobnika wody, w którym jest umieszczony, co wywołuje efekt chłodzenia.
- Kontynuuj proces adsorpcji i rejestruj zmiany temperatury oraz ciśnienia w złożu.
UWAGA: Podczas procesu adsorpcji ciśnienie pary w parowniku staje się coraz niższe, natomiast temperatura złoża szybko rośnie.
- Zakończ proces adsorpcji, gdy ciśnienie w złożu zrówna się z ciśnieniem w parowniku. Następnie ponownie nastąpi proces desorpcji.
3. Metoda redukcji danych
- Oceń wydajność układu chłodniczego na podstawie mocy chłodniczej oraz sprawności przemiany ciepła w zimno.
UWAGA: W obecnym systemie wydajność chłodnicza jest obliczana na podstawie masy odparowanej wody oraz zmiany temperatury samego parownika.
- Aby określić całkowitą wydajność chłodniczą (Qref) układu, obliczyć sumę spadku entalpii wody chłodzącej w zbiorniku, metalowego parownika oraz pozostałej wody w parowniku po adsorpcji w następujący sposób:

gdzie cp w Równ. (1) jest ciepłem właściwym przy stałym ciśnieniu, a m oznacza masę. C jest współczynnikiem korekcyjnym wydajności chłodniczej parownika, uwzględniającym wymianę ciepła między zbiornikiem z wodą a otoczeniem; zgodnie z zasadami wymiany ciepła przyjmuje się, że C = 1,15. Indeksy w i e oznaczają odpowiednio wodę i parownik. W równaniu mw,tan oraz mTo jest niepełny lub błędny tekst źródłowy. Proszę o podanie pełnej treści do tłumaczenia.a jest masa schłodzonej wody w zbiorniku oraz masa wody pozostałej w parowniku, co odpowiada spadkowi temperatury ΔTw oraz ΔTeodpowiednio.
UWAGA: Wprowadzenie energii słonecznej do złoża jest niezbędne do oceny wydajności transformacji ciepła w zimno.
- Wyznacz dopływ energii słonecznej Qs Jako:

gdzie Is,i (t) to przejściowe natężenie promieniowania słonecznego rejestrowane przez aktynometr podczas procesu desorpcji. Przedział czasowy Δt akwizycji danych do Is,i (t) wynosi 10 s. Powierzchnia apertury kolektora parabolicznego Ap, sprawność odbicia powierzchni rynny ρ, transmitancja szkła rurki τ oraz współczynnik absorpcji słonecznej powierzchni powłoki α, wraz z parametrami w Równ. (1), są wszystkie wymienione w Tabela 1.
- Na podstawie Qref orazQs wyznaczyć współczynnik COP układu chłodniczego zgodnie z powyższymi obliczeniami jako14:

β1 i β2 są współczynnikami korekcyjnymi dla dopływu energii słonecznej Qsβ1 jest to współczynnik korekcyjny stopnia nieparaboliczności rynny, który uwzględnia jej odkształcenie wynikające z ograniczeń techniki wykonania i jest oznaczany jako β1 = 0,85. β2 jest współczynnikiem korekcyjnym rzeczywistej ilości ciepła uzyskanego z złoża. Ze względu na mniejszy rozmiar metalowej rurki złoża w porównaniu z zewnętrzną rurką szklaną, rzeczywista ilość uzyskanego ciepła jest mniejsza niż wartość odnotowana na rurce szklanej. β2 jest określana przez stosunek średnicy złoża metalowego D2 do średnicy rurki szklanej D1Z D1 = 100 mm oraz D2 = 64,5 mm, oblicza się, że β2 = 0.645.
- Wyznacz moc chłodzenia złoża na podstawie parametrów eksperymentu jako14:

gdzie ma masa materiału adsorbentowego i treklamy jest czasem trwania procesu adsorpcji.

Tabela 1: Wartości parametrów w równaniu (1) i równaniu (2). W niniejszej tabeli wymieniono parametry wykorzystane w równaniu (1) oraz równaniu (2). Parametry te obejmują cp, Ap, α, itp.