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摘要：本文在以氯化鈣－氨為工質(zhì)對(duì)的兩床吸附式循環(huán)制冷系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中床內(nèi)壓力、電加熱器功率的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析，并研究了不同的熱源溫度下吸附制冷性能參數(shù)(制冷量Qeva、COP)的變化。所得結(jié)果可為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究和工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：氯化鈣－氨化學(xué)吸附制冷性能

0前言

20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著常規(guī)能源消耗的劇增、環(huán)境污染的加劇，人們對(duì)能源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)引起廣泛的關(guān)注。其中，固體吸附制冷技術(shù)因其無(wú)大氣污染、能利用低品位熱源等優(yōu)點(diǎn)迎合了這種節(jié)能和環(huán)保的趨勢(shì)，并且引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣。從目前國(guó)內(nèi)外對(duì)吸附制冷研究的現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)吸附制冷的研究主要集中在工質(zhì)對(duì)的選擇及其性能的分析[1]、高效吸附式熱力系統(tǒng)的研究以及吸附床內(nèi)傳熱傳質(zhì)的研究[2][3]等幾個(gè)方面。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在化學(xué)吸附制冷方面也進(jìn)行了相關(guān)的研究工作[4-7]，但其實(shí)驗(yàn)裝置大多采用間歇式制冷的方式。本文建立了一套以氯化鈣－氨為工質(zhì)對(duì)的兩床連續(xù)循環(huán)吸附制冷系統(tǒng)，并對(duì)其制冷性能進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)研究，為進(jìn)一步的理論研究和工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

本文所建立的氯化鈣－氨吸附式制冷實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由吸附/解吸床、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、電加熱器、冷卻風(fēng)機(jī)以及相應(yīng)的連接管道和閥門(mén)等組成。吸附床采用殼管式換熱器的形式，管子采用翅片管，冷卻空氣或熱空氣（或煙氣）從管內(nèi)流過(guò)，殼程充填氯化鈣，以對(duì)氨進(jìn)行吸附或脫附。冷凝器為套管式水冷冷凝器，蒸發(fā)器采用盤(pán)管形式浸沒(méi)在鹽水箱中。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用攪拌器不停攪拌鹽水，以增強(qiáng)換熱，并使箱內(nèi)水溫均勻。

圖1氯化鈣－氨吸附式制冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中(假定實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)床1為解吸床，床2為吸附床)，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究要求的熱源溫度設(shè)定好電加熱器上的溫度值，利用電加熱器加熱后的高溫模擬氣體(高溫空氣)加熱床1，此時(shí)閥門(mén)V1和V3開(kāi)啟，V2和V4關(guān)閉，同時(shí)閥門(mén)A、C關(guān)閉，閥門(mén)B、D開(kāi)啟；當(dāng)床1加熱到床內(nèi)的壓力等于或稍高于冷凝壓力Pc后，開(kāi)啟閥門(mén)4讓解吸出來(lái)的制冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器中冷卻，而電熱器繼續(xù)加熱床1進(jìn)行解吸，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)等壓解吸過(guò)程；與此同時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)對(duì)床2進(jìn)行冷卻實(shí)現(xiàn)吸附過(guò)程，當(dāng)床2中的壓力等于或稍低于蒸發(fā)壓力Pe，開(kāi)啟閥門(mén)2讓節(jié)流后的制冷劑實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)制冷過(guò)程，并且吸附制冷過(guò)程中冷風(fēng)機(jī)一直冷卻吸附床2保持床體的壓力在Pe左右，這樣就實(shí)現(xiàn)了等壓吸附過(guò)程。

等前半個(gè)循環(huán)周期結(jié)束后，即床1解吸完畢，床2吸附飽和時(shí)，準(zhǔn)備切換兩床的狀態(tài)，先關(guān)閉閥門(mén)1～4，然后開(kāi)啟閥門(mén)A、C和V2、V4，同時(shí)關(guān)閉B、D和V1、V3，使原來(lái)處于解吸狀態(tài)的床1切換為吸附狀態(tài)，床2切換為解吸狀態(tài)。分別對(duì)兩床進(jìn)行預(yù)熱和預(yù)冷，當(dāng)床2和床1的壓力分別達(dá)到Pc和Pe后，開(kāi)啟閥門(mén)1、3，同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)2、4來(lái)實(shí)現(xiàn)等壓解吸和吸附過(guò)程，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)連續(xù)循環(huán)周期。

實(shí)驗(yàn)中回質(zhì)過(guò)程為：在前半個(gè)循環(huán)周期將要結(jié)束，準(zhǔn)備切換兩床的狀態(tài)前，開(kāi)啟閥門(mén)V0一定的時(shí)間(實(shí)驗(yàn)研究中一般都是幾十妙)，使兩個(gè)床體直接連接，從而實(shí)現(xiàn)了回質(zhì)過(guò)程。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程中床內(nèi)壓力的動(dòng)態(tài)變化

圖2和圖3為環(huán)境溫度T0＝30℃、循環(huán)時(shí)間tcycle＝8h、回質(zhì)時(shí)間tmc＝35s的條件下，熱源溫度Th不同時(shí)，床內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化。從圖2和圖3中可見(jiàn)，剛打開(kāi)閥門(mén)制冷時(shí)床內(nèi)壓力有個(gè)突降的過(guò)程，主要是因?yàn)榇藭r(shí)床內(nèi)解吸出來(lái)的制冷劑比較多，很快進(jìn)入到冷凝器中進(jìn)行冷卻，使床內(nèi)的壓力出現(xiàn)了突降的過(guò)程。隨后加熱解吸出來(lái)的制冷劑的量基本上達(dá)到穩(wěn)定，同時(shí)冷卻吸附的制冷劑也達(dá)到了穩(wěn)定，過(guò)程表現(xiàn)為等壓解吸和等壓吸附。

圖2Th＝110℃時(shí)，床內(nèi)壓力的變化

圖3Th＝130℃時(shí)，床內(nèi)壓力的變化

2.2瞬時(shí)加熱功率的動(dòng)態(tài)變化

圖4和圖5為T(mén)0＝30℃、tcycle＝8h、tmc＝35s的實(shí)驗(yàn)條件下，熱源溫度Th不同時(shí)，瞬時(shí)加熱功率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。從圖中可見(jiàn)，熱源溫度分別為110℃、130℃時(shí)，在吸附制冷階段，瞬時(shí)加熱功率值Wh分別在7kW和9kW左右波動(dòng)。所以從上面的分析可知：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的制冷階段，瞬時(shí)加熱功率值基本平穩(wěn)，有利于制冷劑的解吸和整個(gè)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定。

2.3不同熱源溫度下系統(tǒng)性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化

圖6和圖7為T(mén)0＝30℃、tcycle＝8h、tmc＝35s時(shí)，不同的熱源溫度下，系統(tǒng)制冷量Qeva和COP隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖中可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的初始預(yù)冷和預(yù)熱階段，沒(méi)有制冷劑參加制冷循環(huán)，因此此時(shí)的制冷量和COP為零。當(dāng)t=80min初始預(yù)冷和預(yù)熱階段結(jié)束后，開(kāi)啟閥門(mén)進(jìn)行制冷，制冷量Qeva和COP隨時(shí)間基本呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)；當(dāng)前半個(gè)周期結(jié)束(t=240min)后，切換兩床的狀態(tài)進(jìn)行再預(yù)熱和預(yù)冷，因此時(shí)沒(méi)有制冷劑參加制冷循環(huán)，制冷量的變化在圖示中基本保持不變，而制冷性能系數(shù)COP值呈下降的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)閷?duì)床體的預(yù)熱使加熱量一直增加，從而造成COP的下降。再預(yù)熱和預(yù)冷階段結(jié)束后，又打開(kāi)閥門(mén)制冷，制冷量Qeva和COP值隨著時(shí)間的增加又開(kāi)始線(xiàn)性增加。

從圖6和圖7中可以看出，在130℃較高的熱源溫度時(shí)，系統(tǒng)解吸出來(lái)的制冷劑氨比110℃的熱源溫度條件下要多，其制冷量表現(xiàn)為較大。但由于較高的熱源溫度所消耗的加熱量相應(yīng)的增大較快，所以最終系統(tǒng)的COP表現(xiàn)為較小。因此，我們可以這樣認(rèn)為，熱源溫度的提高有利于提高系統(tǒng)的制冷量，但對(duì)COP來(lái)說(shuō)，理論上存在一個(gè)最佳的熱源溫度范圍。

圖6制冷量Qeva隨時(shí)間變化關(guān)系

圖7制冷系數(shù)COP隨時(shí)間變化關(guān)系

3結(jié)論

本文對(duì)吸附制冷實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的床內(nèi)壓力、瞬時(shí)加熱功率的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)過(guò)程基本上按等壓解吸和等壓吸附進(jìn)行的，另外還對(duì)不同的熱源溫度下吸附制冷系統(tǒng)性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。本文所得到的結(jié)果可為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供理論上的指導(dǎo)。

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