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太阳能吸附式制冷装置吸附床的设计

吸附床是吸附式制冷系统中的关键部件。由于吸附床一直处于不断地加热和冷却过程中,因此,在同样的冷源和热源温度、同样的传质条件下,吸附床的升、降温速度越快,吸附制冷功率就越大。

 

1   吸附床设计的要求

a.传热性能好,和流体的传热迅速,同时能够有效地克服吸附剂低导热系数的影响,这样才能保证吸附床及时补充解吸过程所需要的解吸热并及时带走吸附过程所放出的吸附热,它是使吸附床具有高性能的必要条件。

b.传质迅速,吸附质扩散通道畅通,这样才能保证吸附床吸附过程的吸附速度和解吸过程的解吸速度,缩短循环周期,提高单位工质的制冷功率。

c.吸附床材料以及热媒流体本身的热容和床内填充吸附剂的热容之比也决定了吸附式制冷系统的性能。这主要是由于吸附床材料本身的加热和冷却,会造成大量的系统热量损失,严重影响了系统的性能。

上述三点都是非常重要的。而这三点常常是相互矛盾、相互制约的,要强化吸附床的传热,必然要加入一些必要的导热片或增加必要的传热通道,这样也就必然导致了吸附床金属热容比的增加;要强化吸附床的传热,就必须要提高吸附剂的导热系数,而这样却影响了吸附床内的传质。

2   结构

床身由上下两个吸附床复合而成,每个吸附床上表面是一个高效太阳能集热器,为避免它们之间的相互热作用,两个吸附床之间用绝热层隔开。该吸附床可用金属合金制造,这样有利于保持吸附床的真空度且增加传热面积。吸附床内壁设有一个 U型水槽,当下床吸附时,通以冷媒水冷却。当上下两床分别达到脱附/ 吸附饱和时,通过转动轴旋转180o,上下两床互换位置,仍然保持上床解吸,下床吸附,从而达到连续循环。

 

图1、  复合吸附床横截面图

3   工艺特点及各组成部件

(1)床内结构特点

传质通道采用蜂窝状分布,有利于吸附过程吸附剂对制冷剂的吸收。烧结成块状的吸附剂除了与太阳能集热器结合的那一面外,其它三面都有冷却水槽。当吸附床吸附制冷剂时,打开水槽阀门,通入冷却水,带走吸附热,这样一来可以加快吸附过程,从而缩短整个循环的时间。

 

(2)太阳能集热器的选择

由于热源温度直接影响吸附式制冷循环的性能,并且为了保证太阳辐射较弱时的温度,所以选取了一种高效的太阳能集热器2)

 

该集热器由低铁玻璃盖板、聚碳酸脂(pc)透明隔热板、阳极化选择性涂层铜铝复合板芯、铝合金边框等组成。其主要技术特征是增加了一块聚碳酸脂(pc)透明隔热板,透明隔热板板覆盖在集热板上,距离集热板约6mm,透明隔热板还带有间距为10mm小肋片,形成了许多小空间,通过抑制空气自然对流从而减小集热板表面的热损失。

为了提高太阳能集热器的集热效率,必须抑制透明盖板表面的反射,纳米多孔SiO2薄膜可以达到宽带减反射效果。试验表面,在300~2500mm波段内玻璃表面的平板反射率,从未镀膜前的0.069降低到镀膜后的0.012。 sol-gel方法制备台阶折射率SiO2薄膜技术,具有设备简单、操作容易、成本低、适合大规模工业化生产等优点,可望与现有的太阳能集热器生产工艺结合,形成减反射表面,提高集热器效率3)

另外,采用粉末火焰喷涂法制备的黑铬太阳能选择性吸收涂层,工艺简单,成本低,性能稳定,光谱选择性好。其可见光谱区的吸收率为0.91,红外光谱的发射率为0.15。下表为某一实验黑铬涂层与普通涂层的一部分比较数据4)太阳能热水工程

表格 1

涂层 试验

时间

△t(s)

平均太阳

辐射强度

I(w/ m2

累计太阳

辐射量

I△t(kj/ m2

水温升高△t(K) 效率

η(℅)

黑铬 1800 698 1256.4 5.0 57
黑板漆 1800 703 1265.4 4.2 48

 

4   太阳能集热器的性能指标5)

(1)集热性能

太阳能集热器性能通过集热效率和集热温度量个指标来反映。集热效率是指太阳能入射能量中转变为热能的部分与实际太阳辐射能之比。

集热效率:        η=Qeff/Qs                       

有效加热量:       Qeff=Qeff

太阳能辐射量:     Qs

式中,I为太阳辐射强度; Ae为有效集热面积; t为日照时间;ma是吸附剂的比热容; cpr为制冷剂热容; cpa为吸附剂热容; x为吸附剂对制冷剂的吸附率; hfg是制冷剂的汽化潜热; mecpe是整个吸附集热器除吸附剂和制冷剂外的其它材料的热容。

反映集热性能的另一个重要参数是吸附集热器的集热温度它与吸附剂的脱附程度密切相关。集热效率越高,集热温度不一定也越高,这与吸附集热器的具体结构有关。

(2)制冷性能

太阳能吸附制冷系统的制冷性能用制冷性能系数来表示。通常有两个系数,一是吸附制冷系统制冷系数,用系统制冷量与吸附集热器有效加热量之比来表示:

COPs=Qc/Qeff

其中,制冷量Qc=Qref-Qcc,Qref为蒸发器中制冷剂的蒸发制冷量,可按下式计算:           Qref=△xMahfg

式中,△xMa为吸附床在束个加热过程中的吸附剂对制冷剂的解吸量,也即为制冷剂的循环量。

Qcc为制冷剂从冷凝温度Tc冷却到蒸发Te时,放出的显热,

Qcc

另一个是太阳能制冷性能系数,用系统制冷量与吸附集热器所接收的总的太阳辐射能之比表示:

COP=Qc/Qs

5   太阳能平板型吸附床强化传热的分析和方法

吸附床的强化传热异常重要,它直接影响了系统的运行性能。吸附床换热系数的提高将会导致系统解吸量的增加和吸附量的增加。如果能大幅度提高吸附床热交换器的换热系数,系统的SCP也会大幅度地提高。

通常,吸附剂的导热系数很小。从上图可看出,床厚为4cm时,最大温差为10℃左右;而厚度为8cm时,最高温度(吸热板处)103℃,最低温度只有69℃,温差达了34℃,平均温度也只有82℃。所以,要改善吸附床中的温度分布,降低温度梯度,必须采取强化措施,提高床的导热性能11)

目前强化吸附床的导热性能的常用方法,一是在床中嵌属肋片,二是在吸附剂中添加某些金属颗粒,如铜粉,镍沫等。

 

(1) 吸附床中嵌入肋片

为了使吸附剂受热均匀,在吸附床中嵌入金属肋片,使其导热性能大大提高。但是,肋片本身温度的升高也要吸收一定的热量,从而增大太阳集热器的负荷,产生负面影响。所以应选取热容较小的金属。铝合金的热容较小,仅为碳钢的63.5%,而导热系数则为后者的3.25倍,是合适的选择对象。这样就降低了吸附床本身加热、冷却过程所导致的不可逆损失。下表是铝合金和碳钢的一组对比数据:

  密度(kg/ m3) 比热J/(kg·℃) 导热系数w/(m·℃)
铝合金 2660 871 162
碳钢 7840 465 49.8

表格  2

 

 

 

 

 

肋片分布的间距要合适,一般取6厘米左右。据有关文献报导,当把吸附剂的导热系数提高到0.4~0.6w/(m·℃)或当肋片的间距在6㎝时,吸附剂厚度为8㎝左右的吸附床可以认为在沿着厚度方向的温度分布几乎近似直线12),温度梯度小。同时,肋片上留有小孔,通过肋片上的小孔促进了整个床内的传质。

 

(2)  提高吸附剂的导热系数

上文提到在吸附剂中添加某些金属颗粒以提高吸附剂的导热热系数,可以获得明显的效果。如将分子筛和泡沫金属(由镍和铜箔组成)组成的混合物加上粘结剂厚压缩,并在高温下活化烘干。经固化处理厚的材料的质量组成为分子筛占65℅,泡沫金属占35℅ 。这种复合材料的导热系数达到了8.,比普通堆积型分子筛的导热系数提高了近90倍,传热效果的增加主要随由于泡沫金属的加入强化了材料的导热;另外,如将活性炭与焦碳和水混合后制成饼状,再在高温下活化,其导热系数与原堆积活性炭相比可提高2~3倍;在分子筛中加入膨化的天然石墨后对材料进行固化,吸附剂的导热系数可达到5~15 w/(m·K)6)

但是,将吸附剂固化虽能较好地改善传热,但同时也使制冷剂的传质性能恶化,因此通常在吸附床内部置传质通道,减小制冷剂在吸附和解吸时的传质阻力。

值得一提的是,采用高分子导热材料与吸附剂颗粒复合来强化吸附剂热传导性能,沸石与高分子导热材料复合而成的吸附剂的有效导热系数比沸石原粉提高4倍多。与加入金属粉,石墨粉等相比,采用聚苯胺故和方法强化吸附剂的传热,在相同的质量百分含量下,其效果最好。更重要的是,采用高分子导热材料与吸附剂颗粒复合来强化吸附剂热传导后,其吸附性能基本保持不变13)

当采取措施提高吸附剂的导热系数到0.4w/(m·℃)和0.6 w/(m·℃)时,床中的温度梯度将明显减小。如上图所示,随吸附剂导热系数的增大,温度曲线逐渐变得平缓,且近似直线分布。

本文采用吸附床嵌入肋片同时提高吸附剂的导热系数的方法强化吸附床的传热,将肋片间距取为6.4cm,同时,提高吸附剂的导热系数到0.4 w/(m·℃)。此时,吸附床沿厚度方向的温度近似直线分布。这样就进一步提高了床内的热传导速度,缩短了达到吸附饱和的时间,从而减少了系统的循环时间。

(3)   的金属热容比与系统运行性能

金属热容比是指吸附床本身金属材料的热容与所充填的吸附剂的热容比。由于吸附式制冷系统的非连续性,使得吸附床材料的热容对实际系统的运行性能产生很大的影响。这个影响体现在系统不断地加热和冷却过程中所损失的吸附床材料的显热热量,这个热量的大小直接受吸附床本揣设计的影响,另外还受到系统运行过程的影响,如:系统运行的解吸温度、回热过程所进行的程度等等。

由于吸附式制冷系统中通常所用的吸附剂属多孔性材料,其特点是导热系数小,密度低,要满足一定的制冷功率,所设计的吸附床往往很大。另外,为了增强吸附床内的热传导,加快吸附床的冷却与加热速率,缩短循环周期,往往在考虑吸附床结构的时候,尽量设法增加其有效传热面积,如增加导热片或导热管等。这样做虽然提高了吸附床的传热性能,但却大大增加了吸附床本身材料的质量,即同样情况下增加了床材料与所充填的吸附剂材料的质量比,也就是增加了床材料与所充填的吸附剂材料的热容比。

因此,强化吸附床的传热与减小吸附床本身材料的金属热容比是一对矛盾。如何克服这个矛盾,保证系统的性能是吸附床设计研究的重要方面。

在系统运行的一个循环中,吸附床的加热介质将更多的热量传给了吸附床金属,而冷却介质所带走的热量更多地包括了吸附床金属的显热。这样即减小了吸附床的解吸效果,减小了系统的制冷量,同时又损失了更多的热量,减小了系统运行的能效比。与系统运行的制冷量相比,金属热容比的增加相对来说,使COP下降得更多,有关计算表明,如果吸附床的金属热容比增加50%,则SCP下降6.2%,COP下降13.1% 。这主要由于吸附床金属热容比越大,损失的显热越大,尽管增加回热时间可以有效地回收一部分热量,但增加回热时间也会导致系统性能的降低7)

下图为理论计算中随着金属热容比的增加系统降温过程中所损失的金属显热量Qml占总加热量Qheat的比例。从这个比例中,也可以看出随着金属热容比的增加,金属显热的损失量将越来越大。

   金属热容比的增加,增加了系统的投资费用,也增加了吸附床的加工难度,如果只能保证少量制冷功率增加的话,是不经济的。因此不能只追求吸附床华若系数的提高,也不能只追求吸附金属床热容比的减少。