硅膠粒徑對(duì)太陽能吸附制冷系統(tǒng)性能的影響

王澤鵬，苑中顯，王潔，文鑫，劉一默

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部，北京 100124）

制冷技術(shù)是社會(huì)發(fā)展的重要技術(shù)之一，它為人們提供了舒適的生活條件。但是制冷系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用對(duì)能源和環(huán)境產(chǎn)生了巨大影響，常規(guī)蒸汽壓縮式制冷中廣泛使用的制冷劑會(huì)加劇大氣溫室效應(yīng)和臭氧層空洞。因而，使用天然制冷劑的綠色制冷技術(shù)越來越引起關(guān)注，而太陽能吸附式制冷技術(shù)便是其中之一。

雖然太陽能吸附式制冷系統(tǒng)使用天然制冷劑，但是目前仍然不能替代廣泛使用的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)。實(shí)際上，此類系統(tǒng)仍然存在著體積大、成本高和效率低的問題。人們采用多種措施，試圖改進(jìn)這類裝置的性能。Yuan等為了提高太陽能集熱器的效率，研制了一種拋物槽聚光式太陽能自動(dòng)跟蹤裝置來驅(qū)動(dòng)吸附制冷系統(tǒng)，其吸附床由真空太陽能集熱管改造而成，可有效捕捉太陽能。為了增強(qiáng)吸附床的傳熱能力，Mohammed 等將硅膠顆粒置于高孔隙率泡沫鋁中，發(fā)現(xiàn)硅膠-水吸附床的有效熱導(dǎo)率可以顯著提高。Li 等以SAPO-34 沸石-水為工質(zhì)對(duì)，在給定翅片高度和厚度情況下，研究了翅片數(shù)量從2到8不同情況下的系統(tǒng)性能，結(jié)果表明隨著翅片數(shù)量的增加，系統(tǒng)制冷量和性能都有明顯提高。

此外，吸附劑和吸附質(zhì)的選擇對(duì)吸附式制冷系統(tǒng)也有著重要影響。Wang 等以活性炭-甲醇為工質(zhì)對(duì)進(jìn)行太陽能吸附式制冷實(shí)驗(yàn)研究，采用強(qiáng)化傳質(zhì)的方法，使系統(tǒng)的制冷系數(shù)（COP）相比于自然傳質(zhì)狀態(tài)的吸附式制冷系統(tǒng)提高了35.9%。Hadj等以活性炭-甲醇為工質(zhì)對(duì)，并用Dubinin-Astakhov方程描述吸附關(guān)系，然后進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明在冷凝溫度較低、蒸發(fā)溫度較高的情況下，系統(tǒng)性能最優(yōu)，日制冰量可達(dá)13.65kg。但是活性炭-甲醇系統(tǒng)亦有缺點(diǎn)，甲醇有劇毒，并且系統(tǒng)是真空系統(tǒng)，負(fù)壓系統(tǒng)的可靠性通常比正壓系統(tǒng)差。Louajari 等設(shè)計(jì)了一種以活性炭-氨為工質(zhì)對(duì)的太陽能吸附式制冷系統(tǒng)，采用加裝翅片的方式使該系統(tǒng)的COP 可達(dá)到0.111。雖然活性炭-氨系統(tǒng)是在正壓條件下工作，但是氨有毒且具有刺激性氣味，與活性炭-甲醇工質(zhì)對(duì)相比，循環(huán)吸附量還要較小一些。Frazzica等描述了一種基于活性炭-乙醇為工質(zhì)對(duì)的吸附式制冷機(jī)樣機(jī)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，結(jié)果表明該制冷機(jī)的比制冷功率（SCP）為50W/kg，COP在0.09～0.11之間。不過，活性炭-乙醇的吸附量相比于活性炭-甲醇較小，比制冷功率及效率均較低。

目前，國(guó)際上興起一種有機(jī)金屬骨架材料作為吸附劑。Solovyeva 等對(duì)新型高效水蒸氣吸附劑MOF-801 的吸附平衡和吸附動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了綜合研究，結(jié)果表明在吸附溫度為30℃、蒸發(fā)溫度5℃時(shí)，MOF 材料與水蒸氣有顯著的親和力，比制冷功率可達(dá)到2kW/kg，在吸附制冷方面有很高的潛力。How 等采用另一種有機(jī)金屬骨架材料CAU-10 進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)并與鋁基沸石材料進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CAU-10材料由于具有較高的吸附率，能夠?qū)е潞芨叩腟CP 和COP。Liu 等以MIL-101(Cr)/CaCl-20%作為吸附式制冷的吸附材料，水為吸附質(zhì)，在液位法的基礎(chǔ)上建立了封閉式吸附系統(tǒng)性能測(cè)試裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)吸附溫度為293K 時(shí)，COP為0.18，SCP 為142.4W/kg。但是MOF 材料造價(jià)昂貴，這也限制了其廣泛應(yīng)用。

與活性炭相類似的物理吸附劑還有沸石與硅膠等，其與水結(jié)合可作為吸附式制冷系統(tǒng)中的工質(zhì)對(duì)。Du 等在太陽能加熱條件下研制了一種太陽能吸附式制冷系統(tǒng)，以SAPO-34 分子篩作為吸附劑，水為吸附質(zhì)，結(jié)果表明SAPO-34 的制冷能力優(yōu)于ZSM-5，COP可以達(dá)到0.169。Pan等設(shè)計(jì)制造了額定制冷功率3kW的硅膠-水吸附式空調(diào)，并對(duì)其在不同工況下的性能進(jìn)行了全面測(cè)試，結(jié)果表明實(shí)際制冷功率和COP 分別達(dá)到3.98kW 和0.632。Liu等以硅膠-水為工質(zhì)對(duì)進(jìn)行太陽能吸附式制冷實(shí)驗(yàn)研究，在最佳吸附時(shí)間時(shí)系統(tǒng)的COP 可達(dá)到最大值0.258，與SAPO-34 分子篩-水為工質(zhì)對(duì)的吸附式制冷系統(tǒng)相比較，硅膠系統(tǒng)的最大COP 是SAPO-34系統(tǒng)最大值的1.93倍。

吸附劑自身的性質(zhì)對(duì)吸附式制冷系統(tǒng)也有著重要的影響，吸附劑粒徑大小便是其中之一。Niazmand 等設(shè)計(jì)一種以SWS-1L（硅膠材料孔隙內(nèi)含有CaCl）和水為工質(zhì)對(duì)的板翅管式吸附式制冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了粒徑對(duì)吸附式制冷系統(tǒng)性能參數(shù)的影響，結(jié)果表明當(dāng)粒徑在0.2～0.3mm 范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)性能最佳。Huang 等研究了硅膠顆粒直徑對(duì)有效熱導(dǎo)率的影響，結(jié)果表明在硅膠粒徑為0.3～0.605mm 時(shí)，其有效熱導(dǎo)率是基本穩(wěn)定的，但是當(dāng)硅膠粒徑為0.7mm 時(shí)，其有效熱導(dǎo)率明顯降低。陳思宇等采用數(shù)值模擬方法研究了圓筒型吸附床的二維非穩(wěn)態(tài)脫附傳熱過程，分析了吸附劑粒徑和吸附床的總孔隙率對(duì)吸附床傳熱性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)吸附劑的粒徑較小且吸附床的總孔隙率較大時(shí)，吸附床的傳熱性能最優(yōu)。

吸附材料的密實(shí)度和粒徑大小影響吸附床的傳熱傳質(zhì)性能，從而影響系統(tǒng)的制冷能力。本文的研究依托現(xiàn)有的拋物槽聚光式太陽能吸附制冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)不同硅膠粒徑的性能表現(xiàn)開展實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)三種實(shí)驗(yàn)工況，分別填充平均粒徑為1mm、3mm、5mm 的硅膠顆粒。根據(jù)硅膠生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明書，三種硅膠粒徑實(shí)際上都具有一定的分布范圍，分別為0.5～1.5mm、2～4mm 和4～8mm，而1mm、3mm、5mm的硅膠顆粒占各自組別的份額能夠達(dá)到95%。為方便起見，在下面的討論中，將直接用平均直徑代表其組別。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖1所示，采用拋物槽集熱器收集太陽能作為吸附式制冷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源，玻璃-金屬真空集熱管作為吸附床。吸附床內(nèi)填充A型細(xì)孔硅膠作為吸附劑，實(shí)驗(yàn)用三種硅膠的物理性質(zhì)如表1 所示，其主要差別在于堆積密度的不同，圖2是其實(shí)物照片。

圖1 太陽能吸附制冷實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物照片

表1 A型細(xì)孔硅膠的主要物理性質(zhì)

圖2 三種粒徑硅膠實(shí)物照片

預(yù)先在吸附床內(nèi)布置溫度、壓力傳感器，以便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)床內(nèi)溫度及壓力變化，分析系統(tǒng)性能。吸附床結(jié)構(gòu)及溫度測(cè)點(diǎn)布置位置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過程中采用DRT-2-2測(cè)量太陽直射輻射強(qiáng)度，計(jì)算評(píng)估系統(tǒng)輸入的太陽能。實(shí)驗(yàn)中所得溫度、壓力及太陽輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)均由Aglient34970A采集系統(tǒng)采集。

圖3 吸附床結(jié)構(gòu)及溫度測(cè)點(diǎn)位置

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

太陽能吸附式制冷系統(tǒng)運(yùn)行主要包含四個(gè)過程，分別為吸附過程、預(yù)熱過程、脫附過程以及冷卻過程。圖4為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理圖，吸附過程開始時(shí)，打開閥門V2、V3和V4，此時(shí)吸附床在經(jīng)歷上一輪的冷卻過程后處于負(fù)壓狀態(tài)，打開閥門后蒸發(fā)器中的水蒸氣進(jìn)入吸附床，被硅膠顆粒吸附。水蒸氣的蒸發(fā)需要從周圍吸入大量熱量，從而產(chǎn)生制冷效果，這也是實(shí)驗(yàn)裝置的最終目的。由于吸附過程會(huì)產(chǎn)生吸附熱，熱量蓄積導(dǎo)致吸附床溫度升高，而吸附材料在高溫下吸附性能又會(huì)下降，所以在吸附過程中，必須開啟循環(huán)水泵，使冷卻水在吸附床內(nèi)部的冷卻銅管中循環(huán)流動(dòng)，以保證吸附材料處在較低的溫度水平，實(shí)驗(yàn)中采用25℃的冷卻水以0.694m/s的速度流經(jīng)吸附床，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻水溫度變化，及時(shí)更換冷卻水使其溫度保持在25℃。吸附過程中需要避免太陽輻射加熱吸附床，因此要對(duì)吸附床進(jìn)行遮光處理。吸附過程一旦結(jié)束，關(guān)閉閥門V2、V3和V4，切斷吸附床與蒸發(fā)器和冷凝器的聯(lián)系，開始太陽照射下的預(yù)熱過程。此時(shí)拋物槽在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)太陽進(jìn)行跟蹤，通過聚光作用將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃吭丛床粩嗟剌斎氲秸婵展苁轿酱矁?nèi)部，使得硅膠材料不斷升溫升壓。當(dāng)吸附床內(nèi)壓力達(dá)到12kPa 時(shí)，預(yù)熱過程結(jié)束，然后打開閥門V1、V3 和V4，開始脫附過程。水蒸氣由于壓力差的作用，會(huì)迅速從吸附床流入到冷凝器中進(jìn)行冷凝。12kPa下水蒸氣的冷凝溫度為50℃，而實(shí)驗(yàn)中環(huán)境溫度一般在35～40℃之間，在溫差作用下冷凝器最終將凝結(jié)熱量排入大氣環(huán)境。當(dāng)吸附床內(nèi)壓力下降到7.5kPa并保持穩(wěn)定后，脫附過程結(jié)束，之后進(jìn)入冷卻過程。冷卻過程開始時(shí)，關(guān)閉閥門V1、V3和V4使吸附床處在與外界隔絕的定容狀態(tài)，然后打開循環(huán)水泵，通入冷卻水對(duì)吸附床進(jìn)行冷卻，直至壓力與溫度均恢復(fù)至初始的低溫低壓狀態(tài)，為下一循環(huán)做好準(zhǔn)備。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理圖

原則上，自然條件下不同實(shí)驗(yàn)工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果難于精確比較，但是，一個(gè)實(shí)際工作的太陽能裝置又必須給出其具有一定可信度的評(píng)價(jià)。因此，選擇在晴朗無風(fēng)、陽光充足的天氣條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使不同工況的實(shí)驗(yàn)條件盡量接近，以達(dá)到單純考察硅膠顆粒影響之目的。三種工況的實(shí)驗(yàn)日期分別為2021年7月2日、7月6日及7月7日。這三天的環(huán)境溫度比較接近，均在35～40℃之間，太陽直射輻射強(qiáng)度也比較接近，均在690W/m左右（參見下文“系統(tǒng)制冷性能評(píng)價(jià)”部分）。另一方面，在數(shù)據(jù)整理過程中，太陽對(duì)吸附床的加熱作用是以積分形式而不是以其強(qiáng)度形式體現(xiàn)的，因此天氣差別的影響在一定程度上被納入了評(píng)價(jià)體系。在后面的數(shù)據(jù)整理部分會(huì)看到，不同粒徑工況的制冷性能差別明顯。同一種吸附劑材料在接近的天氣條件下的制冷性能，則不會(huì)有明顯的變化，或者說，其變化與吸附劑粒徑所引起的系統(tǒng)性能變化相比要小得多。這一點(diǎn)本文作者課題組在以前的研究過程中已經(jīng)進(jìn)行了證明。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理方法

在吸附式制冷過程中，制冷量可以根據(jù)循環(huán)吸附水蒸氣的質(zhì)量及水蒸氣的汽化潛熱來計(jì)算，并據(jù)此進(jìn)行制冷性能分析。除此之外，制冷量還應(yīng)包括吸附降溫過程中金屬蒸發(fā)器的顯熱變化和蒸發(fā)器中水的顯熱變化。制冷量計(jì)算見式(1)。

式中，為吸附過程中制取的總冷量，kJ；為循環(huán)過程中被吸附的水的質(zhì)量，kg；為水的汽化潛熱，=2450kJ/kg；c、c分別為冷媒水和金屬蒸發(fā)器的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；、分別為循環(huán)結(jié)束時(shí)金屬蒸發(fā)器中剩余水和金屬蒸發(fā)器的質(zhì)量，kg；Δ為蒸發(fā)器與蒸發(fā)器中水對(duì)應(yīng)的溫度降，K。

在預(yù)熱、脫附過程中所需的太陽能輸入量由拋物槽集熱器吸收的太陽直射輻射提供。該吸附床在整個(gè)循環(huán)中需要的太陽能輸入量可由式(2)計(jì)算。

式中，為拋物槽集熱器收光孔面積，2.407m；(t)為瞬時(shí)太陽直射輻射強(qiáng)度，W/m；為真空玻璃-金屬吸附床表面選擇性涂層的吸收率，0.95；為集熱槽反射率，0.7；為玻璃真空管的透射率，0.935；實(shí)驗(yàn)中，使用太陽直射輻射表以Δ時(shí)間間隔測(cè)量太陽直射輻射強(qiáng)度，在所有工況中均取Δ=10s。

單位質(zhì)量吸附劑的制冷功率稱為比制冷功率，通常用SCP 表示，單位為W/kg。它用來衡量一個(gè)制冷設(shè)備的緊湊性和輸出功率大小。本文定義SCP和SCP兩種比制冷功率，其中，SCP為按照吸附時(shí)間定義的比制冷功率，而SCP為按照循環(huán)周期定義的比制冷功率。定義兩種比制冷功率，是為了便于區(qū)分吸附時(shí)段的制冷效果和循環(huán)周期內(nèi)的制冷效果。對(duì)于傳統(tǒng)的壓縮式制冷或者熱電制冷，其制冷過程都是連續(xù)性的，因此SCP的計(jì)算不需要區(qū)分制冷時(shí)段和全周期，但是吸附制冷則不同，它的制冷是間隔性的，循環(huán)周期是由吸附、預(yù)熱、脫附和冷卻四個(gè)過程構(gòu)成的，吸附過程制冷，其他三個(gè)過程不制冷。因此，SCP分別計(jì)算更能反映系統(tǒng)的工作特點(diǎn)。鑒于以上分析，這里的SCP在數(shù)值上總是大于SCP。這兩個(gè)指標(biāo)分別由式(3)和式(4)計(jì)算。

式中，、、和分別代表預(yù)熱時(shí)間、脫附時(shí)間、冷卻時(shí)間和吸附時(shí)間，s；為吸附劑的填充量，kg。衡量制冷系統(tǒng)工作性能的另一個(gè)常用指標(biāo)是制冷系數(shù)（COP），是指系統(tǒng)每單位輸入功耗所獲得的制冷量大小，在太陽能吸附制冷系統(tǒng)中輸入功耗用輸入太陽能加熱量代替。COP是制冷系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，其數(shù)值越大，表明制冷系統(tǒng)的能源利用效率越高。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，COP定義為式(5)。

式中，、是拋物槽集熱器的校正因子?？紤]了實(shí)際拋物面與理想拋物槽的形狀偏差，=0.85。另外，所用拋物槽的設(shè)計(jì)是基于吸附床外部玻璃管的尺寸，而不是內(nèi)部涂有選擇性吸收涂層的金屬管尺寸。因此，拋物槽聚集的陽光有一部分不會(huì)照射到金屬內(nèi)管上，而是直接穿透玻璃管進(jìn)入到環(huán)境中。考慮到這一設(shè)計(jì)缺陷，采用校正太陽能輸入量。由內(nèi)部金屬管直徑=64mm 與外部玻璃管直徑=100mm之比確定，=0.64。

為了正確評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本測(cè)量誤差取決于測(cè)量方法和所用儀器的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的參數(shù)主要有溫度、壓力、質(zhì)量和太陽直射輻射強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中，溫度測(cè)量采用PT100 型熱電阻，在0～200℃范圍內(nèi)，誤差范圍為0.25%。壓力測(cè)量采用T22 型絕壓壓力傳感器，測(cè)量范圍為0～50kPa，誤差范圍為0.1%。實(shí)驗(yàn)中吸附材料與水的質(zhì)量使用ACS-30JZ電子天平測(cè)量，電子天平最大量程為10kg，精度0.01%。另外，太陽直射輻射由DRT-2-2型輻射儀測(cè)量，精度為0.15%。根據(jù)誤差傳遞公式，誤差分析表明太陽能吸附式制冷系統(tǒng)的制冷量誤差范圍為5.98%，COP 的誤差范圍為6.13%，相應(yīng)的，SCP的誤差范圍為6.02%。

3 吸附床動(dòng)態(tài)特性

3.1 吸附過程床內(nèi)傳熱傳質(zhì)特性

吸附過程開始時(shí)，在上一輪冷卻過程的作用下，吸附床內(nèi)為負(fù)壓（約為800Pa），此時(shí)打開吸附床與蒸發(fā)器相連接的閥門，蒸發(fā)器內(nèi)的水瞬間蒸發(fā)，大量涌入吸附床被硅膠顆粒吸附，并產(chǎn)生制冷效果。吸附開始后，床內(nèi)壓力與蒸發(fā)器壓力很快趨于一致，達(dá)到2500Pa 左右。在之后的吸附過程中壓力緩慢增加，但變化不大，如圖5所示。下面重點(diǎn)討論吸附過程中吸附床的溫度變化。

圖5 吸附過程蒸發(fā)器壓力與床內(nèi)壓力變化

吸附過程床內(nèi)三個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線如圖6所示。圖6(a)～(c)依次表示吸附床入口端、中部和末端的溫度情況。圖6(a)和(b)顯示，小粒徑的硅膠材料，在入口端和中部相較于大粒徑硅膠具有更大的吸附量，因?yàn)樾☆w粒工況的溫度崛起最大。但是其較大的傳質(zhì)阻力導(dǎo)致中部的硅膠材料開始吸附的時(shí)間更晚。吸附床前半部的吸附情況，整體上是小粒徑最優(yōu)，而大粒徑最差。但是，結(jié)合圖6(c)所反映的吸附床后半部的情況看，發(fā)現(xiàn)吸附結(jié)果發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，大粒徑硅膠變得最佳，而小粒徑最差。研究過程中當(dāng)然希望吸附床各個(gè)部分的吸附表現(xiàn)都是最佳的，但現(xiàn)在的結(jié)果是，小粒徑硅膠前半部最佳、后半部最差；大粒徑硅膠正好相反。那么究竟應(yīng)該怎樣評(píng)價(jià)其優(yōu)劣呢？這個(gè)問題還需從制冷量和系統(tǒng)性能指標(biāo)上來討論。

圖6 吸附過程不同硅膠粒徑的床溫變化

3.2 預(yù)熱脫附過程床內(nèi)參數(shù)變化

實(shí)驗(yàn)過程中預(yù)熱、脫附過程是依次進(jìn)行的，因此將這兩個(gè)過程放在一起討論。預(yù)熱脫附過程需要利用拋物槽集熱器聚集太陽光加熱吸附床，三種粒徑工況對(duì)應(yīng)的預(yù)熱脫附過程的太陽直射輻射強(qiáng)度比較接近，具體而言，小粒徑工況的太陽直射輻射強(qiáng)度平均值為694.35W/m，中粒徑工況為692.63W/m，大粒徑工況為689.01W/m。預(yù)熱脫附過程中吸附床壓力變化曲線如圖7所示，圖中橫坐標(biāo)的刻度從50min開始，是接續(xù)前述吸附時(shí)間為50min的結(jié)果。預(yù)熱脫附過程三種工況的壓力變化呈現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，這里以大粒徑工況3的結(jié)果為例進(jìn)行分析。在預(yù)熱階段，由于太陽持續(xù)加熱作用，床內(nèi)壓力基本呈現(xiàn)直線上升的趨勢(shì)，加熱33.5min 之后床內(nèi)壓力由2500Pa升至12000Pa左右。預(yù)熱剛開始時(shí)吸附床壓力的小幅下降，是由瞬間切斷閥門之后床內(nèi)吸附仍在繼續(xù)，而太陽加熱量并不能及時(shí)傳入床內(nèi)所導(dǎo)致。吸附床內(nèi)壓力達(dá)到硅膠脫附所需壓力時(shí)（圖中時(shí)間等于83min），打開閥門V1、V3、V4，切換到脫附狀態(tài)的瞬間，在壓力差的作用下高溫水蒸氣從吸附床內(nèi)涌入冷凝器，從而造成吸附床內(nèi)壓力驟降（約降低2200Pa）。隨后，床內(nèi)壓力緩慢降低，直至穩(wěn)定在7500Pa左右，此時(shí)認(rèn)為脫附過程結(jié)束。

圖7 預(yù)熱脫附過程吸附床壓力變化

與圖7 所示的壓力變化相對(duì)應(yīng)，圖8 為預(yù)熱脫附過程吸附床溫度隨時(shí)間的變化曲線（中部測(cè)點(diǎn)2）?？梢钥闯?，圖中73～85min之間溫度出現(xiàn)小幅下降，系由連接閥門V1驟然打開所致，它與圖7中壓力驟降點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。驟降點(diǎn)將升溫曲線分為左右兩部分，左部代表吸附床定容預(yù)熱工況，右部代表準(zhǔn)定壓加熱工況，床內(nèi)水蒸氣邊脫附邊流入冷凝器冷凝。由于定壓過程中系統(tǒng)的比熱大于定容過程的比熱，因此升溫曲線的右半部分斜率較小，說明進(jìn)入脫附階段后，吸附床升溫速率比定容階段要緩慢一些。

圖8 預(yù)熱脫附過程吸附床溫度變化曲線

另一方面，從三種粒徑工況的升溫情況分析，各粒徑工況的升溫曲線有所不同，尤其是小粒徑工況1和大粒徑工況3 的差別明顯。預(yù)熱階段工況1和工況2 升溫接近，工況3 較差。進(jìn)入脫附階段后，三種工況的溫度變化差別越發(fā)明顯，工況1的升溫速度明顯高于其他兩者。這種結(jié)果應(yīng)該是吸附床的表觀熱導(dǎo)率不同所造成的。小粒徑硅膠填充密實(shí)，顆粒之間接觸熱阻小，因此導(dǎo)熱能力強(qiáng)，升溫快；大粒徑硅膠接觸熱阻大，導(dǎo)熱能力差，升溫慢。但是，需要注意的是，吸附床升溫本身不是目的，加熱升溫是為其吸附制冷服務(wù)的。前已述及，小粒徑工況中吸附床后部的材料基本上不參與吸附，未能發(fā)揮其制冷作用，那么，這里所看到的升溫優(yōu)勢(shì)也就不具有積極意義，同時(shí)具備良好的傳熱、傳質(zhì)性能時(shí)，對(duì)于吸附式制冷系統(tǒng)才是最優(yōu)的。雖然圖8是針對(duì)中部測(cè)點(diǎn)2的溫度變化的測(cè)溫結(jié)果，但其他兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度曲線與此大同小異。所謂吸附床的優(yōu)化，就是要找出其合理的形式，使其各部分都能夠充分發(fā)揮作用。如果填充了吸附劑，也經(jīng)歷了加熱、冷卻各過程，但最終材料不參與吸附制冷，顯然這不是研究所需要的。

3.3 冷卻過程床內(nèi)參數(shù)變化

在脫附過程結(jié)束時(shí)，吸附床內(nèi)較高的溫度和壓力不利于直接進(jìn)行吸附過程，需要對(duì)吸附床進(jìn)行冷卻。冷卻過程在吸附床遮陽條件下進(jìn)行，床內(nèi)壓力降低到1000Pa 時(shí)冷卻過程結(jié)束。圖9、圖10 分別為冷卻過程測(cè)點(diǎn)3處床溫和床內(nèi)壓力變化曲線。在冷卻過程開始時(shí)，由于冷卻水溫度和吸附床內(nèi)溫度相差較大，床內(nèi)的溫度和壓力迅速下降。但是隨著時(shí)間的推移，冷卻水與床內(nèi)溫差變小，床內(nèi)溫度和壓力下降速率變緩。大約在冷卻50min之后溫度和壓力曲線開始變得扁平。另外分析圖10中的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)三種工況壓力達(dá)到1000Pa 的時(shí)間有所不同，工況1降到1000Pa用時(shí)121min，而工況2和工況3分別用時(shí)124.5min和130.5min。

圖9 冷卻過程床內(nèi)溫度變化

圖10 冷卻過程床內(nèi)壓力變化

4 系統(tǒng)制冷性能評(píng)價(jià)

本文將三種粒徑工況下各實(shí)驗(yàn)參數(shù)匯總在表2中。可以看出，小粒徑工況1硅膠填充量最多，但是其吸附量和制冷量居中。相比之下，中等粒徑的硅膠在較不利的太陽輻射條件下卻獲得了最大吸附量和制冷量。大粒徑工況雖然消耗了最多的太陽總輻射量，但是只得到了最少的772.24kJ 的總制冷量。據(jù)此計(jì)算出的比制冷功率SCP和制冷系數(shù)COP，也均表明中等粒徑工況的表現(xiàn)最好。由此可見吸附材料的填充量并不是最決定性因素，床內(nèi)空隙率也不是唯一決定因素，真空管式吸附床的工作性能，實(shí)際上是由吸附材料的自身特性、顆粒大小、床的軸向尺寸，以及周期控制策略等諸多因素綜合決定的。所謂的系統(tǒng)優(yōu)化，只能夠在一定的限制條件下進(jìn)行。本文的優(yōu)化結(jié)果，也必須在給定的吸附床結(jié)構(gòu)、給定的過程時(shí)間控制條件下來理解。另一方面，表2中的數(shù)據(jù)是單個(gè)吸附床、在單個(gè)制冷周期的優(yōu)化結(jié)果，如果改為雙床或多床，或者按照一天中太陽能利用率最大化的原則來優(yōu)化，結(jié)論很可能就會(huì)不同。

表2 三種粒徑硅膠的系統(tǒng)制冷性能

根據(jù)表2 中SCP的結(jié)果，顯然是大粒徑工況3的數(shù)據(jù)最好，達(dá)到了73.34W/kg。這個(gè)結(jié)果說明，如果單按照吸附時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)制冷能力而言，大粒徑工況是最好的，所有填充的吸附劑都最大限度地發(fā)揮了吸附制冷作用。但是，SCP掩蓋了大粒徑硅膠預(yù)熱時(shí)間、脫附時(shí)間和冷卻時(shí)間都比較長(zhǎng)的不利的一面，因此這是一種片面的衡量標(biāo)準(zhǔn)。一旦從系統(tǒng)的投入產(chǎn)出比來整體衡量，大粒徑工況的劣勢(shì)就顯現(xiàn)出來。從COP看，工況3的數(shù)值明顯低于其他兩個(gè)工況。對(duì)于太陽能熱力系統(tǒng)而言，熱轉(zhuǎn)換系數(shù)和比功率同樣重要，前者代表裝置的科學(xué)完善性，而后者代表其緊湊性，兩者互為表里。一個(gè)熱力裝置，如果它工作性能好，而且體型也小，那么它就是更好的。

5 結(jié)論

本文討論了采用以拋物槽集熱器聚集太陽光作為驅(qū)動(dòng)熱源，玻璃-金屬真空管作為吸附床，硅膠-水為工質(zhì)對(duì)的太陽能吸附式制冷系統(tǒng)的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果。按填充硅膠顆粒的平均粒徑不同，設(shè)計(jì)三種實(shí)驗(yàn)工況，即粒徑分別為1mm、3mm、5mm，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析不同粒徑的硅膠材料對(duì)吸附床傳熱傳質(zhì)特性及系統(tǒng)制冷能力的影響。實(shí)驗(yàn)過程中控制三種工況吸附時(shí)間一致為50min，其余過程均按照其自身運(yùn)轉(zhuǎn)所需參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）粒徑的減小雖然增加了硅膠顆粒在床內(nèi)的填充量，但與此同時(shí)也帶來了較大的傳質(zhì)阻力，造成了床內(nèi)吸附量的不均勻分布，導(dǎo)致其吸附量并非是最可觀的，反觀粒徑中等的工況2吸附量、COP和SCP均最大。而粒徑最大的工況3，因其填充量過小，吸附量和制冷量在三者中最小。

（2）粒徑的大小對(duì)系統(tǒng)的傳熱性能有著較大的影響。吸附劑粒徑越小，硅膠顆粒間的接觸熱阻也越小，吸附床內(nèi)綜合的導(dǎo)熱性能便越強(qiáng)，預(yù)熱脫附、冷卻過程所需要的時(shí)間就越短。但是，太陽能吸附制冷系統(tǒng)并不是由系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能單一決定的，必須將吸附床的動(dòng)態(tài)傳熱能力和傳質(zhì)能力統(tǒng)籌考慮才有實(shí)際意義。