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1、- 0 -太阳能固体吸附式制冷装置吸附床的改进与设计太阳能固体吸附式制冷装置吸附床的改进与设计摘摘 要：要：本文对传统的吸附床结构作了全新的改进和设计，并采用铝-铝复合吹胀的高新技术对其进行改进加工。在建立吸附床模型的基础上，通过对比分析太阳能固体吸附式制冷系统中吸附床的传热强化的措施和方法，并且在综合前人吸附床研究的基础之上，提出了一种新型结构的吸附床的设计理念。模拟实验表明该吸附床可获得较为理想的制冷效果。关键词：关键词：太阳能；固体吸附；吸附制冷；强化传热；吸附床 Improvement and Design on Adsorbent Bed for Solar Solid Adsorp
2、tion Refrigeration DeviceAbstract： In this paper, the adsorption bed structure of traditional design and improvement of brand new, and blew up the aluminum - aluminum composite high and new technology to improve processing. On the basis of the model of adsorption bed, several techniques to intensify
3、 the transfer of adsorbent bed are described and analysised. Based on summing up research productions of predecessors, a new type structure design scheme of adsorbent bed is brought forward and its characteristic is analyzed. Simulation experiment indicated that the adsorbent bed can achieve prefect
4、 refrigeration effect.Key words： solar energy; solid adsorption; adsorption refrigeration; heat transfer enchancement; adsorbent bed 0 引引 言言目前世界范围内人类不得不面对能源和环境污染两大问题。因此固体吸附式制冷技术又重新得到科研工作者的重视。吸附式制冷装置基本包括吸附床、冷凝器、蒸发器和节流阀四大部件。它与一般的制冷装置的区别在于用吸附床代替了制冷压缩机，在装置中起到核心的作用。但系统由于吸附特性的要求，需要处于真空状态。装置其它部件的密封性能都好解决，而
5、要解决吸附床的密封性就有一定的难度。在利用太阳能为热源的固体吸附式制冷装置方面，国内外都有过实验装置。1978 年，美国的 D . I . Tchemev 研制的间歇式太- 1 -阳能天然沸石制冷装置的吸附床单元的结构是扁方的金属盒，盒内有蜂窝状结构。这种结构的缺点是：一方面由于吸附层的厚度大而影响了传热效果，使得脱附阶段的发生不彻底；另一方面是吸附床的承压能力差而导致系统的泄漏，从而影响了循环的动力，使吸附阶段的吸附不彻底。这两个缺点的存在使整个系统的制冷循环完成得不够理想。法国的 M . Pons 和 J. J. Guilleminot 又于 1983 年研制成功太阳能活性炭/甲醇制冰机。
6、这种装置在 D . I . Tchemev 的吸附床的基础上做了改进。它的吸附床的结构是在金属扁盒内加入了加强肋，这种肋既起到了强化传热的肋片作用，又起到了加强吸附床的承压能力作用，但是仍存在泄漏问题。1990 年，中国科学院广州能源研究所的李中付等人实验成功太阳能固体吸附式制冰循环。其采用的工质是活性炭/甲醇，在日辐射总量是 1719MJ/m2的条件下，集热器的吸热板的最高温度可达 7582。由于太阳能固体吸附制冷循环的性能取决于两个因素，即吸附床的集热能力和吸附床的吸附和脱附能力，而前者对后者也有一定的确定性。从上述数据可见它的吸附床的集热性能也不是很理想，因此整体效果并不理想。在此基础上
7、，我们采用新的加工方法一铝铝复合吹胀技术，研制了太阳能间歇式沸石制冷装置，此种方法解决了太阳能固体吸附式制冷装置长期存在的泄漏问题。为提高集热效率和制冷量，本文在此基础上，对吸附床的结构进一步优化。 吸附式制冷和压缩式制冷最显著的区别是在吸附式制冷循环中以吸附床代替了压缩机，因而，吸附床是影响吸附制冷系统的最关键部件。吸附床由吸附剂（如活性炭、沸石分子筛等）填充在一定形状的金属壳体内构成，其性能的优劣主要由传热传质的特性决定，即要求吸附床在加热解吸过程中能尽快地将外界加给系统的能量传递给吸附剂，使其能脱附出制冷剂；在冷却吸附过程中，应使吸附床尽快将所吸收的能量释放，以便使吸附剂吸附制冷剂而产生
8、制冷效果，所以吸附床性能的改进与吸附床的传热传质的性能密切相关。因此，要提高吸附式制冷系统的性能，就要强化系统，尤其是吸附床的传热与传质，因为吸附床是优化系统的基础。1 吸附床的结构改进吸附床的结构改进如何解决吸附床的泄漏问题是固体吸附式制冷系统的关键。最简单的吸附床结构所示，它是一个扁的金属盒。这种结构的最大缺点是在负压条件下，金属盒的上、下表面的承压能力非常小，致使金属盒变形，甚至导致泄漏；另外的一大缺点是由于固体吸附剂本身固有的导热系数小，并且吸附层的厚度大，使得吸附床达到平衡的时间较长。法国的 J . J . Guilleminot 和 F . Meunier 等人所使用的吸附床的结构
9、(图 2)是对图 1 的改进，即在扁金属盒内加了许多翅片，这些翅片不仅起到了加强筋的作用，即增加了上、下表面的承压能力，- 2 -同时也改善了传热效果。但是它仍然不能解决吸附床的泄漏问题。 图 1 扁金属盒状固体吸附床结构 图 2 加翅片扁金属盒固体吸附床结构为了解决泄漏和传热问题，本文对吸附床作了全新的改进。类似于平板集热器的吸热板的吸附床的结构也可以做成多管组合式和单管式两种，但是对于多管组合式的吸附床来说，固体吸附剂的管道与集热板的接合方法有多种，如图 3，(a)是用滚压接合法把两者连成一体；(b)是在两块金属板上制成波纹形凹凸，合并后将接触部分焊接起来；(c)是在集热板上制成镶嵌管道的
10、的半圆形凹槽，然后用粘结材料粘结起来；(d)是将管道放在平的集热板上，然后对接触部分进行软钎焊或锡焊。这四种方法的缺点是焊点太多，这不仅会增加泄漏的几率，也大大地增加了接触热阻。图 3 多管组合式吸附床的管道与集热板的接合方法全新的吸附床的结构如图 4 所示。 - 3 -图 4 沸石吸附床的横截面图此吸附床由七部分组成：吸附剂通道、导汽管、连通管、分集汽管道、制冷剂蒸汽进、出口管，冷却盒底板及冷却水进、出口管。导汽管的作用有两个：一是在吸附阶段，当制冷剂蒸汽从制冷剂蒸汽进口管进人分汽管道后，将大部分制冷剂蒸汽运输到沸石通道的靠近制冷剂出口管的地方，使较长通道内的沸石吸附均匀，并缩短吸附时间；二
11、是在脱附阶段，当通道内的沸石脱附制冷剂蒸汽时，使制冷剂蒸汽能直接从连通管进人导汽管，从而进人制冷剂蒸汽集汽管，然后经过制冷剂蒸汽出口管进人冷凝器，这样就避免了脱附出来的蒸汽再经过沸石通道而阻碍通道上部的沸石进行脱附，同时也减小了蒸汽的流动阻力。连通管是位于沸石通道和导汽管之间的横向管道，它的作用是把沸石通道与导汽管连接起来。因为固体吸附剂在吸附吸附质(制冷剂)时释放吸附热，所以在吸附阶段，吸附剂的温度会随之升高。由杜比宁吸附理论可知，吸附剂对吸附质的吸附量只取决于吸附剂本身所处的平衡状态，平衡状态的指标是压力 P 和温度 T，温度越低，吸附量越大。因此需要在吸附阶段对吸附剂进行冷却，以降低吸附
12、剂的温度，从而提高吸附量。冷却盒底板位于集热板的底部，它与集热板之间形成了一定的空间，允许冷却水流过，从而对吸附阶段的沸石进行冷却。在图 4 中，在吸附床的下面焊了一块厚度为 0.8mm 的铝板，此板上有冷却水进、出口管道，它的作用是在吸附阶段对吸附床进行冷却，在脱附阶段虽然有一些损失，但在不需要制冷的时候，吸附床集热器可以充当热水集热器，产出热水。该吸附床的加工工艺是利用铝铝复合吹胀高新技术来加工的。它是由两块铝板复合并吹胀而成型。它的特点是沸石管道与集热板一体化，并且整个吸附床与上、下集汽管、分汽管连成一体，这样既减小了接触热阻，提高了吸热效率;又由于铝与铝是复合在一起的，吸附剂管道是经过
13、高压吹胀而成，因此即使在较低的负压的条件下，通道管壁也有一定的承压能力，以及焊点的减少都降低了泄漏概率，使系统能保持一定的真空度。2 吸附床的传热强化吸附床的传热强化吸附式制冷循环是一个传热过程，通过热量和质量的交换而完成。吸附量的大小、吸附速度的高低直接影响装置的制冷性能。吸附式制冷装置的核心是装填着固体吸附剂的吸附床。固体吸附剂的传热性能很差，而且与装填状况及设备结构有很大关系。CaCI2吸附剂的导热系数约为 0.10.2W/(mK)，分子筛导热系数约为 0. 010. 1 W/(mK)，接近隔热材料的导热系数。对于活性炭一甲醇工质对，加热 4h 后，吸附床壁面与活性炭之间的温差仍高达 2
14、5K。因此，强化传热特性是提高整机性能的主要手段。- 4 -强化吸附床传热的方法主要分为三大类：第一类是对吸附床中吸附剂进行物化处理，从而强化床层的传热传质过程；第二类是从制冷循环的改进来实现强化传热；第三类是结构法，即采用高效传热结构来强化传热。这三类强化传热方法的对比比较分析如表 1 所示。表 1 吸附床强化传热方法对比分析强化传热方法描 述强化效果吸附剂物化处理法在吸附剂中掺和一些具有良好导热性能的无机或有机材料，调整吸附床内吸附剂颗粒的粒度分布情况，或是对吸附剂进行固化、压缩及其他的处理方法。可分为添加法和固化法主要是提高吸附剂的传热系数入入，但传热系数入入增加的幅度随着处理的方法不同
15、而不同。一般说固化法比添加法的效果要好，但是固化法将会减小吸附床的空隙率，可能会对吸附床的传质有所影响制冷循环改进法采用两个或两个以上的吸附床使之交替工作，从而实现连续制冷从连续制冷的角度考虑，来提高吸附床的制冷量，从而实现吸附床的强化传热，而且此方法对余热回收利用有实际意义结构改进法 对现有的吸附床进行结构改进或者是重新设计新型结构吸附床主要是增加吸附床的传热面积，从而大大提高吸附床的导热系数3 吸附床结构设计应解决的关键问题吸附床结构设计应解决的关键问题一般情况，吸附床的设计主要考虑吸附剂吸、脱附速度、吸附床的传热传质性能、体积容量（也就是吸附剂的填载量） 、承压能力、加工工艺、制造成本以
16、及操作方便等。以上各个方面是很难让它们都同时处于优化状态，但是，一些对吸附床的性能起关键作用的影响因素应该尽量考虑在内。吸附床的传热传质性能，尤其是传热性能，是吸附床设计的关键之一。由于构成吸附- 5 -床的吸附剂均为多孔性物质，导热性能很差，故设计时，除了设计合理的结构外，还要特别注意改善其传热性能，要保证强化传热措施的实现。吸附床的体积设计也是吸附床设计的关键之一，同时也是结构设计的难点。吸附床有效填充体积是吸附制冷系统满足制冷量要求的保证。一般来说，吸附床的体积越大，其吸附剂的填充量就越多，就越能满足制冷要求。但是，对于一定的制冷量，如果吸附床的体积很大，那它的实际利用效率就很低，其用处也不大。况且，人类现代居室的局限，限制了吸附床的体积不能太大，否则就没有什么实用价值。因此，在保证满足制冷要求的情况下，吸附床的体积应尽可能的小，结构应尽可能的紧凑。4 新型吸附床的设计新型吸附床的设计吸附床是固体吸附式制冷循环系统的心脏，其性能的优劣直接决定了整个制冷循环系统的成败。因此，国、内外的众多研究者都在强化传热或者新型吸
