Sistema experimental de refrigeração Solar adsorção com coletor de concentrado

Resumo

Com a energia solar como a força motriz, um sistema de refrigeração de adsorção romance foi desenvolvido e experimentalmente investigado. Vapor de água e zeólita formaram o par de trabalho do sistema de adsorção. Este manuscrito descreve a configuração de plataforma experimental, o procedimento de operação e os resultados importantes.

Resumo

Para melhorar o desempenho de refrigeração solar adsorção, um sistema experimental com um coletor solar de concentração foi criado e investigado. Os principais componentes do sistema foram a cama adsorvente, o condensador, o evaporador, o sistema de refrigeração sub e o coletor solar. Na primeira etapa do experimento, a cama do vapor saturado era aquecida pela radiação solar sob condições fechadas, o que causou a cama de temperatura e pressão para aumentar. Quando a pressão de cama tornou-se alta o suficiente, a cama foi trocada para conectar-se ao condensador, assim, vapor de água fluiu continuamente da cama para o condensador para ser liquefeito. Em seguida, a cama necessário arrefecer após a dessorção. Na condição solar blindado, alcançada pela folha de alumínio, o loop de água circulante foi aberto para a cama. Com a água circula continuamente na cama, o calor armazenado na cama foi pegou e a pressão de cama diminuiu em conformidade. Quando a pressão de cama cair abaixo da pressão de saturação à temperatura de evaporação, foi aberta a válvula para o evaporador. Uma massa de vapor de água, corri para a cama e foi adsorvida pelo material zeólito. Com o maciço vaporização da água no evaporador, o efeito de refrigeração foi gerado por último. O resultado experimental revelou que tanto o COP (coeficiente de desempenho do sistema) e o SCP (potência de refrigeração específica do sistema) de zeólita o SAPO-34 foi maior do que a zeólita ZSM-5, não importa se o tempo de adsorção foi mais ou mais curto. O sistema de zeólita o SAPO-34 gerado um COP máximo de 0,169.

Introdução

Com o problema de depleção do ozônio do vapor tradicional de refrigeração compactada crescendo mais grave, substituindo a tradicional refrigeração com tecnologia verde tornou-se um tema quente nos últimos anos. Entre essas tecnologias verdes, a refrigeração solar adsorção tem atraído muito a atenção dos pesquisadores. Impulsionado por energia térmica de baixa qualidade, o sistema de refrigeração de adsorção tem as vantagens de ser ambientalmente amigável, pequeno e flexível. Este sistema de adsorção pode também ser conduzido com não-energia solar, por exemplo pelo calor waste, dispensado do equipamento térmico ou pelos gases de escape do motor dos veículos, como mencionado por Hu et al. ¹

Em uma absorção pelo sistema de arrefecimento, a cama de adsorção é o componente chave. Seu trabalho afeta diretamente o desempenho do sistema inteiro. Portanto, o design da cama adsorção é a questão mais importante, como apontado por Sutuki. ² há uma década, a cama lisa foi usada principalmente na adsorção de sistema de arrefecimento. ^{3 , 4 , 5} sem qualquer dispositivo de concentração solar, a temperatura da cama Lisa era geralmente baixa e, portanto, o policial do sistema era insatisfatório. Em contraste, a cama de adsorção tubular melhorou o policial. Foi relatado que a polícia pode chegar a 0,21 na região Subsariana por Ammar Hadj et al ⁶ além disso, Wang et al. ⁷ desenvolveu um adsorvente de placa espiral que distinguiu-se pela característica da regeneração de calor contínuo. O projeto novo da cama da adsorção encurtou o tempo de ciclo do sistema. Abu-Eliane et al ⁸ relatou seu estudo sobre o sistema de refrigeração solar adsorção com um colecionador parabólicos. Seus resultados mostraram o policial do sistema variado de 0,18 a 0,20. El Fadar et al ⁹ estudou um sistema de refrigeração de adsorção que foi acoplado com uma tubulação de calor e alimentado pelo coletor parabólicos, que mostrou um ótimo policial de 0,18.

Para aumentar a transferência de calor da cama tubular, foram considerados alguns adsorventes de tubos aletados e analisou-se o efeito do realce. Uma cama inovadora que tomou a forma do trocador de calor casco e tubo foi apresentada por Restuccia et al ¹⁰. os tubos aletados interno foi revestido com uma camada de zeólito para que a resistência de contato de transferência de calor entre a superfície do metal e o material adsorvente massa poderia ser reduzida. O sistema produziu uma saída de 30-60 W/kg de potência de refrigeração específica no ciclismo tempo de 15 a 20 s... Al Mers et al ¹¹demonstrou que o adsorvente reforçada com aletas de 5-6 pode reduzir significativamente a perda de calor do adsorvente para o ambiente e melhorando o policial em 45%. O efeito de um adsorvente de tubos aletados, sobre o desempenho do sistema solar conduzido também foi estudado por Louajari et al . ¹². usando carbono ativado-amônia como o par de trabalho, mostraram que a transferência de massa de ciclismo no adsorvente com barbatanas era maior do que a um sem nadadeiras.

No estudo atual, estudamos experimentalmente um sistema de refrigeração melhorado adsorção solar, no qual aplicou-se um colecionador parabólicos de rastreamento solar e um túnel de arrefecimento interno foi implantado. Com o zeolite SAPO-34/ZSM-5 e o vapor de água como o par de trabalho, o sistema mostrou características interessantes em termos de refrigeração e termodinâmica. A metodologia experimental, bem como os resultados de teste típicos serão apresentados e discutidos neste relatório.

Protocolo

1. instalação experimental

Nota: O sistema de refrigeração de adsorção era composto da cama de adsorção, evaporador, condensador, a bomba de vácuo e o coletor solar calha ( Figura 1). Um dispositivo de rastreamento solar automático com um parabólicos foi fabricado e aplicado no sistema para melhorar a eficiência do coletor solar. O cocho de rastreamento solar automático foi impulsionado pelo dispositivo de engrenagem de sem-fim como mostrado na Figura 2. O dispositivo consistia do motor de passo, o verme, a engrenagem, o bloco de limite em movimento e a roda manual. As dimensões do dispositivo de engrenagem de sem-fim eram 21 x 80 cm ². O coletor de cocho concentrado raios solares para a cama o adsorvente, que estava localizada ao longo da linha de foco do parabólicos.

Figura 1: sistema Experimental para solar refrigeração de adsorção. (Top) diagrama esquemático do sistema; (parte inferior) Fotografia da instalação experimental. O painel superior apresenta os componentes do sistema experimental, que envolve o evaporador, condensador, a bomba de vácuo, etc. O painel inferior exibe a fotografia do sistema de refrigeração montado de adsorção. No sistema, o evaporador e o condensador é da estrutura da aleta-tubo, um tipo de trocador de calor compacto. A cama de adsorção é reformada de um coletor solar vácuo, que pode capturar energia solar eficazmente. por favor clique aqui para ver uma versão maior do Esta figura.

Figura 2: a estrutura da caixa de engrenagem de sem-fim. A caixa de engrenagem de sem-fim é o dispositivo que transforma a rotação do motor deslizante para o movimento de rastreamento solar dos parabólicos. Além do motor de passo, a caixa de engrenagem de sem-fim também envolve o redutor, a roda manual, o eixo do sem-fim, etc. puxar o interruptor manual/automático identificador para a esquerda, engrenagens 5a e 5b estão desactivados. Assim, a calha pode ser controlada manualmente girando a roda de mão. Puxe o cabo do interruptor manual/automático para a direita, 5b e 5a de engrenagens estão envolvidos juntos. Assim, é controlada automaticamente pelo motor deslizante.

Método

1. Connect do coletor solar de rastreamento ao eixo do sem-fim-roda por uma solda. Passe a rotação do motor deslizante para o coletor solar pela correspondência entre a engrenagem e do sem-fim. Arrumo a cama de adsorção tubular em conjunto com o coletor com um par de tubulação colarinhos.
   Nota: Conduzido pelo motor de passo a passo, o sistema gira diariamente do leste para o oeste para seguir o movimento solar automaticamente.
2. Ajustar o ângulo de inclinação da depressão de ao nível do solo, de acordo com a variação da altitude solar em estações diferentes. Determinar a inclinação β ângulo da depressão de pelo Φ local de latitude e a declinação solar δ e a fórmula β = Φ - δ. Gire manualmente a roda pequena que está localizada na parte inferior da alavanca de ajuste de ângulo para regular o ângulo de inclinação da depressão de (a parte do n. º 13, Figura 1).
   Nota: Deste modo, a radiação solar é tão normal quanto possível sobre a calha. O sistema experimental foi localizado no campus da Universidade de tecnologia de Pequim, na latitude 39.89 ° N e longitude 116.38 ° E. A cama de adsorção assumiu uma forma cilíndrica. Ele foi reformado de um receptor solar vácuo de um tubo ( Figura 3).

Figura 3 : estrutura de cama a adsorção e a implantação da temperatura sonda. (Top) diagrama esquemático da estrutura da cama; (parte inferior) As sondas de temperatura e o canal de transferência de massa na cama. O painel superior mostra a estrutura básica da cama. O material adsorvente é colocado na cavidade anular entre o tubo de absorção solar e o canal de refrigeração de cobre. Raios solares penetram o tubo de vidro e cair sobre a superfície do tubo de absorção solar. Então, por condução de calor, a energia solar é transferida para o material adsorvente dentro da cama. O painel inferior mostra a localização das sondas de temperatura. Estas sondas são usadas para monitorar a mudança de temperatura da cama durante o processo de adsorção/dessorção. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. para promover a captação da energia solar, revestir o tubo de absorção solar da cama, (feito de aço inoxidável com d = 64,5 mm) com uma camada de depósito de cromo preto pelo método de revestimento do vácuo. Consulte a literatura anteriormente publicada sobre revestimento seletivo para obter mais informações sobre esta técnica ¹³. Certifique-se de que a taxa de absorção solar da camada de revestimento é 0,95, a emissividade do infravermelha é 0,15 e a espessura da camada de revestimento é 0,08 mm.
   Nota: Esta camada de revestimento ajuda a pegar a radiação solar eficazmente mas emite muito ligeiramente em si. Como resultado, a energia solar fica na cama de adsorção facilmente e é transformada para térmica entalpia do adsorvente eficazmente.
4. Inserir um tubo de cobre (d = 20 mm) ao longo do eixo da cama adsorção. Fixar o tubo de cobre para a cama com o flange (veja Figura 3, painel superior). O tubo de cobre funciona como o canal de resfriamento da cama durante o processo de adsorção.
5. Preencher o material adsorvente na cavidade anular na cama que é formada por um tubo a cama e o canal de refrigeração de cobre. Use o SAPO-34 zeólita como material adsorvente e água como refrigerante. Coloque 3,171 kg de zeólita o SAPO-34 para a cama. O zeolite SAPO-34 granular é 5,7 mm de diâmetro.
6. Implantar nove sondas de temperatura em três secções transversais da cama para monitorar a mudança de temperatura da cama durante o processo de adsorção/dessorção ( Figura 3, painel inferior). Fixar uma sonda em cada pequeno torcedor que está assentado sobre o canal de resfriamento cobre.
7. Colocar sondas 1 e 2 na secção A-A perto da entrada da cama adsorção. Coloque sondas 8 e 9, perto do beco sem saída da cama. Fixar as outras sondas a seção intermediária B-B (ver Figura 3).
8. Axialmente inserir um canal de transferência de massa de d = 10 mm para a cama. Certifique-se de que o canal em massa tem a forma de tubo reticular e é o mesmo comprimento da cama adsorção (d _cama = 64,5 mm). Estender o canal para baixo a partir da entrada e torná-lo a ficar na posição certa, com a força de extrusão do material adsorvente. O tubo reticular ajuda o vapor de água para inserir a região profunda da cama rapidamente.

2. Método experimental

Nota: refrigeração de adsorção baseia-se no princípio de que o material adsorvente sólido absorve o vapor refrigerante fortemente em baixa temperatura, enquanto que desorbs o vapor a uma temperatura mais elevada. Usando o calor como a condução do impulso, o efeito de refrigeração é alcançado. O ciclo de refrigeração do sistema de adsorção envolve principalmente quatro etapas, ou seja, o solar processo de aquecimento, o processo de dessorção, o processo de resfriamento de cama e o processo de adsorção. O processo de dessorção começa mais uma vez, depois de completar o processo de adsorção. Todas as etapas do experimento são igualmente importantes, porque eles estão interligados e influenciam mutuamente interativamente.

1. Regular a instalação experimental os procedimentos a seguir para iniciar o aquecimento solar e a dessorção da cama.
   1. Rode o parabólicos manualmente até que está enfrentando devido leste antes do experimento, para que a luz do sol irradia o colecionador parabólicos normalmente ao meio-dia.
   2. Fecha-se todas as válvulas que estão conectadas ao leito de adsorção e assegurar a pressão da cama e a tubulação é abaixo de 800 PA. fazer pronto para aquecimento solar.
   3. Ligar o equipamento de controlo do sistema quando a luz do sol é paralela à linha do horizonte pela manhã. Fazer a calha automaticamente rodar para rastrear o movimento solar.
   4. Deixe a adsorção saturados cama ao ser aquecido pela radiação solar em condições fechadas. Como resultado, a temperatura da cama e a pressão de cama irão aumentar gradualmente.
   5. Monitor a pressão da cama com o calibre de pressão (número 6 na Figura 1) até que ele é superior ao valor de pressão que corresponde à temperatura de condensação do ambiente. De acordo com a termodinâmica, a pressão de condensação da água a 30 ° C é 4.246 PA.
2. Iniciar o processo de dessorção.
   ​ Nota: o processo de dessorção, ocorre a condensação do vapor de água. A temperatura de condensação é determinada pelas condições climáticas locais no dia do teste.
   1. Abrir a válvula que conecta a cama e o condensador. Fluxo de vapor de água deixa para o condensador através do tubo de ligação. Como vapor de água entra no condensador, a temperatura do condensador aumenta gradualmente.
   2. Ao mesmo tempo, manter o aquecimento solar para a cama de adsorção, para que a pressão de cama permanece alta o suficiente para causar a dessorção. Não pare o aquecimento solar, até a conclusão do processo.
   3. Terminar o processo de dessorção, quando a pressão da cama é igual à pressão do condensador. Desligar a válvula quando o processo de dessorção acabou.
3. Refrigerar para baixo da cama antes do processo de adsorção, como a cama ainda está em estado de alta temperatura após a dessorção. O material adsorvente pode adsorver em grande parte apenas a baixa temperatura.
   1. Para iniciar o processo de adsorção, proteger a cama de adsorção com uma folha de folha de alumínio, para que a cama está separada da radiação solar.
   2. Fechar todas as válvulas que conectam o evaporador e o condensador.
   3. Abra a água circulante-laço da cama e resfriar o material adsorvente. Com a água circula continuamente na cama, a entalpia interna é retirada e a pressão de cama diminui correspondentemente.
   4. Acabar o processo de arrefecimento, quando a pressão de cama cai abaixo da pressão de vapor saturada no evaporador ' temperatura de s.
      Nota: Prepare-se para o processo de refrigeração de adsorção após refrigerar para baixo da cama. Agora a temperatura da cama é em torno da temperatura de ar ambiente, e a pressão de cama atingiu o nível mínimo.
   5. Manter a água circulante-laço em um estado de funcionamento durante o processo de adsorção. A adsorção é um processo exotérmico, e o calor gerado precisa ser descarregado fora logo que possível.
   6. Abrir a válvula entre a cama e o evaporador. Deixe a pressa de vapor de água no leito do evaporador.
      Nota: A redução do vapor do evaporador faz com que mais água vaporizar, o que resulta na drástica diminuição da temperatura do evaporador. Consequentemente, o evaporador absorve o calor do tanque de água onde o evaporador está assentado, e um efeito de refrigeração é obtido.
   7. Manter o processo de adsorção, acontecendo e gravar a mudança de temperatura a cama e a pressão de cama.
      Nota: Durante o processo de adsorção, a pressão de vapor no evaporador torna-se menor e menor, mas a cama temperatura aumenta rapidamente.
   8. Terminar o processo de adsorção, quando a pressão de cama é igual à pressão do evaporador. Depois, seguirá o processo de dessorção novamente.

3. Método de redução de dados

1. avaliar o desempenho do sistema de refrigeração baseado sobre a capacidade de refrigeração e a eficiência da transformação do calor-para-fria.
   ​ Nota: para o sistema atual, a capacidade de refrigeração é calculada a quantidade de massa da água vaporizada e a mudança de temperatura do evaporador em si.
   1. Para determinar a capacidade total de refrigeração (_ref. Q) do sistema, calcular a soma do decréscimo de entalpia da água gelada no tanque, o evaporador de metal e a água residual no evaporador após a adsorção, como segue:
      
      onde c _p na EQ. (1) é o calor específico a pressão constante e m indica a massa. C é um fator de correção para a capacidade de refrigeração do evaporador Considerando a transferência de calor entre o tanque de água e o ambiente, e presume-se C = 1,15 de acordo com o princípio da transferência de calor. O subscrito w e e representam a água e o evaporador, respectivamente. Na equação m _{w, tan} e m _{w, ev um} é a massa da água gelada no tanque e a massa da água residual no evaporador, que corresponde à temperatura gota ΔT _w e ΔT _e , respectivamente.
      Nota: A entrada de energia solar para a cama é necessária para avaliar a eficiência da transformação do calor-para-fria.
   2. Determinar a energia solar entrada, Q _s como:
      
      onde, eu _{s, eu} (t) é a intensidade solar transitória, gravada pelo actinometer durante o processo de dessorção. O Δt de intervalo de tempo a aquisição de dados para o eu _{s, eu} (t) é de 10 s. A área de abertura dos parabólicos um _p, a eficiência reflexiva de ρ de superfície da calha, a transmitância de τ de vidro do tubo e o coeficiente de absorção solar do α de superfície de revestimento, juntamente com os parâmetros em EQ. (1), estão todos listados na tabela 1.
   3. Baseado sobre o Q _ref e o _{Q s} obtida acima, determinar o policial do sistema de refrigeração como ¹⁴:
      
      β1 e β ₂ são fatores de correção para a energia solar entrada Q _s. β ₁ é o fator de correção do grau de não-parabólica o calha, que leva em consideração a deformação da depressão de devido às limitações da técnica da fabricação, e presume-se β ₁ = 0,85. β ₂ é o fator de correção da quantidade real de calor obtido da cama. Devido ao menor tamanho de tubo de metal da cama do que o tubo de vidro exterior, a quantidade de calor real obtido é menor do que refletida no tubo de vidro. β ₂ é decidido pela relação do diâmetro D cama metal ₂ para o de diâmetro D do tubo de vidro ₁. Com D ₁ = 100 mm e D ₂ = 64,5 mm, calcula-se que β ₂ = 0.645.
   4. Determinar a potência de refrigeração específica da cama pelos parâmetros do experimento como ¹⁴:
      < imalt g = "Equação 4" src="/files/ftp_upload/55925/55925eq4.jpg" / >
      onde m _um é a massa do material adsorvente e t _anúncios é o tempo de duração do processo de adsorção.

tabela 1: valores do parâmetro na EQ. (1) e (2) EQ... Os parâmetros que estão envolvidos na EQ. (1) e EQ. (2) estão listados nesta tabela. Os parâmetros incluem c _p, _p, α, etc

Resultados

Transferência de massa característica da cama através do processo de adsorção
A cama de adsorção é sempre o mais importante componente em um sistema de refrigeração de adsorção, e o calor e a característica de transferência de massa são os principais fatores que afetam o desempenho do sistema inteiro. Analisando a mudança de temperatura registada em cortes transversais como mostrado na Figura 3(painel inferior), é possível saber o calor e ...

Discussão

Como um sistema termodinâmico, o desempenho de um dispositivo de refrigeração solar adsorção varia de acordo com o projeto o melhor e o bom funcionamento do sistema. Tanto o fornecimento de calor e o método de resfriamento da cama são importantes para garantir que o sistema funciona bem. Refrigerar de água é preferível ao ar por causa da alta força de transferência de calor de convecção da água de arrefecimento. A pobre condutividade do material adsorvente geralmente determinou a taxa de transferência de calor limitada d...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
evaporador	condensador de		troca de calor com aletas
	troca de calor com aletas	caseiro
evaporador volume	caseiro
tanque de água do condensador	9L volume	caseiro
bomba de vácuo	9L Pequim Jing Rui Ze Xiang Instrument Co., Ltd.		velocidade de rotação: 1400 motor pover: sensor de pressão do condensador de 370W
	Pequim Li Nuo Tian Sheng Instrument Co., Ltd.	16P2623	máximo: sensor de pressão da cama 2200Pa
	Beijing Li Nuo Tian Sheng Instrument Co., Ltd.		máximo: cama de adsorção 2200Pa
	de vidro cilíndrico	caseiro
calha parabólica
		motor caseiro: 250W, cabeça de água: tanque de água de 8m
	Fornecedor:Technology Co., Ltd.	03140132	sensibilidade:13.257μ V/W• m2
TBQ-2 piranômetro solar	Jinzhou Sunshine Technology Development Co., Ltd., China	209079	sensibilidade: 12.733μ V/W• m2
SAPO-34 zeólita	Langfang Peng Cai Co., Ltd., China		20 mm de comprimento e 2,2 mm de diâmetro
ZSM-5 zeólita	Langfang Peng Cai Co., Ltd., China		5,7 mm de diâmetro