一种新型太阳能吸附式制冷系统的设计及性能模拟

第56卷　第5期 化 工 学 报 Vol 156　No 15　2005年5月 Journal of Chemical Industry and Engineering (China ) May 2005研究论文一种新型太阳能吸附式制冷系统的设计及性能模拟刘艳玲,王如竹,夏再忠(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200030)摘要:为了解决传统的双床连续吸附制冷系统中因在制冷剂环路使用真空挡板阀而存在的制冷剂压降的问题,使吸附式制冷系统更适合于应用太阳能,提出了利用硅胶2水作为吸附工质对的新型太阳能制冷系统.系统热源由40m 2的热管式真空管集热器提供,制冷机为特殊设计的吸附制冷系统,在上海典型日照条件下该系统可以较为稳定地提供5～8kW 的制冷量,系统COP 达012以上.通过对系统的动态模拟和理论分析,证实了以硅胶2水为工质对的吸附式系统更适合利用太阳能,研究结果为进一步实验和改进系统性能提供理论指导.关键词:太阳能;吸附式制冷;回热;回质中图分类号:T K 172 文献标识码:A 文章编号:0438-1157(2005)05-0791-05De sign and p erformance simulation of continuous solarpowered adsorption air conditioning systemLI U Y anling ,WANG Ruzhu ,XI A Zaizhong(I nstitute of Ref ri geration and Cryogenics Engineering ,S hanghai J iao Tong Universit y ,S hanghai 200030,China )Abstract :This paper present s t he simulation of a solar 2powered continuous adsorption air 2conditioning system wit h t he working pair of silica gel and water.In order to make t he adsorption system more suitable to using solar energy for cooling co ntinuously during daytime ,a new adsorption system wit hout refrigerant valves was developed in S J TU recently.By using t his system ,such p roblem as pressure drop along ref rigerant circuit could be resolved.The f requent switches of refrigerant valves could also be eliminated.The daytime simulation result s (f rom 6:00AM to 18:00)demonst rated t hat by using 40m 2solar collector area ,t he adsorption system could supply a fairly steady cooling outp ut about 5—8kW wit h system CO P over 012all t he time.Based on t he result s ,paramet ric st udy was also made to optimize t he design.The simulation result s and t heoretical analysis could p rovide guidance for practical work.Key words :solar energy ;adsorption ref rigeration ;heat recovery ;mass recovery 2004-03-09收到初稿,2004-06-11收到修改稿.联系人及第一作者:刘艳玲(1975—),女,博士研究生.基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G2000026309)及国家杰出青年科学基金项目(50225621).引　言作为清洁的可再生能源,太阳能正日益受到重视.作为利用太阳能最成熟的实例,太阳能供热水系统正越来越多地得到应用,而多数集热器仅用于在冬季供暖或提供生活热水,在太阳辐照最强的夏 Received date :2004-03-09.Corresponding author :L IU Yanling ,PhD candidate.E -mail :yanlingliu @vip 1citiz 1netFoundation item :supported by t he State Key DevelopmentProgram for Basic Research of China (G2000026309)and t he Science Funds for Oustanding Y oung Researchers from t he National Natural Science Foundation of China (50225621).季则闲置不用.太阳能制冷则可以使集热器在夏天亦得到应用,提高系统的利用率,更因其热量的供给和冷量的需求在季节上和数量上的高度匹配而受到普遍的重视[1].作为一种不采用氟里昂制冷剂的制冷技术,太阳能固体吸附式制冷成为制冷界研究的热门之一,而现有的太阳能吸附式制冷系统采用将太阳能集热器和吸附床相结合的技术[2～7],多为间歇工作模式,不能连续制冷.实际上,小型太阳能吸附式连续制冷系统(3～10kW)因能够充分利用低品位能源而比太阳能吸收式系统更具潜力.本文设计并研制了以硅胶2水为吸附工质对的利用热管式真空管集热器的太阳能吸附式连续制冷系统.其中吸附式制冷机区别于传统的吸附式制冷机,为特殊设计的,具有回热、回质作用,以更适合太阳能的利用.在利用甲醇和水作为制冷剂的真空吸附式制冷系统中,为了使实际循环更接近于理想循环,需要在制冷剂回路使用4个真空挡板阀,在运行的过程中,除了要频繁地切换阀门之外,还会造成制冷剂流动的压力损失,加大传质阻力,致使解吸或吸附速率降低,不利于实际循环.在该系统中,吸附床、冷凝器和蒸发器同处于一个真空腔中构成一个单床吸附式制冷单元,其间压力相通,不采用任何阀门.两个相同的单元交替工作,提高连续的冷量.本文给出了系统的数学模型和理论分析结果,为系统的实际运行提供有益指导.1　系统设计和工作原理系统热源由集热器提供,采用一蓄热水箱以稳定热源的温度,在水箱的供热水侧附带一辅助热源AU,与水箱采用并联,在机组切换到辅助热源时,辅助热源只要对管路中的水进行加热即可.吸附床、冷凝器和蒸发器均采用板翅式换热器,以增强换热效果,缩短循环周期.根据吸附方程X eq=f(T bed,p bed)吸附量为吸附床温度和压力的函数,吸附床温度或压力的改变都会导致吸附或解吸的发生.系统循环主要包括3个过程:吸附床回热过程、解吸/吸附过程和回质过程.各过程如图1～图3所示,图中AU表示辅助热源,BA表示吸附床A,CA表示冷凝器A,EA表示蒸发器A,BB表示吸附床B, CB表示冷凝器B,EB表示蒸发器B.Fig11　Heat recovery process(1)回热过程　在对床A进行加热以前,因床B刚完成解吸过程,将冷却水接入床B,将床B 排出的热水接入床A,实现短暂的热量回收过程(见图1).对于吸附床来说,此过程为升温升压解吸过程.对于床B,由于床温降低,吸附过程开始进行,为降温、降压吸附过程.(2)解吸/吸附过程　通过阀门切换,将热水接入床A,床A温度升高,继续进行解吸,而床B 继续进行吸附(见图2).Fig12　Adsorption/desorption process(3)回质过程　热水和冷却水的方向不变,两个蒸发器中水的循环发生了变化,即冷冻水直接在两个蒸发器之间循环,使两个蒸发器发生热量交换而温度达到一致(见图3).对于床A,由于蒸发器压力降低(蒸发器温度降低),解吸过程将继续进行,直到达到新的平衡;对于床B,由于蒸发器中压力升高,吸附过程将继续进行,此过程的最终目的是床A多解吸出制冷剂,而床B多吸附制冷剂,类似传统系统中进行的回质过程[8].2　系统模拟系统模型的建立主要围绕系统的主要部件分为・297・化 工 学 报 第56卷　Fig 13　Mass recovery process3个部分:太阳能集热器、热水箱和吸附式制冷机.211　集热器循环系统使用热管式真空管集热器,利用Hottel和Whillier [9]所建立的集热器模型,基本方程为Q U =F R A C [S -U L (T CI -T a )](1)集热器循环水泵采用启停控制,这种控制方式采用在集热水箱底部和靠近集热器出口的地方设置两个温度传感器.当循环泵运行时,集热水箱最底部温度为水泵的进口(即集热器进口)温度;当水泵停止运行时,集热器出口温度可以代表集热板温度.当集热板温度与集热器进口温度的差值大于设定的启动温差ΔT on 时,集热器循环水泵开启;当集热板温度与集热器进口温度的差值小于设定的停止温差ΔT off 时,循环水泵停止循环,直到温差满足启动温差才再次启动.根据文献[10],循环水泵停止温差ΔT off 应满足下列关系ΔT off ≤A C F R U Lm ・C c pΔT on (2)否则,将会因泵的频繁启停而使系统不稳定.212　水箱模型水箱中的水存在明显的分层现象,水箱上部的水温总是比下部的水温高.根据文献[10],可以把水箱由上至下分为N 层,写出每层的能量平衡方程,通过求解一系列的差分方程即可以得到水箱中的温度分布情况. 水箱中i 层水的能量平衡方程可以表示为m id T s ,id t=UA c pi(T ′a -T s ,i )+F C i m ・C (T CO -T s ,i )+F L i m ・L (T LR -T s ,i )+ m ・m ,i (T s ,i -1-T s ,i )　(m ・m ,i >0)m ・m ,i +1(T s ,i -T s ,i +1)　(m ・m ,i +1>0)(3)方程右边第1项为水箱i 层与环境的换热项;第2项为来自集热器的水如果进入i 层,与i 层水的换热项,函数F Ci 用来描述水箱的哪一层接受集热器的出水;第3项为来自制冷机的回水如果进入i层,与i 层水的换热项,函数F Li 用来描述水箱的哪一层接受制冷机的回水;最后一项为i 层与i -1层的对流水量引起的能量交换.从i -1层至i 层的对流水量主要由水箱中集热器的出水函数F C i 和制冷机的回水函数F Li 决定m ・m ,1=0m ・m ,i =m ・C ∑i -1j =1FC j-m ・L∑Nj =i +1FL jm ・m ,N +1=0(4)213　制冷机模型针对该吸附式制冷机组建立制冷机组的数学模型,因篇幅关系,此处不再赘述.表1给出了机组性能模拟的结果.可以看出,机组的性能与冷却水的进口温度有很大关系.当冷却水温度为30℃时,热水温度低于70℃时机组的性能就会很差;当冷却水温度为25℃时,热水温度低至60℃时仍然有417kW 的制冷量.为了使机组在一天当中能够提供较为稳定的制冷量,热水的温度定为75℃左右.3　模拟结果与讨论一套用于粮仓保温的太阳能吸附式空调系统正在上海交通大学制冷与低温工程研究所进行研制.该系统使用40m 2的热管式真空管集热器,蓄热水箱的体积为118m 3,系统设计制冷量为5kW.辅助热源的温度设为75℃,与水箱并联.T able 1　Simulation results of chiller ’s performanceWorking conditionsHot water temperature/℃Cooling capacity/kWCOP cooling water inlet temperature :30℃/25℃907192/1014901457/01516806125/819801458/0150chilled water inlet temperature :10℃75513/81070141/01488704119/710401373/01472chilled water outlet temperature :7℃601195/41720127/01417・397・　第5期 刘艳玲等:一种新型太阳能吸附式制冷系统的设计及性能模拟 模拟过程建立在气象数据的基础上,通过求解所建立的数学模型,可得到一整天(6:00～18:00)中系统运行的状况,循环迭代步长以秒为单位.图4给出了一天中制冷机的输入能量和制冷量的变化曲线.开始时,由于使用辅助热源,能量输入和制冷量输出均为一定值.由于太阳能热水的接入,使制冷量和加热量均增大,其变化趋势与太阳辐射强度的变化相一致.可以看出,制冷量的输出在早、晚较小,中午最大,其变化趋势符合制冷负荷的变化趋势,在一天中可以较为稳定地提供5～8kW 的冷量.图5给出了集热效率、制冷机效率和系统总效率随时间的变化曲线.3条曲线的起止时间不同.早上,在集热器循环启动一段时间后,水箱才开始启动向制冷机供水;下午,集热器停止工作后,水箱由于有蓄热,仍然可以向制冷机供水,当温度降至72℃以下才使用辅助热源.其中,机组的CO P 曲线在两个切换点处均有突降点,前一个突降点是因为在使用太阳能时加入量和制冷量均突然增加,而前者比后者增加的幅度大(见图4);后一个突降点是因为热源温度在没有集热器集热的情况下持续降低,导致CO P 一直减小.从图5可以看出,系统总的CO P 在012以上.Fig 14　Energy input and cooling outputFig 15　Solar collector efficiency and COP太阳能集热器的面积是太阳能应用中最为关键的因素,它决定系统初投资的大小以及系统的性Fig 16　Cooling capacity influenced by collector area能.通常,在能够保证制冷量的前提下,应尽可能减小集热器的面积,以降低初投资.图6给出了集热器面积对制冷量的影响曲线.其中,曲线1表示集热器面积为50m 2,相应的水箱容积为217m 3;曲线2表示集热器面积为40m 2,相应的水箱容积为118m 3;曲线3表示集热器面积为30m 2,相应的水箱容积为019m 3;曲线4表示集热器面积为20m 2,相应的水箱容积为016m 3.可以看出,集热器面积越大,系统利用太阳能的时间就越长,制冷量也越大.过小的集热面积会导致系统频繁地在太阳能和辅助热源之间切换,使系统不能稳定运行.综合以上分析,需要提供5～8kW 制冷量的前提下,最佳的集热器面积和水箱容积应分别为40m 2和118m 3.4　结　论设计了一种新型的太阳能吸附式连续制冷系统,该系统将用来为一空调负荷为5kW 左右的粮仓提供冷量.通过对系统的动态模拟和理论分析,可以得到以下结论.(1)该吸附式制冷机可以解决传统的系统中由于在制冷剂管路使用真空挡板阀而导致的压降问题,并可以避免在使用过程中制冷剂阀门的频繁切换,更适合于太阳能的利用.(2)本系统采用硅胶2水作为吸附工质对,可以利用75℃左右的热水.在设定最低驱动温度为72℃的情况下,系统可以较为稳定地输出5～8kW 的制冷量,系统COP 在012以上.(3)在系统设计过程中,尤其要注意集热器面积和水箱容积的确定.对于该保温项目,在制冷量为5kW 左右的前提下,系统集热面积和水箱容积应分别为40m 2和118m 3.符　号　说　明 A ———i 层水的传热面积,m 2・497・化 工 学 报 第56卷　A C———集热面积,m2c p———系统工质比定压热容,kJ・kg-1・K-1F R———集热器热转移因子m・C———集热器循环水质量流量,kg・s-1m i———i层水质量,kgm・L———制冷机侧供水质量流量,kg・s-1m・m———对流水质量流量,kg・s-1p bed———吸附床压力,PaQ U———集热器效率,W・K-1S———太阳辐射强度,W・m-2・K-1T a———空气温度,℃T bed———吸附床温度,KT CI———集热器进口温度,℃T CO———集热器出水温度,℃T LR———制冷机侧回水温度,℃T s,i———集热水箱中i层水温,℃ΔT off———关闭水箱的温差,℃ΔT on———启动水箱的温差,℃t———时间,sU———i层水换热的传热系数,kW・m-2・K-1U L———总热损失系数X eq———平衡吸附量,kg water・(kg silica gel)-1 References[1]　Wang Ruzhu(王如竹),Wu Jingyi(吴静怡),Dai Yanjue(代彦军).Adsorption Refrigeration(吸附式制冷).Beijing:China Mechanical Industry Press,2002[2]　Tchernev D I1Exploration of molecular sieve zeolites forcooling of buildings wit h solar energy1Final Report,NSF/RA2770017,1997[3]　Pons M,Guilleminot J J1Design of an experimental solar2powered,solid2adsorption ice maker1A S M E J ournal ofS olar Energ y Engi neeri ng,1986,108:332—337[4]　Grenier Ph,Guilleminot J J1Design of an experimentalsolar2powered,solid2adsorption cold store.A S M E S olarEnergy Engineering,1988,110:192—197[5]　Tan Y ingke(谭盈科),Feng Y i(冯毅),Cui Naiying(崔乃瑛).Study on an adsorption solar ice2maker.A ct aEnergiae S olaris S inica(太阳能学报),1992,13(3):255—258[6]　Li Zhongfu(李中付),Huang Zhicheng(黄志成),LiuGuoxin(刘国新).Experimental study on a solar 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