吸附式制冰機和板翅式吸附器的實驗研究

0吸附器的研制近年來，固碳吸附熱被廣泛使用，報道了許多固碳吸附熱的報道。其中，許多吸附技術的質量包括活性物質、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、回熱型循環制冷機和復疊式制冷系統。新的熱力循環,如熱波型制冷循環和對流熱波型制冷循環也在不斷研究探索之中。從實際應用考慮,連續回熱型吸附式制冷循環通常易被采用,然而有關吸附器的設計制造是問題關鍵。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,分別研制了一臺吸附式制冰機和一臺吸附式空調/熱泵,并在制冰機和空調/熱泵系統上作了大量實驗工作。本文報道了采用活性炭-甲醇工質對的吸附式制冰機和吸附式空調實驗系統,以及相應的實驗結果。1冷媒鹽水制冷實驗我們研制的連續回熱型吸附式制冰機樣機,采用活性炭-甲醇吸附工質對,以螺旋板式換熱器作吸附器,最初曾采用熱波循環布置方式,然而實驗結果并不理想。后來對熱驅動流程作了重新布置,使兩臺吸附器加熱/冷卻過程相對獨立,加熱/冷卻的切換間隔有兩個吸附器的回熱過程。圖1所示為裝置原理及其傳感器布置,系統有兩臺吸附器、一臺冷凝器和一臺蒸發器,為了觀察系統中制冷劑的流動還安裝了一個玻璃貯液器。蒸發器中的冷量通過冷媒鹽水傳給制冰箱制冰。兩臺吸附器與冷凝器、蒸發器的連接通過四個真空閥門實現,當一臺吸附器加熱解吸時與冷凝器相連,此時另一臺吸附器受冷卻與蒸發器相連。吸附床的加熱通過計算機控制,測試數據顯示在計算機顯示屏上。螺旋板式吸附器一側通換熱流體,另一側填入活性炭吸附劑,在螺旋板式吸附器的上法蘭上設置制冷劑蒸汽流動通道。每臺吸附器的換熱面積為2m2,吸附劑側螺旋板間距為18mm,可充填6kg活性炭。為了增強吸附床內的傳質,沿螺旋板垂直方向均勻布置20根不銹鋼絲網。上述系統已成功地進行了制冰實驗。結果表明,該系統可以在余熱制冰中得到應用。我們曾以40、60及80min為循環周期,實驗發現對于冷媒鹽水制冷系統,采用40min循環周期較好。實驗中有兩組典型實驗條件,圖2、3和表1給出了工作條件(1)下24小時連續制冷的效果。圖中主要顯示的是最初和最后5小時的實驗結果。實驗中,在吸附制冷系統進入正常制冷運行狀態后,再注入適量的調好溫度的自來水,通過24小時的結冰實驗,放出未結冰水即可獲知制冰量。從該圖還可以看到,經12000s后冷凍水開始結冰,結冰過程需要一過冷度。我們注意到以圖1所示的系統采用冷媒鹽水制冷會使系統產生較大的冷量損失,此外原先加工設計的殼管式蒸發器(換熱面積0.5m2)不適合制冰要求,這種布置方式所產生的單位質量吸附劑日制冰量SCP在1.2kg左右。經過分析,我們又以翅片管式直冷式蒸發器替代間冷式蒸發器,這樣蒸發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,此外蒸發過程可同時發生在每根相連的管子中以確保對傳熱面積的充分利用。表1的實驗結果表明,采用直接蒸發制冷后,系統制冷性能有較大幅度提高。雖然實驗工況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2.63,是間冷式的2倍以上。由于實驗條件的差異,對于直接蒸發式制冷其優化運行的循環周期大約為100min,工況6所對應的COP為0.12。這里應說明的是,采用螺旋板式熱交換器后,為了實驗方便采用法蘭結構,使每臺吸附器重達70kg,消耗在吸附器金屬本體上的熱量較大,另外因采用板式結構,循環流體量較大,也使流體熱容較大,這兩方面因素均對COP帶來不良影響。在設計合理的吸附式系統制冰工況下,COP可達0.4—0.5。經此改進后系統循環實際運行情況比改進前有明顯改善,如圖4所示,p-T-x圖上所顯示的運行軌跡與理想的兩條等量線和兩條等壓線很接近,而先前文獻報道的運行情況還不太完善。2空調制冷實驗采用板翅式熱交換器作為吸附器的吸附式空調/熱泵如圖5所示,該系統也采用活性炭-甲醇吸附制冷工作對,系統中每臺吸附器中充注26kg活性炭。采用板翅式吸附器可大大加強吸附床的傳熱,使加熱/冷卻時間縮短,從而縮短循環周期。實驗表明,采用該種吸附器可使循環周期縮短到20min。從圖6可見,該系統與吸附式制冰系統非常類似,除了吸附器結構不同外,主要是冷量的輸出方式不同,這里通過2臺5kW的風機盤管輸出冷量,冷媒水進蒸發器溫度約10—12℃,出蒸發器溫度大約6—7℃。作為冷水機組,實驗系統還配備了循環冷卻水塔,循環冷卻水用于吸附床的冷卻和冷凝器的冷卻。為了保證吸附系統長久可靠運行、熱媒流體相對獨立及可替換性,熱媒流體與加熱鍋爐為一封閉回路,吸附制冷系統中設置的一臺板式冷卻器可實現熱媒流體與循環冷卻水的熱交換。該吸附式空調/熱泵在進行空調工況制冷實驗時,由于一臺吸附器技術上的問題,實驗只采用單吸附床間斷制冷形式,中間沒有回熱過程。改變解吸溫度和循環時間進行多工況實驗發現,即使在60℃的熱源溫度下活性炭-甲醇制冷系統也具有一定的制冷效果,作為一臺吸附式空調冷水機組,在85—90℃解吸溫度下即具有良好的制冷能力。實驗中嘗試采用20、30、40、60min等不同循環周期,結果發現吸附式系統具有強烈的非平衡特性,其制冷系數COP隨循環周期增長而增大,而單位質量吸附劑制冷功率SCP則隨循環周期增長而減小。這表明吸附式制冷系統COP和SCP是相互矛盾的兩個方面,盡管我們希望COP和SCP均較大。這臺板翅式吸附器吸附空調制冷冷水機組較合適的循環周期大約為30到40min左右。表2列出了幾組實驗工況下(不同循環周期和最大加熱功率)空調制冷實驗結果。從以上實驗數據可以看到,單床系統的COP在0.15—0.21左右,制冷功率在3.0kW—3.9kW左右。實驗COP值比理論估計值～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11.4。從實驗結果和實驗熱平衡分析進行估計,本實驗系統在改進吸附床、采用雙床回熱和采用熱容較低的油作為熱媒后的性能情況,表3列出了經各種改進后吸附式空調冷水機組的性能參數。應該強調,表3的數據完全建立在實驗數據的基礎上,因而具有工程應用價值。針對本實驗系統過高的金屬熱容和熱媒流體熱容(兩者累計與吸附劑熱容之比達11.4),重新設計加工了兩臺吸附器,使金屬與熱媒(油)累計熱容與吸附劑熱容之比控制在2.5～3左右,其目標是使得系統在保持150W/kg活性炭的SCP值基礎上,COP值能達到0.5以上。為此,采用特別設計的殼管式熱交換器,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,銅管組上整個殼體截面套上整體式翅片,每個吸附床充注約25kg活性炭。考慮實驗的方便和可靠性,熱流體暫時仍采用水,一系列實驗表明系統性能已有較大改善。在92—96℃解吸溫度下,采用30min的循環周期,中間回熱3min,獲得了空調制冷量3kW以上的結果,且COP達到0.3以上。表4列出了幾組典型實驗數據,單位質量吸附劑的制冷功率已達到108—150W/kg。下一步實驗將把解吸溫度提高到100—110℃,最后還將采用油作為熱媒流體,進一步減小流體熱容,以進一步提高系統性能,提高系統COP。3吸附空調制冷系統研制的兩套吸附式制冷系統,采用活性炭-甲醇吸附工作對,分別用于制冰和空調,并進行了較大量的試驗。兩套系統分別采用螺旋板式和板翅式吸附器/特制殼管式吸附器,從運行情況看,兩套吸附制冷系統的循環周期均較短,說明吸附器均具有較好的傳熱性能。這類吸附制冷系統單位質量吸附劑可日制冰2.6kg以上或單位質量吸附劑具有空調工況制冷功率150W/kg。顯然,這種吸附制冷系統可在余熱驅動制冷中得到應用,尤其是采用發動機尾氣余熱制冰或空調制冷。此外,在60℃以上的熱源條件下即可實現吸附制冷空調。兩套吸附制冷系統均具有較高的SCP,較低的COP。設計時應盡量控制吸附床金屬材料熱容和熱媒流體熱容,在滿足SCP的要求下應使兩者熱容累計值與吸附劑熱容之比控制在一個合理的水平,比較現實的值是3—5。對于單效型雙床回熱的吸附式空調制冷系統,在95℃熱源驅動的空調工況下,良好的設計可使系統COP值達0.5以上