低溫驅(qū)動(dòng)沸石-水吸附式制冷機(jī)的性能研究

王南南　劉再?zèng)_　鄧立生　何兆紅　窪田光宏　大坂侑吾　黃宏宇　陳 穎

(1 中國科學(xué)院廣州能源研究所　廣州　510640；2 中國科學(xué)院大學(xué)　北京　100049；3 廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院　廣州　510006；4 日本名古屋大學(xué)　名古屋　4648603；5 日本金澤大學(xué)　金澤　9201192)

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低溫驅(qū)動(dòng)沸石-水吸附式制冷機(jī)的性能研究

王南南1,2劉再?zèng)_1,3鄧立生1何兆紅1窪田光宏4大坂侑吾5黃宏宇1陳 穎3

(1 中國科學(xué)院廣州能源研究所廣州510640；2 中國科學(xué)院大學(xué)北京100049；3 廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院廣州510006；4 日本名古屋大學(xué)名古屋4648603；5 日本金澤大學(xué)金澤9201192)

本文研究的合成沸石-水吸附式制冷機(jī)采用FAMZ01沸石作為吸附劑，吸附床選擇翅片涂抹式吸附床，通過實(shí)驗(yàn)研究該制冷機(jī)的制冷功率、制冷性能系數(shù)(COP)隨熱源溫度、冷凍水進(jìn)口溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，該吸附式制冷機(jī)在55 ℃的熱源下就可以穩(wěn)定輸出制冷量，并在驅(qū)動(dòng)熱源為65 ℃左右展現(xiàn)其較佳的性能。

吸附式制冷機(jī)；涂抹式吸附床；COP；熱源溫度

隨著能源的緊缺，低溫余熱、廢熱的開發(fā)利用成為綠色能源發(fā)展的趨勢(shì)。吸附式制冷利用低品位熱能作為驅(qū)動(dòng)熱源，采用自然環(huán)保工質(zhì)作為制冷劑，因具有無CFCs，ODP和GWP為零、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[1-4]。當(dāng)再生溫度低于100 ℃時(shí)，硅膠-水被認(rèn)為是較為理想的吸附工質(zhì)對(duì)[5]。Saha B B等[6-7]對(duì)多級(jí)硅膠-水吸附式制冷機(jī)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明二級(jí)系統(tǒng)能在熱源為55 ℃，冷卻水為30 ℃下穩(wěn)定運(yùn)行，COP為0.36。Alam K C A等[8]對(duì)四床硅膠-水吸附式制冷機(jī)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示在熱源低于70 ℃時(shí)，系統(tǒng)COP高于兩床的吸附制冷機(jī)，當(dāng)熱源大于60 ℃時(shí)，系統(tǒng)COP優(yōu)于二級(jí)的吸附制冷機(jī)。國內(nèi)的王如竹團(tuán)隊(duì)[9-12]對(duì)硅膠-水吸附制冷機(jī)進(jìn)行深入研究，研發(fā)了多代硅膠-水吸附制冷樣機(jī)，其中研發(fā)的雙床回?zé)峄刭|(zhì)硅膠-水吸附式制冷機(jī)在試驗(yàn)工況熱源、冷卻水、冷凍水入口溫度分別為85 ℃、30.8 ℃、14 ℃時(shí)，制冷功率為6.6 kW，COP為3.71，SCP為63.4 W/kg；研發(fā)的無真空閥門的硅膠-水吸附制冷機(jī)在熱源、冷卻水、冷凍水入口溫度分別為82.0 ℃、31.6 ℃、12.3 ℃時(shí)，制冷能力和COP分別為9.6 kW和0.49。硅膠-水吸附制冷機(jī)對(duì)于100 ℃以下的熱源有著巨大優(yōu)勢(shì)，但硅膠-水吸附工質(zhì)對(duì)的循環(huán)有效吸附量較小，系統(tǒng)循環(huán)周期較長，造成系統(tǒng)的SCP過低，系統(tǒng)體積龐大，影響了制冷機(jī)的推廣應(yīng)用。

為此，本文通過一套采用高效吸附劑合成沸石-水吸附式制冷機(jī)，實(shí)驗(yàn)研究該制冷機(jī)在驅(qū)動(dòng)熱源為55～80 ℃下的制冷特性。

1　制冷機(jī)系統(tǒng)

1.1 高效合成沸石吸附劑

高效合成沸石吸附劑FAM Z01是日本研發(fā)的低溫高效吸附劑，對(duì)于再生溫度50～80 ℃下循環(huán)的有效吸附量很大，并且在20萬次反復(fù)吸附、脫附后性能基本不發(fā)生變化[13]。該材料的水蒸氣吸附等溫線如圖1[14]所示，與其他吸附劑相比，其水蒸氣吸附等溫線呈S型，能產(chǎn)生較大的循環(huán)有效吸附量。Kim Y D等[15]研究了合成沸石FAM Z01在70 ℃下脫附、30 ℃下吸附過程的水蒸氣循環(huán)有效吸附量，并與三種商用硅膠進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在吸附式制冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況的相對(duì)壓力下(吸附過程為0.29，脫附過程為0.2)，循環(huán)有效吸附量為0.167 g/g(吸附劑)，分別為A5BW硅膠的5倍、A型硅膠的3倍、RD硅膠的2倍，充分展現(xiàn)其在吸附式制冷機(jī)小型化方面的潛力。吸附劑顆粒在掃描電鏡下的形狀如圖2所示，顆粒為條狀六棱柱。

圖1　25 ℃下多種材料水蒸氣吸附等溫線[14]Fig.1 Water vapor adsorption isotherms of adsorption materials at 25 ℃

圖2 FAM Z01沸石的掃描電鏡圖Fig.2 The SEM picture of FAM Z01 zeolite

1.2 涂抹式吸附床結(jié)構(gòu)

涂抹式吸附床采用翅片換熱器結(jié)構(gòu)。與填充式吸附床相比，涂抹式吸附床減小吸附劑與吸附床、吸附劑間的接觸熱阻和，增強(qiáng)吸附床的傳熱效果[16-18]，從而縮短系統(tǒng)的循環(huán)時(shí)間。

圖3為涂抹式吸附床的吸附單元實(shí)物圖，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用雙床結(jié)構(gòu)，每個(gè)吸附床都配備6個(gè)這樣的吸附單元，整個(gè)吸附制冷機(jī)涂抹吸附劑的質(zhì)量為26.4 kg。

圖3 涂抹式吸附單元實(shí)物圖Fig.3 The picture of coated adsorbent bed unit

表1吸附單元結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

Tab.1Structure parameters of coated adsorbent bed unit

類型數(shù)量整體尺寸/mm670×264×116銅管分布錯(cuò)排,12根×4層翅片數(shù)量/片209翅片間距/mm1.8吸附劑質(zhì)量/kg2.2

1.3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

吸附式制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示、實(shí)物圖如圖5所示，結(jié)構(gòu)尺寸為長1.4 m、寬1.1 m、高2.1 m。上部為管殼式冷凝器，中間為兩個(gè)涂抹式吸附床，下部為噴淋式蒸發(fā)器。

工作原理：制冷機(jī)采用兩個(gè)涂抹式吸附床交替吸附、脫附，連續(xù)輸出冷量，兩個(gè)狀態(tài)如下：

1)吸附床1通入熱源進(jìn)行脫附時(shí)，與冷凝器相連的真空閥門V3打開，進(jìn)行脫附再生；吸附床2與蒸發(fā)器的真空閥門V2打開進(jìn)行吸附制冷，冷卻水先進(jìn)入吸附床2帶走吸附熱后再進(jìn)入冷凝器帶走冷凝熱。

2)當(dāng)吸附床1脫附完成后，熱源與冷卻水流路的四通換向閥1、2進(jìn)行切換，同時(shí)與冷凝器、吸附床、蒸發(fā)器相連的真空閥門也進(jìn)行切換。狀態(tài)變?yōu)槲酱?與蒸發(fā)器相連的真空閥門V1打開，進(jìn)行吸附制冷，冷卻水進(jìn)入吸附床1帶走吸附熱后進(jìn)入冷凝器管路；吸附床2與冷凝器相連真空閥V4打開，熱源進(jìn)入吸附床2進(jìn)行脫附再生。如此切換循環(huán)，連續(xù)輸出冷量。

圖4 吸附式制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The schematic diagram of adsorption chiller

1冷凝器 2吸附床1 3吸附床2 4蒸發(fā)器 5四通換向閥2 6四通換向閥 7控制箱圖5 吸附式制冷機(jī)實(shí)物圖Fig.5 The picture of the adsorption chiller

2　實(shí)驗(yàn)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)的搭建

為測(cè)試該制冷機(jī)在不同驅(qū)動(dòng)熱源下的性能，本研究搭建測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。熱源采用0.4 m3的恒溫水箱，內(nèi)置12組3 kW的電熱絲，智能控制水溫(精度為±0.5 ℃)；冷凍水的供給采用0.2 m3恒溫水箱，內(nèi)置4組3 kW電熱絲，智能控制水溫(精度為±0.5 ℃)；另外配備一個(gè)冷卻塔，向環(huán)境排放冷卻水的熱量。在該制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)熱源，冷凍水及冷卻水的進(jìn)出口布置熱電阻溫度傳感器PT100(精度等級(jí)A級(jí))，采用智能渦輪流量計(jì)(精度1%F S)來測(cè)量流路的流量，具體位置如測(cè)試系統(tǒng)圖6所示，采用巡檢儀及電腦軟件來采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間為10 s。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖　Fig.6 Schematic diagram of the testing system

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

該系統(tǒng)的平均制冷功率是根據(jù)制冷機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，取5個(gè)周期的制冷功率的平均值。其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：cp為水的定壓比熱容，J/(kg·K)；mchilled為冷凍水質(zhì)量流量，kg/s；t為運(yùn)行的時(shí)間，s；n為采集數(shù)據(jù)的組數(shù)。

COP是系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)，同樣采用穩(wěn)定運(yùn)行后取5個(gè)周期進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

(2)

式中：mhot為驅(qū)動(dòng)熱源水的質(zhì)量流量，kg/min；SCP為單位質(zhì)量吸附劑的制冷功率，衡量吸附系統(tǒng)的重要指標(biāo)，W/kg，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：mad為吸附床吸附劑總質(zhì)量，kg。

吸附式制冷機(jī)正常運(yùn)行一段時(shí)間后，調(diào)節(jié)冷凍水進(jìn)口溫度為16±0.5 ℃，流量為22.7 L/min；熱源進(jìn)口溫度為65±0.5 ℃時(shí)，流量為58.5 L/min；冷卻水進(jìn)口平均溫度為24.5 ℃，流量為100 L/min；設(shè)置的切換周期為240 s。觀察制冷機(jī)的瞬時(shí)制冷功率變化如圖7所示。

從圖7發(fā)現(xiàn)該制冷機(jī)的瞬時(shí)制冷功率變化幅度為5.8～9.8 kW。計(jì)算其平均制冷功率為8.2 kW，系統(tǒng)的COP為0.43，制冷機(jī)的重復(fù)性好，能穩(wěn)定運(yùn)行，循環(huán)周期短。

該制冷機(jī)運(yùn)行過程中，通過冷卻塔向環(huán)境排放冷卻水的熱量。在探討變熱源溫度下，冷卻水的進(jìn)口溫度會(huì)發(fā)生變化，但由于冷卻水的流量大，所配置的冷卻塔的功率比較大，環(huán)境溫度變化較小，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)冷卻水的進(jìn)口溫度變化的幅度較小，在24～25.5 ℃范圍內(nèi)變化。因此在研究吸附式制冷機(jī)的制冷性能隨熱源溫度變化時(shí)，認(rèn)為冷卻水的溫度變化影響很小。通過改變工況，測(cè)試穩(wěn)定后該吸附式制冷機(jī)的性能，取熱源變化間隔為5 ℃，冷凍水變化間隔為2 ℃。每個(gè)工況都在穩(wěn)定后選取5個(gè)循環(huán)周期計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)在變工況下的性能進(jìn)行分析。本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試工況如表2所示。

圖7 瞬時(shí)制冷功率變化圖Fig.7 Instant cooling power changes

表2實(shí)驗(yàn)工況

Tab.2Experimental conditions

參數(shù)數(shù)值切換周期/s熱源進(jìn)口溫度/℃冷卻水進(jìn)口溫度/℃冷凍水進(jìn)口溫度/℃熱源流量/(L/min)冷卻水流量/(L/min)冷凍水流量/(L/min)24055～8024～25.512～1658.510022.7

由圖8可知，該吸附式制冷機(jī)的平均制冷功率隨著熱源溫度的升高而增大，在55～65 ℃的熱源溫度下，制冷功率的增幅較大；65～80 ℃之間制冷功率的增幅較小，趨于平緩。原因可能為：該吸附劑的吸附等溫線呈S型，當(dāng)熱源溫度上升時(shí)，相對(duì)壓力范圍擴(kuò)大，但是循環(huán)吸附量的增幅很小，導(dǎo)致吸附過程制冷功率增幅不大。提高冷凍水進(jìn)口溫度有助于增加系統(tǒng)的制冷功率，當(dāng)熱源溫度為80 ℃，冷凍水進(jìn)口溫度為12 ℃、14 ℃、16 ℃，對(duì)應(yīng)的平均制冷功率分別為6.1 kW、7.9 kW、9.0 kW，增幅分別為30%、48%。因此在滿足實(shí)際制冷溫度情況下，可以適當(dāng)提高冷凍水的進(jìn)口溫度來增大制冷功率。

圖8 平均制冷功率隨熱源溫度的變化Fig.8 The effect of heat source temperature on the cooling capacity

由圖9可知，系統(tǒng)的COP值隨熱源溫度的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并在熱源溫度為65 ℃時(shí)COP出現(xiàn)較大值，而后降低。出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因：隨著熱源溫度的增加，平均制冷功率逐漸增大，當(dāng)熱源溫度高于65 ℃時(shí)趨于平緩(圖8)，但脫附過程中吸附床內(nèi)的金屬顯熱和吸附劑顯熱是逐漸增大的，導(dǎo)致脫附過程中的所需要的再生熱量也隨之增大，在兩者的相互作用下，出現(xiàn)COP先增大，后減小的趨勢(shì)。因此該吸附式制冷機(jī)的較佳運(yùn)行熱源溫度為65 ℃左右。

圖9 系統(tǒng)COP 隨熱源溫度的變化Fig.9 The effect of heat source temperature on the coefficient of performance

計(jì)算該制冷機(jī)在較佳熱源溫度65 ℃，冷凍水為14 ℃時(shí)，系統(tǒng)吸附劑的單位制冷功率SCP為272.5 W/kg，是文獻(xiàn)[6]填充式硅膠吸附劑SCP的4倍。該吸附式制冷機(jī)在較低熱源溫度下就具有高SCP，這主要是因?yàn)楹铣煞惺疐AMZ01的循環(huán)有效吸附量較大，且涂抹吸附床的傳熱傳質(zhì)效果好，系統(tǒng)循環(huán)周期短，導(dǎo)致系統(tǒng)單位吸附劑制冷功率提高。

3　結(jié)論

1)本文提出的FAMZ01-水吸附式制冷機(jī)在熱源溫度55 ℃，冷凍水進(jìn)口溫度12～16 ℃時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行；隨著熱源溫度的升高，制冷機(jī)的制冷功率逐漸增大，當(dāng)熱源溫度高于65 ℃時(shí)，增幅趨于平緩；COP隨熱源溫度的升高先增大而后降低，在熱源溫度65 ℃時(shí)獲得最大值，這是因?yàn)闊嵩礈囟仍礁?，制冷機(jī)顯熱損失越大，導(dǎo)致COP降低，因此較佳驅(qū)動(dòng)熱源溫度為65 ℃左右。

2)隨著冷凍水溫度的增加，制冷機(jī)的制冷功率和COP都有較大的增幅，因此在滿足實(shí)際需求的情況下，可提高冷凍水的入口溫度來提高系統(tǒng)性能。

3)制冷機(jī)采用FAMZ01吸附劑，涂抹式吸附床結(jié)構(gòu)，具有循環(huán)周期短，吸附劑單位質(zhì)量制冷功率SCP值大的特點(diǎn)。

本文受廣東省自然科學(xué)基金(S2013010014709)和廣東省重大科技專項(xiàng)資金(2013A011402006)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of Guangdong (No.S2013010014709) and Major Science and Technology Foundation of Guangdong (No. 2013A011402006).)

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About the corresponding author

He Zhaohong, female, associate research fellow, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, +86 20-37210762, E-mail: hezh@ms.giec.ac.cn. Research fields: adsorption refrigeration technology.

Experimental Investigation on a Zeolite-water Adsorption Chiller Driven by Low Heat Source

Wang Nannan1, 2Liu Zaichong1, 3Deng Lisheng1He Zhaohong1KUBOTA Mitsuhiro4OSAKA Yugo5Huang Hongyu1Chen Ying3

(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Science, Guangzhou, 510640, China; 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China; 3. School of Material and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006, China; 4. Nagoya University, Nagoya， 4648603, Japan; 5. Kanazawa University, Kanazawa, 9201192, Japan)

A novel type of adsorption chiller with synthetic zeolite-water was proposed, in which the zeolite FAMZ01 was chosen as the adsorbent and coated adsorber with fin as adsorber. The effects of heat source temperature and chilled water inlet temperature on cooling power and coefficient of performance (COP) were obtained experimentally. The results showed that the adsorption chiller can supply the chilled water steadily at driven heat source temperature of 55 ℃, and is with better performance at the driving heat source temperature about 65 ℃.

adsorption chiller; coated adsorber; coefficient of performance; heat source temperature

0253-4339(2016) 01-0065-05

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.01.065

2015年5月13日

TB651；TB61+1

A

簡(jiǎn)介

何兆紅，女，副研究員，中國科學(xué)院廣州能源研究所，(020)37210762，E-mail: hezh@ms.giec.ac.cn。研究方向：吸附式制冷技術(shù)。