不同驱动温度下间歇性太阳能吸附制冰机的实验研究

� 第 61 卷 � 第 S2 期 � � 化 � 工 � 学 � 报 � � � � � � Vol� 61 � No� S2 � 2010 年 12 月 � � CIESC � Journal� � December � 2010 研究论文 不同驱动温度下间歇性太阳能吸附 制冰机的实验研究 李 � 程, 王如竹, 王丽伟, 李廷贤, 陈 � 宇 (上海交通大学制冷与低温研究所, 上海 200240) 摘要: 设计并搭建了太阳能吸附制冰系统, 主要包括制冰机、槽式太阳能集热器及恒温油槽等。通过油槽中的 电加热模拟不同太阳能辐射量的工况, 得到吸附制冰机在不同驱动热源条件下的运行特性。吸附制冰机采用氯 化钙/活性炭复合吸附剂, 氨作为制冷工质。实验通过电加热模拟的太阳能驱动温度在 110~ 155 � 变化, 对应的 每天制冰量为 10~ 28 kg, 计算得到太阳能 COP为 0� 09~ 0� 14。 关键词: 吸附制冷; 制冰机; 太阳能; 复合吸附剂; COP 中图分类号: TP 61� � � � � � � 文献标识码: A � � � � � � � 文章编号: 0438- 1157 ( 2010) S2- 112- 04 Experimental investigation on intermittent solar�powered adsorption ice maker driven by different temperatures LI Cheng, WANG Ruzhu, WANGLiwei, LI Tingxian, CHEN Yu ( I nstitute of Ref r igeration and Cryog enics , Shanghai J iao Tong Univer sity , S hang hai 200240, China) Abstract: A solar pow ered ice�maker system, w hich included ice�maker, parabolic tough co llector ( PTC) , thermostatic oil bath and so on, w as designed and established� The adsorpt ion ice�maker used CaCl2 / act ivated carbon ( A C) as compound adso rbent w hile ammonia as adso rbate� The thermostat ic oil bath w as used to simulate the different g rades o f solar energy, w hich can be obtained under differ ent w eather condit ions, to supply energy for adsorpt ion ice�making�Experiment results show ed that the so lar coef ficient of per formance ( COP) o f the ice�maker ranged from 0� 09 to 0� 14 and the daily ice pr oduct ion ranged from 10 kg to 28 kg, w hen the driving heat temperature ranged fr om 110 � to 155 � � Key words: adsor pt ion ref rigeration; ice�maker; solar energy ; compound adsorbent ; COP � � 2010- 09- 28收到初稿, 2010- 10- 11收到修改稿。 联系人: 王如竹。第一作者: 李程 ( 1985 ) , 男, 博士研究生。 � 引 � 言 气候变化是人类在 21 世纪面临的最大挑战, 在哥本哈根举办的联合国气候变化会议后, 被全世 界人民关注。随着人类社会的发展, 能源需求的增 长使得常规能源已经远不能满足人类发展的需求, 而作为主要能源的石化能源对环境的污染和气候影 响也日趋严重。太阳能作为一种分布广泛, 使用清 洁的可再生能源, 成为研究热点[ 1]。 � � Received date: 2010- 09- 28� Corresponding author: Prof�WANG Ruzhu, rzwang@ sjtu� edu� cn � � � 自 1978 年美国沸石动力公司的 Tchernev 博 士[ 2 ]建成第一台以沸石分子筛�水为工质对的间歇 式太阳能吸附式制冷装置以来, 太阳能吸附式制冷 作为太阳能热利用领域的一个重要分支, 成为许多 研究者关注的焦点。太阳能吸附制冷系统具有系统 结构和运行控制简单的优点, 且制冷功率、太阳辐 射与制冷用能在季节上的分布规律高度匹配, 制冷 工质对与环境友好等。Pons等 [ 3] 的太阳能吸附制 冰机采用了以活性炭�甲醇为工质对, 在辐射量达 到 20 MJ ! d- 1的工况下, 每平方米太阳集热板的 产冰量达 6 kg , 太阳能 COP 达 0� 12。Critoph[ 4] 在 20世纪 90年代初期研究了用于保存疫苗的太阳能 冰箱, 以活性炭�氨为工质对, 在前一天利用太阳 能解析好吸附床后, 在第二天白天可使冰箱维持在 零度数小时, 达到冷藏的效果。Lu 等[ 5] 研究了采 用分离热管吸附制冰机的性能, 以复合吸附剂�氨 为工质对, 用电加热模拟太阳能和废弃加热的工况 得到较高的系统 COP 和 SCP。 大多数太阳能吸附制冰机都采用所需驱动温度 较低的活性炭�甲醇为吸附工质对, 但物理吸附存 在循环吸附量较小的缺点。而采用循环吸附量大的 吸附化学吸附, 常因为吸附剂结块等原因影响吸附 效果。因此采用化学吸附剂与多孔介质相混合的复 合吸附剂既能利用多孔介质的高导热与多空性能来 提高化学吸附剂的传热传质性能, 又具有化学吸附 剂的优点, 吸附、解吸量大 [ 6]。Wang 等[ 7] 研究了 CaCl2 /活性炭复合吸附剂的不同配比, 结果显示活 性炭与 CaCl2 的质量比为 1∀ 4时为最佳配比。 本文设计并搭建了太阳能吸附制冰系统, 通过 测试得到制冰机在不同工况下的制冰性能。 1 � 吸附剂的选择及复合吸附剂制备 在本实验中, 选择常用的金属氯化物 CaCl2 作 为化学吸附剂, 选择活性炭作为物理吸附剂, 选择 引言中所述的最佳配比量。将 CaCl2 与活性炭相混 合, 利用物理吸附剂丰富的微孔来强化 CaCl2 的传 质, 从而提高化学吸附剂的体积制冷量, 并对化学 吸附剂的性能衰减有抑制作用 [ 8]。 制备复合吸附剂的过程为先将 CaCl2 溶于水 中, 把磨成粉末状的活性炭一起混入溶液中, 待混 合均匀后, 溶液变为半干混合物即可。把制备好的 吸附剂填充进翅片缝隙中, 用铁丝网包裹翅片管后 再用铁丝缠绕定型, 避免吸附剂脱离。翅片管放入 100 � 的烘箱中烘干后, 待吸附床单元加工完后, 再次放入 200 � 的烘箱中高温干燥, 同时利用真空 泵对吸附床单元抽真空, 把吸附剂烘干, 解决由于 结晶水产生的腐蚀问题。 2 � 实验系统介绍 如图 1所示, 系统中主要部件包括制冰机、集 热器、恒温油槽等。油环路为油经过泵到槽式集热 器, 然后经过制冰机最后回到电加热油槽中。图 2 为吸附制冰机结构示意图及照片, 图中标出了制冰 机各个部件位置及连接。冷凝器为壳管式换热器, !113!� 第 S2期 � � � � � 李程等: 不同驱动温度下间歇性太阳能吸附制冰机的实验研究 冷却水走管层, 氨蒸气在管层中流动。吸附床包裹 在保温箱中, 它由 4个吸附床单元并联组成, 每个 吸附床单元内含并联着的 7根翅片管。油路经过吸 附床前先流经串联在油路中的油水换热器, 且采用 上进下出的方式通过吸附床。4个吸附床单元内壳 腔并联在一起, 且与冷凝器相连通, 冷凝器的氨通 道再与蒸发器连通。在吸附床出口处设有压力和 安全阀, 在压力超过 2� 5 MPa 时, 安全阀会打开 放气, 保证安全。蒸发器由 6个蒸发器单元并联组 成, 单元之间靠中上部设置的连通管道保证各个蒸 发器液面相平。为制冰量考虑, 每个蒸发器单元设 计为套管形式, 上部液氨用于蒸发制冷, 下部圆环 中的液氨存留在蒸发器中用作传热介质。结冰的液 面不高于连通管, 蒸发器内外都可制冰。水箱采用 6个水桶, 外部加保温, 通过液压升降车可把制冰 桶升至设计位置, 待结冰完后, 放下升降车, 可测 量水箱中剩余水量算得制冰量。 吸附制冰分为两个过程: 白天利用太阳能加热 吸附床, 吸附床温度升高, 开始解吸, 由蒸发冷却 器提供冷却水给冷凝器, 使得氨蒸气冷凝为液态 氨, 并流入蒸发器内; 夜间利用冷却水冷却吸附 床, 蒸发器内的液氨被吸附向水桶中水吸热, 产生 制冰效果。 实验系统利用电加热模拟太阳能工作一天的工 况, 加热时间不超过 6 h。在上海, 太阳能直射辐 射最大功率在 800 W ! m- 2左右, 槽式太阳能集热 器效率在 47% 左右, 温度在 13 点左右最高可达 180 � , 考虑需要长时间用热, 取驱动温度最高为 155 � 。该系统配备槽式集热器面积为 12 m 2 , 因 此最理想情况下太阳能一天加热量为 Qmax= �A Wmax t 式中 � �为集热器效率, A 为集热器面积, W max为 集热器最大平均功率, t 为集热总时间。计算得 Qmax为 97MJ, 此热量除去导热油的显热及系统热 耗散部分后即为吸附制冰机可得最大加热量。 3 � 实验结果 如图 3所示, 蒸发器中制冰包括套筒内部和外 部两部分。 表 1列出了部分实验工况的结果。所有工况加 热时间都在 6 h 以内, 因为加热时间的不同, 所以 对应加热量不同。解吸完后, 从 16点左右开始制 冰直到第二日早晨。 图 3 � 结冰照片 F ig� 3 � Photo of ice � 表 1 � 制冰实验工况结果 Table 1� Experiment results of adsorption ice�maker Case Hig hes t desorpt ion temperature / � H eat ing capacity/M J Ice making capacity/ kg ! d- 1 COP so lar 1 110 24 10� 2 0� 11 2 125 24 13� 5 0� 14 3 140 33 20 0� 13 4 155 58 28� 4 0� 09 图 4~ 图 7分别给出了工况最高解吸温度为 图 4� 最高解吸温度为 110 � 的工况解吸过程 F ig� 4� Deso rption pro cess w hen max imum desorption t em perat ur e reached 110� 110 � 和 125 � 的解吸、吸附过程中温度变化曲线。 冷凝器温度和油进出口温差对应右边的坐标轴。可 以看出由于解吸时间的不同, 在热源温度更高的情 况下, 两者总加热量接近。观察油进出口温差曲 线, 在最高解吸温度为 120 � 时, 最后 2 h左右都 保持在 2~ 3 � , 相比另一个则保持在 5 � 。在更高 的温度下, 对应的解吸时间长, 解吸量大。吸附过 程温度对比曲线中, 蒸发器温度对应右边的坐标 轴。对比吸附制冷时蒸发器温度, 两个工况在吸附 开始 2� 5 h后, 都降到零度以下, 解吸温度高的工 况保持时间较长, 制冷量较大。 !114! 化 � 工 � 学 � 报 � � 第 61 卷 � 4 � 结 � 论 本文设计并完成了以 CaCl2 /活性炭�氨为工质 对的太阳能吸附制冰机, 搭建了太阳能吸附制冰机 测试系统。通过电加热模拟不同太阳能工况下的加 热量, 得到每天制冰量为 10~ 28 kg, COPsolar为 0� 09~ 0� 14。 致谢 � 感谢许煜雄高工在实验装置设计及相关测试方 面给予的帮助! References [ 1] Sustainable Development Research Group of the Chinese Academy of Sciences� 2005 Strategic Report : China# s Sustainable Development (中国可持续发展战略)� Beijing: Science Press , 2000 [ 2] Tchern ev D I� Natural Zeolit es : Occurren ce, Propert ies an d Use� London: Pergamon, 1978: 479�484 [ 3 ] Pons M , Guillemin t J J� Design of an experimen tal solar� pow ered, solid�adsorpt ion ice m ak er� A SME J our nal of S olar Ene rg y Eng ineering , 1986, 108( 4) : 332�337 [ 4 ] Critoph R E� Carbon� amm onia system s revious ex perience, cur rent project s and ch allenges for the future/ / Pr oceedings of the Internat ional Sorpt ion and H eat Pump Conference ( ISH PC 2002)� China, 2002 [ 5] Lu Z S, Wang R Z, Wu J Y, Ch en C J� Performance analysis of an adsorpt ion refrigerator usin g act ivated carb on in a compound adsorbent� Carbon, 2006, 44: 747�52 [ 6] Wang Ruzhu (王如竹 ) , Wang Liw ei (王丽伟 ) , Wu Jin gyi ( 吴 静 怡 ) � Th eory and A pplicat ion s of Adsorption Ref rigerat ion (吸附式制冷理论与应用 ) � Beijin g: Science Pres s, 2007 [ 7 ] Wang L W , Wang R Z, Wu J Y, Wang K� Compound ad sorben t for adsorpt ion ice maker on fis hing boats� I nt� J� Ref rig� , 2004, 27: 401 [ 8 ] Wang Liw ei ( 王丽 伟 ) � Performances, m ech anisms an d applicat ion of a new type com pound adsorbent for ef ficient h eat pipe type refrigerat ion driven by w aste h eat [ D] � Shanghai: Shanghai Jiao T ong U niver sity, 2005 !115!� 第 S2期 � � � � � 李程等: 不同驱动温度下间歇性太阳能吸附制冰机的实验研究