1、基于太陽能吸附式制冷的汽車除熱系統設計說明書設計者：李佳，王瑩，章旺，張昊東，蘇航，張文迪，王任偉指導老師：黃曉明（副教授）何國庚（教授）（華中科技大學能源與動力工程學院，湖北，武漢430074）作品內容及簡介通過理論學習與研究設計一套基于太陽能吸附式制冷的汽車除 熱系統。以夏季為例，在汽車停止運行的過程中，夏季高溫會導致車 內溫度驟升，同時產生有害氣體，通過除熱系統，可以預防汽車的高 溫危害，使車內溫度保持在適宜溫度之下。參與除熱系統的包括集熱解析過程，冷凝過程，吸附制冷過程。通過這幾部分以及控制系統共同作用能高效的實現夏季汽車降溫，預防高溫對于汽車的性能損害。1. 設計背景及意義我國大部分

2、地區夏季白天室外溫度很高，眾多車主都有一個困擾，露天停車時，車內溫度會升得很高，這個溫度呢一般可以到達60攝氏度。車內高溫不僅嚴重影響乘車人員的體驗，而且會降低車用配件的工作性能和使用壽命。然而對于汽車車載空調（使 用壓縮機制冷），這種方法有兩個缺點：一是使用大量的電能； 二是停車后空調也停止運行，車內溫度迅速升高，當乘車人員再 次回到車內會非常不適應，同樣也有損壞配件的問題。針對停車 時的高溫問題，我們一般會采取三種方法給它降溫：汽車空調， 遮陽板，或者是制冷噴霧，但是他們各自存在一定的缺點，那就 是耗能，效率低，甚至有毒。但給車內降溫這個問題又迫在眉睫, 為了解決這個問題，我們設計了基于太

3、陽能吸附式制冷的汽車除 熱系統。我們采用太陽能吸附式制冷技術能夠有效解決這些問題。首 先，使用太陽能這一可再生能源能夠有效減少化石能源的消耗。 再者，與傳統的壓縮式制冷相比，固體吸附式制冷系統中幾乎沒 有運動部件，噪聲大為減小，整體結構較為簡單且運行費用不高, 并且系統使用的是自然工質對，無污染。系統能夠持續運行，始 終保持車內溫度合適，對人對車均有很大益處。2. 設計方案木裝置主要分為太陽集熱解吸過程，冷凝循環過程，以及吸附制 冷過程三部分組成。主要設備有集熱器，吸附床，氣體儲存罐，液罐, 以及蒸發器。本裝置采用完全太陽能利用，采用清潔能源，由白天（制冷系統 和解吸過程）和夜間（冷凝準備過程

4、）共同完成。制冷過程主要為吸 附床吸收氣態制冷劑，使蒸發器產生連續蒸發，在自然蒸發過程中能 夠吸收車內的熱量，從而降低車內溫度，防止危害的產生。太陽能集熱以及吸附床的解吸制冷劑的過程是主要利用太陽能的部分，通過太 陽能的集熱使制冷劑轉變為氣體儲存，為夜間自然冷凝過程奠定基 礎。以上部分為除熱系統在太陽能利用狀態下的白天工作部分，制冷 劑液化的工作是利用夜間的低溫狀態，使氣態制冷劑易于液化，轉為 液體進入液罐儲存，為口天的蒸發器不斷提供液態制冷劑實現不斷蒸 發，實現車內的高效制冷。3. 工作原理及性能分析該系統主要由三個部分組成：白天的脫附過程、口天的吸附制冷 過程、晚上的冷凝過程。在系統工作的

5、初始狀態，各部分都充斥著大量的制冷劑，吸附床 的吸附質吸附著大量的制冷劑，儲液罐也存有大量的液態制冷劑。3. 1工作流程太陽能吸附制冷整體系統原理圖首先，這是我們制冷裝置的整體圖。它由吸附床、散熱裝置、儲 液罐、蒸發器和儲氣罐所組成。整個工作循環是制冷劑在口天從吸附 床脫出，到達散熱裝置，晚上通過自然冷卻變成液體，儲存在液罐， 在白天需要制冷時，制冷劑解析過程停止，同時將液體抽吸到蒸發器, 吸附床吸附制冷劑氣體，利用吸附床的負壓，實現相變制冷。3. 2工作原理在系統的整個工作時間段，分別有脫附、吸附制冷和冷凝三種工 作狀態。吸附床開關氣擢B工作流程圖脫附過程：在這里我們利用的是玻璃溫室加熱吸附

6、床，此時僅吸 附床和散熱裝置工作，制冷劑從吸附床中脫出，因為白天的時候，除 了需要制冷時，這個部分都是在工作的，所以我們可以確保制冷劑完 全從吸附床中脫出，儲存到散熱裝置里。在工作過程中，通過控制系 統控制閥門2/3/4關閉閥門1打開，僅令吸附床和儲氣罐A相連工 作，在早上太陽光照射吸附床，利用溫室效應使吸附床升溫，吸附質 開始解析制冷劑，制冷劑通過管道流到儲氣罐A中儲存，以待晚上冷 凝。吸附制冷過程：這一過程是我們制冷系統的主要部分，此時，通 過控制系統控制閥門1關閉，閥門2/3/4打開，使吸附床與散熱裝置 斷開，玻璃溫室打開，其他裝置全部連通工作。蒸發器利用毛細抽吸 作用將液體抽吸到毛細芯

7、，液體在毛細芯表面受熱蒸發，匯聚到集氣 腔離開，同時，吸附床解析過程停止，由于玻璃溫室打開，吸附床降 溫，吸附床能吸附氣態的制冷劑，從而形成負壓，使我們的蒸發能緩 慢而持續的進行。當吸附床達到一定的飽和，氣態制冷劑儲存在儲氣 罐B中，由于毛細芯的繼續蒸發，進而形成高壓進一步促進吸附床吸 附制冷劑，在制冷劑持續的蒸發相變過程中達到給汽車降溫的目的。冷凝過程：到了晚上，通過控制系統控制閥門1/3/4關閉閥門 2打開，僅讓儲氣罐A和儲液罐相連，其他裝置全部斷開。由于晚上 的自然降溫，儲氣罐中的液態制冷劑開始液化并流入儲液罐中儲存以 供第二天的制冷過程使用，此時，只有冷卻部分工作。系統主要構件有吸附床

8、和蒸發器。3. 3系統主要構件結構與原理介紹(1)吸附床的結構和工作原理。下面的長方體容器是吸附床用 來裝吸附質，上面這個比較窄小的長方體全部為玻璃材質，在白天經 太陽光照射，加熱玻璃容器中的空氣形成溫室效應，再間接地給吸附 床傳熱形成高溫開始脫附過程。當我們需要制冷時，可以將上方的玻 璃容器兩個側而通過控制系統打開，由于玻璃容器內外存在的溫度差 從而形成對流，來降低吸附床的溫度，使吸附床在制冷過程中吸附制 冷劑，形成系統低壓，產生持續制冷。吸附床歸構原理圖(2)蒸發器的結構和工作原理，蒸發器利用毛細抽吸作用將液 體抽吸到毛細芯，液體在毛細芯表面由于車內高溫使制冷劑受熱蒸 發，制冷劑產生相變，

9、吸收車熱量，達到制冷的效果，同時，蒸發形 成的氣態制冷劑內匯聚到集氣腔，通過管道進入吸附床，實現持續蒸 發制冷。蒸發器結構原理圖4汽車熱負荷的計算(以武漢市為例計算)4. 1太陽輻射熱(1) 直射輻射強度水平而上的直射輻射強度：Lsin垂直而上的直射輻射強度：IC=INSin COS()其中A地球表而上與太陽光線垂直平而上的太陽直射輻射(法線直射輻射強度):Ix=IOr車體一太陽方位角，太陽輻射線在水平面上的投影與車體法線的夾角， =Aa太陽高度角；A太陽方位角；a車體方位角：車體法線偏離南向的角度。太陽高度角Sin =sin sin +cos COS COS 其中：3為時角，以中午12點為0

10、 ,超過中午12點每一小時 為 15 ,如上午 10 點為-30。&為赤緯角,=23.45sin(360(284+n) /365) , n為一年中從1月1日算起的天數。巾為當地的緯度。武漢 地區d)=30取8月1號，243。取時間為2點，時角=30o赤緯角 =23. 45Sin (360 (284+n ) /365) =23. 45Sin ( 360 (284+243) /365) =7. 725太陽高度角 Sin =Sin Sin +cos COS COS =0. 8104 =54. 135COSA=(Sin B Sin -sin )cos COS =0. 53368oA=57. 740取車

11、體方位角a=0,則 =A=57. 74o o(2) 散射輻射強度對于水平面上的散射輻射強度，其值可用以下的BerIage公式計算Is. =0. 5I0sin (I-Pb) /1T.4 (InP)J垂直平而上的散射輻射強度Ic. =0. 5Is,s其中I0太陽常數，I=1353Wnf;P大氣透明度，一般為0. 65 - 0. 75,考慮到一般水平取P=O. 7；m大氣質量，m-l/sin =1. 23396Ix=IOPiI二 1353 X0. 7123396=871. 274Wm2(3) 太陽總輻射強度水平而上的總輻射強度II Is, s垂直平而上的總輻射強度IC=Ic =+0. 5 (I-+I

12、d)其中Io地面反射輻射強度，wfIS=INSin B =871. 274 0. 8104=706. 08Wm2Ic. =Insin COS =871. 274 X cos54. 135 o cos57. 74 o =272. 4222Wm2Is, =0. 5I0sin (I-PBI) /1T.4 (InP)I =O. 5 1353O. 8104 ( 1-0. 71 23396) / ( 11. 4 InO. 7) =130. 18686W m2Ic. s=0. 5Is=65. 09343Wm2水平面 I=I+I,s=706. 08+130. 18686=836. 27Wm2地而輻射 Id=O

13、. 31 =250. 881Wm2垂直而 Ic=430. 46Wm2(4) 陽光通過玻璃的熱輻射量Qci= (L=+I=,s) s1+ (ic. 5+c. s) s2 n其中:Sl為玻璃的水平投影而積,可以在玻璃的三維數據中測得, 單位為 s?為垂直投影面積，可以在玻璃的三維數據中測得，單位 為 H為陽光通過玻璃的透過系數，國標3mm白玻璃的透過率稱為航向比 H, H= n =0. 889前擋風玻璃 Ql= (IS+IcS2) =900. 975IW全玻璃 QI =2Q1=1801. 9502W4. 2車窗傳導熱汽車玻璃傳熱系數取Kg二3. 5Wm2. k,玻璃面積前風擋約1. 0875f車窗

14、玻璃約1. 8164卅后風擋o. 9285 m2,不考慮車外空氣對流對于車玻璃的溫度影響，則溫度差恒定為t=60C, S=S+S2+S3=l. 0875+1. 8164+0. 9285=3. 8324 m2根據公式 Q2=KS*t=80. 4804W總熱負荷功率：Q二Q：總+Qz=1882. 4324W5. 工質對的計算甲醇蒸發制冷量：Qref=MCLC XLC為甲醇汽化潛熱，Mc為甲醇質量，Qref為甲醇蒸發制冷量，X=XcOnC-XdiIo其中，Xdil為高溫脫附時活性炭對甲醇的吸附率，XCOnC為蒸發冷凝過程活性炭對甲醇的吸附率，吸附率與溫度有關。甲醇分子量32. 042溫度蒸汽壓汽化熱

15、密度熱容度毫米汞柱卡/克分子千克/升卡/克分子*攝氏度30163. 8490500. 794319. 39PS:1 卡=4. 1858JX=XOeXP-K (TTs-l) n 其中XO、K及n為吸附對的特征常數,其中和XO與室溫TS相關X為溫度T下單位質量活性炭對甲醇的吸附質量(kg/kg)選取兩種活性炭ACFI與ACF2進行比較，設定蒸發冷凝溫度為303K,高溫脫附溫度為363K,選取午間最熱的兩個小時Qref=P*t=1882. 4324Js*3600*2s二13553. 5kJLc=9050*4. 1858Jg二37. 881kJg根據公式二得到下表：TS (K)XO(kgkg)KnXd

16、iIXCOnCXACFI297. 20. 68210. 841. 210. 6220. 1190. 503ACF2295. 50. 66210. 941. 310. 6060. 1360. 47PS:X0為活性炭對甲醇的最大吸附量根據公式一得到下表甲醇質量(g)甲醇體積(L)活性炭質量(kg)活性炭體積(L)ACFI711. 3150.9001. 14362. 29ACF2761. 2590.9641. 25622. 51PS:活性炭對甲醇的吸附率為溫度為303. 15K時的吸附率，此時甲醇密度為790gL,活性炭密度為500gLo6. 創新點(1) 應用創新我們的系統最初便是針對于汽車方面的應用創新，它能夠解決汽 車停車時的降溫與制冷問題通過太陽能制冷裝置解決汽車停車狀態 下溫度過高的問題，同時，避免了由于正午的太陽暴曬導致汽車內部 的咼溫造成一定的危害。(2) 新型清