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吸附式制冷系统基本循环工作原理

为了实现日夜不间断制冷,整个循环系统分为两大部分:一、日间工作系统;二、夜间工作系统。日间采用两床交替式太阳能吸附连续循环系统,夜间采用太阳冷热联合循环系统。

 

1   日间工作部分

为提高整个系统的制冷和供热量,可将复合吸附床组成一个复合吸附床阵列进行制冷及供热循环。通过阀门的控制,该复合吸附床阵列可公用一个冷凝器、储液器、节流阀和蒸发器。冷媒水通过吸附床内的冷却水槽吸收下床的显热和吸附热。

上床解吸时,与其连接的水阀关闭;到达一定压力和温度时,与冷凝器相连接的热力阀打开,解吸出来的制冷剂液体进入冷凝器冷却后,进入蒸发器。与此同时,下床吸附,与其连接的水阀打开;达到一定压力和温度时,与蒸发器相连的热力阀打开,从蒸发器中吸附制冷剂蒸气。当上床充分解吸后,旋转180º交换位置,仍然是上床解吸,下床吸附。      这样在白天可连续制冷。下图是基本工作原理图:太阳能热水工程

吸附/解吸往往是在最初阶段速度最块,然后逐渐减慢,因而利用其最初一段时间可以实现较高的制冷功率。在白天吸附系统中,为了争取更大的制冷功率,可以不用等上下床都达到解吸和吸附平衡时才进行解吸和吸附制冷剂。如此一来,虽然系统的COP理论上会降低,但是由于吸附和解吸过程集中在制冷功率最高的那段时间,所以相当于缩短了系统的循环时间,增加了吸附剂和制冷剂的利用率。这对于减少场地的利用是非常有意义的,而且对于等量的吸附剂和制冷剂来说,可以在一定的时间里产生更多的冷量。

 

(1) 各个子系统瞬时能量平衡方程的建立

a、对于上床:

I(τ)Aη=(Macpa+x1Macprl+Mbcpb)dT1/dτ

其中,I(τ)——太阳辐射强度,w/m²;  A——上床集热面积,m²;

η——上床集热效率;  Ma——吸附剂封装质量,kg;  cpa——吸附剂定压比热,J/(kg·k);  x1——上床中单位质量吸附剂对制冷剂的吸附质量,kg/kg;  cprl——制冷剂液体的定压比热,J/(kg·k);

Mb——吸附床的壳体质量,kg;  cpb——吸附床壳体的定压比热,

J/(kg·k);  hd——指冷剂的解吸热, J/kg。

x1,hd分别按以下两式进行计算:

x1=x0exp-k1(T1/Tco-1)n1

式中,k1,n1——与吸附工质对脱附时有关的参数;  x0——吸附剂对制冷剂的最大吸附质量,kg/kg;  Tco——制冷剂的冷凝温度认为等于环境温度k 。

hd=L×(T1/Tco

式中,L——指冷剂的蒸发潜热,J/kg。

 

b、对于下床:

Gwcpw(Twin-Twout)+αA(Tam-T2

=(Macpa+x2Macprl+Mbcb)dT2/dτ + haMad(x2/dτ)

式中,Gw——冷媒水的流量,kg/s;  cpw——冷媒水的定压比热,J/(kg·k);  Twin——冷媒水进入冷却水槽时的温度,k;  Twout——冷媒水流出冷却水槽时的温度,k;  Tam——环境温度,k;  α——下床与环境的换热系数,W/(m²·K);  x2——吸附床中单位质量吸附剂对制冷剂的吸附质量,kg;  ha——吸附剂对制冷剂的吸附热,J/kg。

x2,ha分别按以下两式进行计算:

x2=x0exp-k2(T2/Tev-1)n2)    

式中,k2,n2——与吸附工质对吸附时有关的参数;  Tev——制冷剂的蒸发温度,k。

ha=L×(T2/ Tev)

 

c、对于水箱:

Gwcpw(Twin-Twout)=Mwtcpw(Twt/dτ)

式中,Mwt——水箱中水的总质量,kg;  Twt——水箱中水的混合平均温度,k。

d、对于冷凝器:

Qco=Ma(dx1/dτ)cprg(Tco-T1)-L

式中,Qco——制冷剂蒸汽在冷凝器中的放热量,J;  cprg——制冷剂蒸汽的定压比热,J/(kg·k)。

e、对于蒸发器:

Qcooling= Ma(dx2/dτ)L-cprl(T2-Tev)

式中,Qcooling——制冷剂液体在蒸发器中的质量量,J。

 

(2)  系统的性能参数

制冷系数:

COPcooling=∫Qcoolingdτ/∫I(τ)Adτ

 

2   夜间工作部分:

夜间工作系统是间歇性系统,吸附床白天吸收太阳能解吸制冷剂,夜间冷却吸附制冷剂蒸汽,产生冷量。 

系统的关键在于发生器的设计。发生器由三部分组成:保温外壳、吸附床、循环水系统。由于采用了水裕式吸附制冷系统,所以可以在保温外壳内设置大量吸附床,这样就相当于在同样大小的空间内成倍的增加了系统的循环量,也可以说是大量节省了空间。这对太阳能吸附式制冷这种要求大面积集热场地的制冷方式来说是非常可贵的。

更由于系统白天只进行吸热解吸过程,这使得太阳能集热器有足够的时间加热保温壳里的循环水,使浸泡在水中的吸附床顺利进行解吸运动。而且,由于系统循环一次的时间是24小时,这么长的循环时间使得吸附和解吸运动更加充分,这样有利于提高系统的COP值。

该联合循环方式的系统结构如下图: 

系统的工作过程如下:

循环从早上开始,关闭真空阀门15,16,打开水阀14,处于初始温度的太阳能集热器被加热,吸附发生器中的循环水循环于发生器与集热器之间。循环水在集热器被加热,然后流到吸附发生器中加热吸附床,一开始吸附床内只有少量的制冷剂脱附出来,当达到一定温度和压力时,打开真空阀15,吸附床进入解吸状态,所解吸出的制冷剂通过放置于水箱5内的冷凝器20,被冷凝为液体进入储液器6中,并通过自重节流阀8进入到蒸发器7中。冷凝器中制冷剂蒸汽冷凝时所释放出的热量通过冷凝器水箱5回收到热水箱2中。当日间太阳辐射旺盛,提供的热量大于加热吸附床所需的热量时,可以打开水阀12,让一部分的循环热水流入热水箱中,为用户提供热水。这个过程一直持续到太阳辐射消失,此时经过一天的解吸运动,吸附床基本已经达到解吸平衡。傍晚,当太阳辐射消失后,关闭真空阀门15和水阀14,打开连接吸附发生器与外接水箱的阀门13,将冷水注入发生器,让冷水冷却发生器中的吸附床。由于发生器与热水箱直接连通,不可将吸附床的显热有效地交换到热水箱2中。在这一过程中,传质通道中的压力下降到冷凝温度所对应的制冷剂工质对的饱和压力。在吸附发生器与热水箱之间装有温度控制仪,并设有控制温度档(如45℃、50℃)。当发生器内水的温度达到控制温度时,打开阀门11,将发生器中的热水注入热水箱2中以供用户使用,然后关闭阀门11,再一次将外接水箱内的冷水注入发生器中继续冷却吸附床,对吸附床进行充分冷却。到晚上时,打开真空阀门15和16,蒸发器中的制冷剂液体因压力骤减而沸腾,开始蒸发制冷过程,所产生的冷量传递给冷媒工质水,通过蓄冷装置22可长时间对外提供冷量。在吸附过程中会产生大量的吸附热量,但由于冷水不断由外接水箱注入吸附发生器中,故吸附热量能有效地被循环到热水箱2中。这不但克服了传统平板式太阳吸附制冷系统夜间吸附床散热难的困难,同时可有效地回收吸附过程中的吸附热。吸附过程一直进行到第2天早上。这样就完成了一个循环。