吸附式制冰機(jī)和板翅式吸附器的實(shí)驗(yàn)研究

0吸附器的研制近年來，固碳吸附熱被廣泛使用，報(bào)道了許多固碳吸附熱的報(bào)道。其中，許多吸附技術(shù)的質(zhì)量包括活性物質(zhì)、分子篩選、水凝膠、氯化鈣-氨和金屬氫化合物。其中比較典型的有太陽能間隙式制冷機(jī)、回?zé)嵝脱h(huán)制冷機(jī)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。新的熱力循環(huán),如熱波型制冷循環(huán)和對(duì)流熱波型制冷循環(huán)也在不斷研究探索之中。從實(shí)際應(yīng)用考慮,連續(xù)回?zé)嵝臀绞街评溲h(huán)通常易被采用,然而有關(guān)吸附器的設(shè)計(jì)制造是問題關(guān)鍵。有幾種類型的熱交換器被選作吸附器,如殼管式、管帶式、板式和板翅式等。近來我們研制了螺旋板式和板翅式吸附器,分別研制了一臺(tái)吸附式制冰機(jī)和一臺(tái)吸附式空調(diào)/熱泵,并在制冰機(jī)和空調(diào)/熱泵系統(tǒng)上作了大量實(shí)驗(yàn)工作。本文報(bào)道了采用活性炭-甲醇工質(zhì)對(duì)的吸附式制冰機(jī)和吸附式空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1冷媒鹽水制冷實(shí)驗(yàn)我們研制的連續(xù)回?zé)嵝臀绞街票鶛C(jī)樣機(jī),采用活性炭-甲醇吸附工質(zhì)對(duì),以螺旋板式換熱器作吸附器,最初曾采用熱波循環(huán)布置方式,然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想。后來對(duì)熱驅(qū)動(dòng)流程作了重新布置,使兩臺(tái)吸附器加熱/冷卻過程相對(duì)獨(dú)立,加熱/冷卻的切換間隔有兩個(gè)吸附器的回?zé)徇^程。圖1所示為裝置原理及其傳感器布置,系統(tǒng)有兩臺(tái)吸附器、一臺(tái)冷凝器和一臺(tái)蒸發(fā)器,為了觀察系統(tǒng)中制冷劑的流動(dòng)還安裝了一個(gè)玻璃貯液器。蒸發(fā)器中的冷量通過冷媒鹽水傳給制冰箱制冰。兩臺(tái)吸附器與冷凝器、蒸發(fā)器的連接通過四個(gè)真空閥門實(shí)現(xiàn),當(dāng)一臺(tái)吸附器加熱解吸時(shí)與冷凝器相連,此時(shí)另一臺(tái)吸附器受冷卻與蒸發(fā)器相連。吸附床的加熱通過計(jì)算機(jī)控制,測(cè)試數(shù)據(jù)顯示在計(jì)算機(jī)顯示屏上。螺旋板式吸附器一側(cè)通換熱流體,另一側(cè)填入活性炭吸附劑,在螺旋板式吸附器的上法蘭上設(shè)置制冷劑蒸汽流動(dòng)通道。每臺(tái)吸附器的換熱面積為2m2,吸附劑側(cè)螺旋板間距為18mm,可充填6kg活性炭。為了增強(qiáng)吸附床內(nèi)的傳質(zhì),沿螺旋板垂直方向均勻布置20根不銹鋼絲網(wǎng)。上述系統(tǒng)已成功地進(jìn)行了制冰實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以在余熱制冰中得到應(yīng)用。我們?cè)?0、60及80min為循環(huán)周期,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于冷媒鹽水制冷系統(tǒng),采用40min循環(huán)周期較好。實(shí)驗(yàn)中有兩組典型實(shí)驗(yàn)條件,圖2、3和表1給出了工作條件(1)下24小時(shí)連續(xù)制冷的效果。圖中主要顯示的是最初和最后5小時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中,在吸附制冷系統(tǒng)進(jìn)入正常制冷運(yùn)行狀態(tài)后,再注入適量的調(diào)好溫度的自來水,通過24小時(shí)的結(jié)冰實(shí)驗(yàn),放出未結(jié)冰水即可獲知制冰量。從該圖還可以看到,經(jīng)12000s后冷凍水開始結(jié)冰,結(jié)冰過程需要一過冷度。我們注意到以圖1所示的系統(tǒng)采用冷媒鹽水制冷會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的冷量損失,此外原先加工設(shè)計(jì)的殼管式蒸發(fā)器(換熱面積0.5m2)不適合制冰要求,這種布置方式所產(chǎn)生的單位質(zhì)量吸附劑日制冰量SCP在1.2kg左右。經(jīng)過分析,我們又以翅片管式直冷式蒸發(fā)器替代間冷式蒸發(fā)器,這樣蒸發(fā)制冷損失可減小到最低程度,此外通過翅片管可使換熱面積增大。直冷式蒸發(fā)器采用ф50mm的管子和ф100mm的翅片,管子總表面積為0.5m2,翅片面積為2m2。這里采用大管子的目的是使解吸的甲醇不致100%充滿管子,此外蒸發(fā)過程可同時(shí)發(fā)生在每根相連的管子中以確保對(duì)傳熱面積的充分利用。表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用直接蒸發(fā)制冷后,系統(tǒng)制冷性能有較大幅度提高。雖然實(shí)驗(yàn)工況3—6總體上均比間冷式工況1—2差(解吸溫度較低、冷凝溫度較高、吸附溫度也較高),然而其單位質(zhì)量吸附劑的日制冰量SCP均比間冷式高得多。如典型工況6,SCP可達(dá)2.63,是間冷式的2倍以上。由于實(shí)驗(yàn)條件的差異,對(duì)于直接蒸發(fā)式制冷其優(yōu)化運(yùn)行的循環(huán)周期大約為100min,工況6所對(duì)應(yīng)的COP為0.12。這里應(yīng)說明的是,采用螺旋板式熱交換器后,為了實(shí)驗(yàn)方便采用法蘭結(jié)構(gòu),使每臺(tái)吸附器重達(dá)70kg,消耗在吸附器金屬本體上的熱量較大,另外因采用板式結(jié)構(gòu),循環(huán)流體量較大,也使流體熱容較大,這兩方面因素均對(duì)COP帶來不良影響。在設(shè)計(jì)合理的吸附式系統(tǒng)制冰工況下,COP可達(dá)0.4—0.5。經(jīng)此改進(jìn)后系統(tǒng)循環(huán)實(shí)際運(yùn)行情況比改進(jìn)前有明顯改善,如圖4所示,p-T-x圖上所顯示的運(yùn)行軌跡與理想的兩條等量線和兩條等壓線很接近,而先前文獻(xiàn)報(bào)道的運(yùn)行情況還不太完善。2空調(diào)制冷實(shí)驗(yàn)采用板翅式熱交換器作為吸附器的吸附式空調(diào)/熱泵如圖5所示,該系統(tǒng)也采用活性炭-甲醇吸附制冷工作對(duì),系統(tǒng)中每臺(tái)吸附器中充注26kg活性炭。采用板翅式吸附器可大大加強(qiáng)吸附床的傳熱,使加熱/冷卻時(shí)間縮短,從而縮短循環(huán)周期。實(shí)驗(yàn)表明,采用該種吸附器可使循環(huán)周期縮短到20min。從圖6可見,該系統(tǒng)與吸附式制冰系統(tǒng)非常類似,除了吸附器結(jié)構(gòu)不同外,主要是冷量的輸出方式不同,這里通過2臺(tái)5kW的風(fēng)機(jī)盤管輸出冷量,冷媒水進(jìn)蒸發(fā)器溫度約10—12℃,出蒸發(fā)器溫度大約6—7℃。作為冷水機(jī)組,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還配備了循環(huán)冷卻水塔,循環(huán)冷卻水用于吸附床的冷卻和冷凝器的冷卻。為了保證吸附系統(tǒng)長久可靠運(yùn)行、熱媒流體相對(duì)獨(dú)立及可替換性,熱媒流體與加熱鍋爐為一封閉回路,吸附制冷系統(tǒng)中設(shè)置的一臺(tái)板式冷卻器可實(shí)現(xiàn)熱媒流體與循環(huán)冷卻水的熱交換。該吸附式空調(diào)/熱泵在進(jìn)行空調(diào)工況制冷實(shí)驗(yàn)時(shí),由于一臺(tái)吸附器技術(shù)上的問題,實(shí)驗(yàn)只采用單吸附床間斷制冷形式,中間沒有回?zé)徇^程。改變解吸溫度和循環(huán)時(shí)間進(jìn)行多工況實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),即使在60℃的熱源溫度下活性炭-甲醇制冷系統(tǒng)也具有一定的制冷效果,作為一臺(tái)吸附式空調(diào)冷水機(jī)組,在85—90℃解吸溫度下即具有良好的制冷能力。實(shí)驗(yàn)中嘗試采用20、30、40、60min等不同循環(huán)周期,結(jié)果發(fā)現(xiàn)吸附式系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的非平衡特性,其制冷系數(shù)COP隨循環(huán)周期增長而增大,而單位質(zhì)量吸附劑制冷功率SCP則隨循環(huán)周期增長而減小。這表明吸附式制冷系統(tǒng)COP和SCP是相互矛盾的兩個(gè)方面,盡管我們希望COP和SCP均較大。這臺(tái)板翅式吸附器吸附空調(diào)制冷冷水機(jī)組較合適的循環(huán)周期大約為30到40min左右。表2列出了幾組實(shí)驗(yàn)工況下(不同循環(huán)周期和最大加熱功率)空調(diào)制冷實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到,單床系統(tǒng)的COP在0.15—0.21左右,制冷功率在3.0kW—3.9kW左右。實(shí)驗(yàn)COP值比理論估計(jì)值～0.6小得多,其主要是吸附床的金屬熱容和熱媒流體(水)熱容所致,這里兩者熱容之和與活性炭熱容的比達(dá)11.4。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)熱平衡分析進(jìn)行估計(jì),本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在改進(jìn)吸附床、采用雙床回?zé)岷筒捎脽崛葺^低的油作為熱媒后的性能情況,表3列出了經(jīng)各種改進(jìn)后吸附式空調(diào)冷水機(jī)組的性能參數(shù)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào),表3的數(shù)據(jù)完全建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,因而具有工程應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)過高的金屬熱容和熱媒流體熱容(兩者累計(jì)與吸附劑熱容之比達(dá)11.4),重新設(shè)計(jì)加工了兩臺(tái)吸附器,使金屬與熱媒(油)累計(jì)熱容與吸附劑熱容之比控制在2.5～3左右,其目標(biāo)是使得系統(tǒng)在保持150W/kg活性炭的SCP值基礎(chǔ)上,COP值能達(dá)到0.5以上。為此,采用特別設(shè)計(jì)的殼管式熱交換器,加熱/冷卻流體走管程、吸附劑在殼程,吸附器采用上百根外徑9.5mm的紫銅管,銅管組上整個(gè)殼體截面套上整體式翅片,每個(gè)吸附床充注約25kg活性炭。考慮實(shí)驗(yàn)的方便和可靠性,熱流體暫時(shí)仍采用水,一系列實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)性能已有較大改善。在92—96℃解吸溫度下,采用30min的循環(huán)周期,中間回?zé)?min,獲得了空調(diào)制冷量3kW以上的結(jié)果,且COP達(dá)到0.3以上。表4列出了幾組典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),單位質(zhì)量吸附劑的制冷功率已達(dá)到108—150W/kg。下一步實(shí)驗(yàn)將把解吸溫度提高到100—110℃,最后還將采用油作為熱媒流體,進(jìn)一步減小流體熱容,以進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能,提高系統(tǒng)COP。3吸附空調(diào)制冷系統(tǒng)研制的兩套吸附式制冷系統(tǒng),采用活性炭-甲醇吸附工作對(duì),分別用于制冰和空調(diào),并進(jìn)行了較大量的試驗(yàn)。兩套系統(tǒng)分別采用螺旋板式和板翅式吸附器/特制殼管式吸附器,從運(yùn)行情況看,兩套吸附制冷系統(tǒng)的循環(huán)周期均較短,說明吸附器均具有較好的傳熱性能。這類吸附制冷系統(tǒng)單位質(zhì)量吸附劑可日制冰2.6kg以上或單位質(zhì)量吸附劑具有空調(diào)工況制冷功率150W/kg。顯然,這種吸附制冷系統(tǒng)可在余熱驅(qū)動(dòng)制冷中得到應(yīng)用,尤其是采用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱制冰或空調(diào)制冷。此外,在60℃以上的熱源條件下即可實(shí)現(xiàn)吸附制冷空調(diào)。兩套吸附制冷系統(tǒng)均具有較高的SCP,較低的COP。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量控制吸附床金屬材料熱容和熱媒流體熱容,在滿足SCP的要求下應(yīng)使兩者熱容累計(jì)值與吸附劑熱容之比控制在一個(gè)合理的水平,比較現(xiàn)實(shí)的值是3—5。對(duì)于單效型雙床回?zé)岬奈绞娇照{(diào)制冷系統(tǒng),在95℃熱源驅(qū)動(dòng)的空調(diào)工況下,良好的設(shè)計(jì)可使系統(tǒng)COP值達(dá)0.5以上