吸附式制冷單元管的設計與性能研究

張 旭，鄭曉哲，武衛(wèi)東，于立軍

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

0 引言

吸附式制冷技術能夠利用低品位熱源驅動，在太陽能利用和工業(yè)余熱利用方面有巨大優(yōu)勢，既節(jié)能又環(huán)保，是氟利昂技術的主要競爭者［1］。該技術不僅在熱泵、太陽能冰箱等方面的應用得到了廣泛研究，同時在汽車空調、船舶制冷、宇航低溫制冷領域也得到了較多的應用［2］。吸附式制冷單元管是管狀微型并且相對獨立完整的制冷器件，克服了吸附式制冷裝置結構復雜、體積大以及密封性差的缺點，并集吸附器和冷凝/蒸發(fā)器于一體［3，4］。

本文所設計研究的吸附式制冷單元管是一個相對獨立完整、微型化的管狀制冷單元，具有結構簡單，無運動部件，無噪音，抗震性好等優(yōu)點?？梢詥为毷褂?，也可以根據(jù)制冷需求組合成不同功率的制冷機組，有一定的推廣價值。

1 吸附式制冷單元管的設計

吸附式制冷單元管是一種新型的單元式制冷裝置，吸附式制冷單元管的結構如圖1 所示:一端是管狀的吸附端，另一端是將冷凝器、蒸發(fā)器和儲液器三器合一的冷凝/蒸發(fā)端。由圖可知，一般的吸附式制冷單元管中沒有節(jié)流裝置，也沒有運動部件，單一的制冷單元管都是一個完整的能夠獨立運行的制冷系統(tǒng)，單獨的吸附式制冷單元管就可以實現(xiàn)熱量輸入轉變?yōu)槔淞枯敵觥?/p>

圖1 吸附式制冷單元管結構圖

1．1 工質對的選擇

吸附制冷工質對的選擇是制冷單元管的核心，所以設計一個吸附式制冷單元管的第一步是要確定使用何種工質對。常用工質對有:活性炭－甲醇工質對、硅膠－水工質對、金屬氯化物－氨工質對、活性炭－氨工質對、沸石分子篩－水工質對。

研究中設計的單元管用于工業(yè)余熱廢熱的回收利用，所以工作溫度(解吸溫度)可能達到數(shù)百攝氏度，甲醇在150℃會開始分解;硅膠超過120℃會失去吸附能力;金屬氯化物－氨工質對吸附過程中存在膨脹、結塊現(xiàn)象等問題;氨對單元管的材料銅不相容。

沸石分子篩－水的性質十分穩(wěn)定，適用于解吸溫度較高的場合。壓力對沸石分子篩－水的吸附等溫線的影響不大，能使冷凝溫度變化較大時保持一定的性能。由于沸石分子篩－水安全、無毒、可適應高溫工作溫區(qū)以及水的特點，因此工質對采用13X沸石分子篩－水。

1．2 單元管結構設計

方麗娜，劉忠寶［5］等人對使用13X 型沸石分子篩－水工質對的吸附式制冷單元管的管徑對循環(huán)中脫附時間影響進行了仿真模擬，其結果如圖2?？芍趩卧苤睆綖?0 mm 左右時脫附時間最短，因此本研究中將設計一種外徑為30 mm 的吸附式制冷單元管。

由于加工、場地、單元管強度等原因，單元管不宜過長。通過13X 型沸石分子篩對水的吸附特性以及水蒸發(fā)過程體積變化等進行分析，可以推導出13X 型沸石分子篩的吸附端與冷凝/蒸發(fā)端的最佳管長比為5∶3，在此設計制冷單元管吸附端長度為600 mm，冷凝/蒸發(fā)端長度為360 mm。

圖2 單元管直徑對脫附時間的影響

單元管的絕熱段使用一只外徑為12 mm，長200 mm 的不銹鋼管，因其傳熱面積較小，傳熱距離較長，能很好的起到絕熱的效果。不銹鋼管的長度是出于實驗研究考慮:吸附端進行加熱，壓力測試裝置不適合安裝在吸附端和冷凝/蒸發(fā)端上，因此將壓力測試裝置安裝在絕熱段，以便測定單元管內的壓力。同時為了便于吸附劑的活化和制冷劑(水)的充注，在絕熱段安裝了一個真空閥，用于對制冷單元管的抽真空和注入制冷劑。結構示意圖如圖3所示。

圖3 吸附式制冷單元管結構示意圖

1．3 強化傳熱性能的選擇

由于吸附劑的導熱性能很差，強化提高吸附劑的傳熱特性是提高制冷單元管性能的有效手段。我們考慮在吸附劑中添加導熱系數(shù)較高的添加劑。劉志強［6］等對吸附式制冷中不同種類的強化吸附劑導熱性能做了細致的研究，如表1。

表1 強化傳熱方法的實驗數(shù)據(jù)比較

從表中可以明顯看出，加入膨脹石墨得到的傳熱效果最好。此外，膨脹石墨的孔徑大于沸石分子篩的孔徑，對吸附劑的傳質性能基本沒有影響。因此選擇向吸附劑中加入膨脹石墨，增強吸附式制冷單元管的特性。

1．4 吸附式制冷單元管的加工

結合以上幾點，同時對單元管金屬材料的導熱性、閥門密封性等進行分析選材，最終得到的制冷單元管實物圖如圖4。

圖4 吸附式制冷單元管

單元管的加工數(shù)據(jù)、主要材料明細如表2。

表2 吸附式制冷單元管加工材料明細表

2 實驗原理、裝置與步驟

吸附式制冷單元管沒有閥門和壓力控制裝置，所以系統(tǒng)中的壓力是不恒定的，在工作過程中冷凝/蒸發(fā)端的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都不是恒定值。由溫度的變化也會引起壓力的變化，所以冷凝壓力與蒸發(fā)壓力同樣是變化值，這與傳統(tǒng)的基本型吸附制冷循環(huán)不同。

2．1 實驗原理

吸附式制冷單元管的理論熱力循環(huán)Clapeyron圖［7］如圖5 所示。

吸附式制冷單元管的循環(huán)過程分為4 個階段:1 －2，升壓脫附過程;2 －3，降壓脫附過程;3 －4，降壓吸附過程;4 －1，升壓吸附過程。其中吸附端在前2 個階段的脫附過程需要加熱，后兩個階段的吸附過程需要冷卻。

2．2 實驗裝置的設計

為了完成制冷單元管的性能測試，設計了圖6的實驗裝置。

對于單元管吸附式制冷系統(tǒng)，其最主要的參數(shù)是壓力、溫度、制冷量和循環(huán)時間。壓力包括冷凝器壓力和蒸發(fā)器壓力;溫度包括解吸(脫附)溫度、吸附溫度、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度;制冷量是指冷凝/蒸發(fā)端在蒸發(fā)過程的制冷量;循環(huán)時間是指系統(tǒng)完成整個循環(huán)的時間。

本研究設計的實驗裝置實物如圖7 所示。

圖6 吸附式制冷單元管實驗裝置原理圖1 －電加熱器;2 －溫控器;3 －吸附制冷管;4 －熱電偶;5 －真空閥;6 －注水裝置;7 －真空泵;8 －壓力傳感器;9 －數(shù)據(jù)采集模塊;10 －微型計算機

圖7 實驗裝置實物圖

2．3 實驗準備與步驟

實驗準備包括以下幾點:①檢查制冷單元管的氣密性;②檢查壓力傳感器、熱電偶等相關實驗裝置;③對吸附劑進行活化處理;④對制冷機進行充注。經過計算，選擇注水量為31．31 g。

實驗步驟可以歸納為以下2 步:

(1)加熱解吸－冷凝放熱過程:用電加熱加熱制冷單元管的吸附端，沸石分子篩溫度升高，水分子被解吸出來，使吸附端壓力上升，并不斷向空氣中的冷凝/蒸發(fā)端移動，并在此凝結放熱，熱量被周圍的空氣帶走。

圖5 吸附式制冷單元管的理論熱力循環(huán)Clapeyron 圖pgc，max—制冷管 的 最 大 冷 凝 壓 力;pge，min—制冷管的最小蒸發(fā)壓力;pgc，over—制冷管的冷凝終了壓力;pge，over—制冷管的蒸發(fā)終了壓力;Tg1，Ta1，Tg2，Ta2—相應條件下對應的溫度;xa、xb、xc、xd—相應條件下對應的吸附量

(2)吸附制冷－蒸發(fā)制冷過程:停止加熱，將吸附端處在空氣降溫。沸石分子篩開始冷卻，吸附能力增強，開始吸附蒸發(fā)端的水蒸氣。氣體分子被吸附，管內壓力降低，促使液態(tài)水在冷凝/蒸發(fā)端蒸發(fā)，吸收熱量，產生制冷效果。

3 實驗與性能分析

在本實驗中，熱源溫度T = 300℃，環(huán)境溫度Ta=21℃，相對濕度Φ=50%。

3．1 自然對流換熱的制冷循環(huán)

在解析和吸附的過程中，冷凝/蒸發(fā)端采用自然對流的方式與環(huán)境換熱，得到吸附端溫度曲線如圖8。

圖8 吸附端溫度曲線(300℃，自然對流)

實驗中，制冷單元管吸附端放入電加熱器加熱，所以在最開始幾分鐘里吸附端溫度迅速升高，出現(xiàn)的波浪形狀是使用溫控器控制溫度導致的。圖8 的前半部分為解吸過程，后半部分為吸附過程。吸附過程中，由于吸附端從加熱器中的熱源溫度直接暴露到空氣中，所以溫度迅速下降。

圖9 冷凝/蒸發(fā)端溫度及壓力曲線

從圖9 可以看出，在解吸過程中冷凝/蒸發(fā)端溫度迅速上升到40．6℃，然后與空氣自然對流換熱，逐步下降到環(huán)境溫度;吸附過程中溫度從21℃下降到8．8℃，然后逐漸恢復常溫。由于是自然對流，整個循環(huán)的周期較長。同時可以發(fā)現(xiàn)壓力與溫度的變化相對應，部分的偏移情況是因為壓力傳感器測量的是管內部壓力，而熱電偶測的是管壁溫度。

3．2 強制對流換熱的制冷循環(huán)

自然對流條件下的循環(huán)時間過長，考慮強制對流條件下單元管的循環(huán)特性。連續(xù)工作兩個循環(huán)，并改變相應換熱條件(見圖中)。兩個循環(huán)的冷凝/蒸發(fā)端溫度曲線如圖10 所示。

圖10 冷凝/蒸發(fā)端溫度曲線(300℃，強制對流)

通過圖9 和圖10 對比可以看到，采用強制對流換熱使冷凝過程的時間從145 min 縮減到60 min，最高冷凝溫度也從41℃降低到36℃。冷凝時間的縮短會導致解吸量的下降，導致實際制冷量的下降。在循環(huán)1 的蒸發(fā)過程中，強制對流換熱大大減少了蒸發(fā)過程所用的時間，最低制冷溫度19．4℃，循環(huán)2的最低制冷溫度為12．2℃。這是因為循環(huán)1 中蒸發(fā)端的冷量迅速傳給環(huán)境，導致吸附過程進行的不徹底，無法完全制冷。

通過實驗對比可知，對冷凝/蒸發(fā)端進行強制對流換熱，能夠有效減少循環(huán)時間，但最低蒸發(fā)溫度也會隨著蒸發(fā)端換熱效率的增強而升高，導致制冷性能減弱。

3．3 實驗小結

通過上述幾組實驗數(shù)據(jù)的對比，可以得到這樣的結論:同一熱源溫度條件下，自然對流換熱使實驗進行最徹底，能達到最高冷凝溫度(40．6℃)和最低蒸發(fā)溫度(8．8℃)。缺點是循環(huán)時間(400 min)太長，需要改善。用強制對流換熱可以顯著減少循環(huán)所需要的時間(兩個對流循環(huán)時間分別為120 min和160 min)，也會造成如解吸和吸附過程不徹底，削弱制冷效果(強制對流條件下的兩個循環(huán)最低蒸發(fā)溫度分別為19．2℃和11．3℃);但是有效提高了循環(huán)效率。

4 結語

本文所研究的制冷單元管是吸附式制冷系統(tǒng)的基本部件，也是核心部件。吸附床可由多根制冷單元管組裝，以適應不同的功率要求。應用到系統(tǒng)中時，由于沒有復雜的管路連接，系統(tǒng)結構得到了極大程度的簡化，同時也增強了可靠性。

在實驗中可以發(fā)現(xiàn)，提升冷凝過程或蒸發(fā)過程的換熱性能都能有效的減少循環(huán)時間。提升冷凝性能可以減少脫附(解吸)過程所需時間，提升蒸發(fā)性能可減少吸附過程所需時間;但同時也帶來不利影響:解吸時間的減少使得實際的制冷量降低。

本文初步研究了吸附式制冷單元管的循環(huán)特性，并定性的研究了不同換熱方式對循環(huán)特性的影響，但是未對影響因素與性能進行定量的實驗與分析。對于如何提升吸附式制冷單元管的性能將是下一步研究的重點，也有必要分析更多的影響因素。

［1］王如竹．吸附式制冷新技術［J］．化工學報，2000，51(4):435 －442．

［2］王如竹，王麗偉，吳靜怡． 吸附式制冷理論與應用［M］．北京:北京科學出版社，2007．

［3］武衛(wèi)東，毛正榮，張華，等． 固體吸附式冷管的制冷性能［J］．化工學報，2014，55(7):1077 －1082．

［4］劉震炎，盧允莊． 冷管型太陽能制冷系統(tǒng)［J］． 熱能動力工程，2010，15(11)，587 －589．

［5］方麗娜．余熱驅動新型旋轉轉輪固體吸附單元冷管的研究［D］．北京:北京工業(yè)大學，2006．

［6］劉志強，吳鋒，譚志紅，等． 固體吸附式制冷中強化吸附劑導熱性能的研究［J］． 材料導報，2001，15(12):61 －63．

［7］張華，武衛(wèi)東． 余熱驅動吸附式冷管的循環(huán)特性研究［J］．制冷學報，2005(2):39 －43．