$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
1. Konfiguracja eksperymentalna
UWAGA: Adsorpcyjny system chłodzenia składał się ze złoża adsorpcyjnego, parownika, skraplacza, pompy próżniowej i kolektora słonecznego (Rysunek 1). Wyprodukowano i zastosowano w systemie automatyczne urządzenie śledzące nasłonecznienie z rynną paraboliczną w celu poprawy wydajności kolektora słonecznego. Automatyczne koryto śledzenia słońca było napędzane przez przekładnię ślimakową, jak pokazano na Rysunek 2. Urządzenie składało się z silnika krokowego, ślimaka, przekładni, ruchomego bloku ograniczającego i koła ręcznego. Wymiary przekładni ślimakowej wynosiły 21 x 80 cm2. Kolektor korytowy koncentrował promienie słoneczne na złożu adsorpcyjnym, które znajdowało się wzdłuż linii ogniskowania koryta parabolicznego.

Rysunek 1: Eksperymentalny system do chłodzenia adsorpcyjnego przez energię słoneczną. (Góra) Schemat systemu; (na dole) Zdjęcie układu eksperymentalnego. Na górnym panelu znajdują się elementy składowe układu doświadczalnego, w skład którego wchodzi parownik, skraplacz, pompa próżniowa itp. Na dolnym panelu znajduje się zdjęcie zmontowanego adsorpcyjnego układu chłodniczego. W układzie parownik i skraplacz mają konstrukcję żeberkowo-rurową, rodzaj kompaktowego wymiennika ciepła. Złoże adsorpcyjne jest przekształcane z próżniowego kolektora słonecznego, który może skutecznie wychwytywać energię słoneczną. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Struktura przekładni ślimakowej. Przekładnia ślimakowa to urządzenie, które przekształca obrót silnika krokowego w ruch śledzenia słońca koryta parabolicznego. Oprócz silnika krokowego, przekładnia ślimakowa obejmuje również reduktor, koło ręczne, wałek ślimakowy itp. Pociągając dźwignię przełącznika ręcznego/automatycznego w lewo, biegi 5a i 5b są odłączane. W ten sposób koryto można sterować ręcznie, obracając pokrętło ręczne. Pociągając dźwignię przełącznika ręcznego/automatycznego w prawo, biegi 5a i 5b są sprzężone razem. Dzięki temu jest sterowany automatycznie przez silnik krokowy.
- Podłączyć śledzący kolektor słoneczny do wału koła ślimakowego metodą spawania. Przekaż obroty silnika krokowego do kolektora słonecznego, dopasowując koło zębate i ślimak. Zamocować rurowe złoże adsorpcyjne razem z kolektorem za pomocą pary kołnierzy rurowych.
UWAGA: Napędzany silnikiem krokowym system obraca się codziennie ze wschodu na zachód, aby automatycznie podążać za ruchem słońca.
- Dostosuj kąt nachylenia koryta do poziomu gruntu, zgodnie ze zmianą wysokości nasłonecznienia w różnych porach roku. Określ kąt nachylenia β doliny na podstawie lokalnej szerokości geograficznej Φ i δ deklinacji słonecznej oraz wzoru β = Φ - δ. Ręcznie obróć małe kółko, które znajduje się w dolnej części dźwigni regulacji kąta, aby wyregulować kąt nachylenia koryta (część nr 13, Rysunek 1).
UWAGA: W ten sposób promieniowanie słoneczne jest tak normalne, jak to tylko możliwe na korycie. System eksperymentalny znajdował się na terenie kampusu Politechniki Pekińskiej, na szerokości geograficznej 39,89 °N i długości geograficznej 116,38 °E. Złoże adsorpcyjne przybrało formę cylindryczną. Został on zreformowany z próżniowego odbiornika słonecznego lampy (Rysunek 3).

Rysunek 3: Struktura złoża adsorpcyjnego i rozmieszczenie sondy temperatury. (Góra) Schemat konstrukcji łóżka; (na dole) Sondy temperatury i kanał wymiany masy w łożu. Górny panel przedstawia podstawową konstrukcję łóżka. Materiał adsorpcyjny jest umieszczany we wnęce pierścieniowej między rurą pochłaniającą energię słoneczną a miedzianym kanałem chłodzącym. Promienie słoneczne przenikają przez szklaną rurkę i padają na powierzchnię rurki pochłaniającej energię słoneczną. Następnie, poprzez przewodzenie ciepła, energia słoneczna jest przekazywana do materiału adsorpcyjnego wewnątrz złoża. Dolny panel pokazuje położenie sond temperatury. Sondy te służą do monitorowania zmian temperatury złoża podczas procesu adsorpcji/desorpcji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
- Aby ułatwić wychwytywanie energii słonecznej, należy pokryć rurkę pochłaniającą energię słoneczną łóżka (wykonaną ze stali nierdzewnej o d = 64,5 mm) warstwą czarnego chromu metodą powlekania próżniowego. Więcej informacji na temat tej techniki można znaleźć w wcześniej opublikowanej literaturze na temat powlekania selektywnego13. Upewnij się, że współczynnik absorpcji promieni słonecznych warstwy powłoki wynosi 0,95, emisyjność podczerwieni wynosi 0,15, a grubość warstwy powłoki wynosi 0,08 mm.
UWAGA: Ta warstwa powłoki pomaga skutecznie wyłapywać promieniowanie słoneczne, ale sama emituje bardzo niewiele. W rezultacie energia słoneczna łatwo dostaje się do złoża adsorpcyjnego i jest skutecznie przekształcana w entalpię termiczną adsorbentu.
- Wprowadzić rurkę miedzianą (d = 20 mm) wzdłuż osi złoża adsorpcyjnego. Przymocuj miedzianą rurkę do łóżka za pomocą kołnierza (patrz Rysunek 3, górny panel). Rura miedziana pełni funkcję kanału chłodzącego złoża podczas procesu adsorpcji.
- Wypełnij materiał adsorpcyjny we wnęce pierścieniowej w złożu, która jest utworzona przez rurkę łóżka i miedziany kanał chłodzący. Użyj zeolitu SAPO-34 jako materiału adsorpcyjnego, a wody jako czynnika chłodniczego. Umieść 3.171 kg zeolitu SAPO-34 w łóżku. Granulowany zeolit SAPO-34 ma średnicę 5,7 mm.
- Rozmieszczenie dziewięciu sond temperatury w trzech przekrojach poprzecznych złoża w celu monitorowania zmian temperatury złoża podczas procesu adsorpcji/desorpcji (Rysunek 3, dolny panel). Zamocuj sondę na każdym małym wsporniku, który jest osadzony na miedzianym kanale chłodzącym.
- Umieścić sondy 1 i 2 w sekcji A-A w pobliżu wlotu złoża adsorpcyjnego. Umieść sondy 8 i 9 w pobliżu ślepego zaułka łóżka. Zamocuj pozostałe sondy w środkowej sekcji B-B (patrz Rysunek 3).
- Wprowadzić osiowo kanał przenoszący masę o średnicy d = 10 mm do łoża. Upewnij się, że kanał masowy ma postać rurki siatkowatej i ma tę samą długość co złoże adsorpcyjne (złoże d = 64,5 mm). Przedłuż kanał w dół od wlotu i ustaw go we właściwej pozycji pod wpływem siły wytłaczania materiału adsorpcyjnego. Rurka siatkowata pomaga parze wodnej szybko dostać się do głębokiego obszaru złoża.
2. Metoda eksperymentalna
UWAGA: Chłodzenie adsorpcyjne opiera się na zasadzie, że stały materiał adsorbujący silnie adsorbuje parę czynnika chłodniczego w niskiej temperaturze, podczas gdy desorbuje parę w wyższej temperaturze. Wykorzystując ciepło jako bodziec napędowy, osiąga się cel chłodzenia. Cykl chłodniczy układu adsorpcyjnego składa się głównie z czterech etapów, tj. procesu nagrzewania słonecznego, procesu desorpcji, procesu chłodzenia złoża i procesu adsorpcji. Proces desorpcji rozpoczyna się ponownie po zakończeniu procesu adsorpcji. Wszystkie etapy eksperymentu są równie ważne, ponieważ są ze sobą powiązane i wpływają na siebie interaktywnie.
- Wyreguluj konfigurację eksperymentalną zgodnie z poniższymi procedurami, aby rozpocząć ogrzewanie słoneczne i desorpcję złoża.
- Przed eksperymentem obrócić koryto paraboliczne ręcznie, aż będzie skierowane na wschód, tak aby światło słoneczne naświetlało kolektor koryta parabolicznego normalnie w południe.
- Zamknij wszystkie zawory, które są podłączone do złoża adsorpcyjnego i upewnij się, że ciśnienie w złożu i rurze jest poniżej 800 Pa. Przygotuj go do ogrzewania słonecznego.
- Włącz urządzenie sterujące systemu, gdy światło słoneczne jest równoległe do linii horyzontu rano. Spraw, aby koryto automatycznie się obracało, aby śledzić ruch słońca.
- Pozwól, aby złoże nasycone adsorpcją było ogrzewane promieniowaniem słonecznym w warunkach zamkniętych. W rezultacie temperatura stołu i ciśnienie w złożu będą stopniowo rosły.
- Monitoruj ciśnienie w złożu za pomocą manometru (numer 6 w Rysunek 1), aż będzie wyższe niż wartość ciśnienia odpowiadająca temperaturze skraplania w otoczeniu. Zgodnie z termodynamiką ciśnienie skraplania wody w temperaturze 30 °C wynosi 4,246 Pa.
- Rozpocznij proces desorpcji.
UWAGA: W procesie desorpcji dochodzi do kondensacji pary wodnej. Temperatura skraplania zależy od lokalnych warunków pogodowych w dniu testu.
- Otwórz zawór łączący złoże ze skraplaczem. Pozwól, aby para wodna przepływała do skraplacza przez rurę łączącą. Gdy para wodna dostaje się do skraplacza, temperatura skraplacza będzie stopniowo rosła.
- Jednocześnie utrzymuj ogrzewanie słoneczne w złożu adsorpcyjnym, tak aby ciśnienie w złożu pozostało wystarczająco wysokie, aby spowodować desorpcję. Nie zatrzymuj ogrzewania słonecznego, dopóki proces nie zostanie zakończony.
- Zakończyć proces desorpcji, gdy ciśnienie złoża jest równe ciśnieniu skraplacza. Wyłącz zawór po zakończeniu procesu desorpcji.
- Złoże należy schłodzić przed procesem adsorpcji, ponieważ złoże po desorpcji jest jeszcze w stanie wysokiej temperatury. Materiał adsorpcyjny może w dużej mierze adsorbować się tylko w niskiej temperaturze.
- Aby rozpocząć proces adsorpcji, należy osłonić złoże adsorpcyjne arkuszem folii aluminiowej, tak aby złoże było odcięte od promieniowania słonecznego.
- Zamknij wszystkie zawory łączące parownik i skraplacz
.
- Otwórz obieg wody w złożu i schłodzić materiał adsorpcyjny. Gdy woda stale krąży w złożu, entalpia wewnętrzna jest usuwana, a ciśnienie w złożu odpowiednio spada.
- Zakończ proces chłodzenia, gdy ciśnienie złoża spadnie poniżej ciśnienia pary nasyconej przy temperaturze parownika.
UWAGA: Przygotuj się na proces chłodzenia adsorpcyjnego po schłodzeniu złoża. Teraz temperatura stołu jest zbliżona do temperatury powietrza otoczenia, a ciśnienie w złożu osiągnęło minimalny poziom.
- Utrzymuj krążącą pętlę wody w stanie roboczym podczas procesu adsorpcji. Adsorpcja jest procesem egzotermicznym, a wytworzone ciepło musi zostać jak najszybciej odprowadzone na zewnątrz.
- Otwórz zawór między złożem a parownikiem. Niech para wodna wpada do łoża z parownika.
UWAGA: Redukcja pary w parowniku powoduje parowanie większej ilości wody, co skutkuje drastycznym spadkiem temperatury parownika. W konsekwencji parownik pochłania ciepło ze zbiornika wody, w którym osadzony jest parownik, i uzyskuje się efekt chłodzenia.
- Utrzymuj proces adsorpcji i rejestruj zmianę temperatury stołu i ciśnienia w złożu.
UWAGA: Podczas procesu adsorpcji ciśnienie pary w parowniku staje się coraz niższe, ale temperatura złoża szybko rośnie.
- Zakończ proces adsorpcji, gdy ciśnienie złoża jest równe ciśnieniu parownika. Następnie proces desorpcji nastąpi ponownie.
3. Metoda redukcji danych
- Oceń wydajność układu chłodniczego w oparciu o wydajność chłodniczą i sprawność przemiany ciepła w zimno.
UWAGA: W przypadku obecnego systemu wydajność chłodnicza jest obliczana na podstawie ilości masowej odparowanej wody i zmiany temperatury samego parownika.
- Aby określić całkowitą wydajność chłodniczą (Qref) układu, należy obliczyć sumę spadku entalpii wody lodowej w zbiorniku, parowniku metalowym i wody resztkowej w parowniku po adsorpcji w następujący sposób:

gdzie cp w równaniu (1) jest ciepłem właściwym przy stałym ciśnieniu, a m oznacza masę. C jest współczynnikiem korygującym wydajność chłodniczą parownika uwzględniającym wymianę ciepła między zbiornikiem wody a otoczeniem i przyjmuje się, że C = 1,15 zgodnie z zasadą wymiany ciepła. Indeks dolny w i e reprezentuje odpowiednio wodę i parownik. W równaniu mw,tan i mw,eva jest masą schłodzonej wody w zbiorniku i masą pozostałej wody w parowniku, co odpowiada odpowiednio spadkowi temperatury ΔTw i ΔTe.
UWAGA: Energia słoneczna dostarczana do łóżka jest potrzebna do oceny wydajności przemiany ciepła w zimno.
- Określ dopływ energii słonecznejQ s jako:

gdzie, Is,i (t) jest przejściowym natężeniem promieniowania słonecznego zarejestrowanym przez aktynometr podczas procesu desorpcji. Przedział czasowy Δt akwizycji danych do Is,i (t) wynosi 10 s. Powierzchnia apertury koryta parabolicznego Ap, skuteczność odbicia powierzchni rynny ρ, przepuszczalność szkła rurowego τ oraz współczynnik absorpcji promieniowania słonecznego powierzchni powłoki α, wraz z parametrami w równaniu (1), są wymienione w tabeli 1.
- Na podstawiereferencji Q iQs uzyskanych powyżej, określ COP układu chłodniczego jako14:

β1 i β2 są współczynnikami korygującymi dopływ energii słonecznej Qs. β1 jest współczynnikiem korygującym stopień nieparaboliczny koryta, który uwzględnia odkształcenie koryta spowodowane ograniczeniami techniki wytwarzania i przyjmuje się, żeβ 1 = 0,85. β2 to współczynnik korygujący rzeczywistą ilość uzyskanego ciepła złoża. Ze względu na mniejszy rozmiar metalowej rury łóżka niż zewnętrznej szklanej rury, rzeczywista ilość uzyskanego ciepła jest mniejsza niż ta odbita na szklaną rurkę. β2 zależy od stosunku średnicy złoża metalowego D2 do średnicy rurki szklanej D1. Przy D1 = 100 mm i D2 = 64,5 mm oblicza się, że β2 = 0,645.
- Określ określoną moc chłodzenia łóżka na podstawie parametrów eksperymentu jako14:

gdzie ma jest masą materiału adsorpcyjnego, a tads jest czasem trwania procesu adsorpcji.

Tabela 1: Wartości parametru w równaniu (1) i równaniu (2). Parametry, które są zaangażowane w równanie (1) i równanie (2), są wymienione w tej tabeli. Parametry obejmują cp, Ap, α itd.