新型吸附式制冷机的性能
何兆红1，林志贤1，黄宏宇1,2，郭华芳1，小林敬幸2
(1.中国科学院 广州能源研究所，广东 广州，510640；
2.日本名古屋大学 环境友好型社会研究所，日本 名古屋，464-8603)
摘要：为探讨新型吸附式制冷机的工作性能，对吸附式制冷机中吸附床的工作性能及蒸发器的换热性能进行研究。研究结果表明：吸附床循环水路的循环时间少于5 min；蒸发器内制冷剂蒸发是自然对流，属于池沸腾，并且制冷剂池沸腾传热系数较低，最大约为403.4 W/(m2·K)。
关键词：吸附式制冷；吸附床；板翅片管；传热系数；自然对流
中图分类号：TB6 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0164-04
Performance of novel type of adsorption chiller
HE Zhao-hong1, LIN Zhi-xian1, HUANG Hong-yu1,2, GUO Hua-fang1, KOBAYASHI Noriyuki2
(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;
2. EcoTopia Science Institute, Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan)
Abstract: In order to investigate the performance of the novel type of adsorption chiller, the performance of adsorber and heat transfer of the evaporator in the adsorption chiller were presented. The results show that the cycle time of recycled water is less than 5 min, and the heat transfer in the evaporating adsorbate process called pool boiling belongs to the natural convection. And the performance of the heat transfer is very poor, with the maximum of coefficient of heat transfer 403.4 W/(m2·K).
Key words: adsorption refrigeration; adsorber; plate fin tube; coefficient of heat transfer; natural convection
随着工业的发展和生活质量的提高，能源问题越来越被各个国家所重视，能源短缺就是其中重要的问题之一。尤其到夏季，制冷设备耗电量是用电的重要组成部分，各种制冷设备的开启能够大幅度增加电力的消耗，普遍存在电力供应不足情况，给企业和人民的正常生产、生活带来很大的影响。因此，许多学者开始研究节能型制冷方式，以替代传统电压缩式制冷。伴随能源供应紧张的同时，能源问题还体现在能源利用率较低的状况。大约60%以上的能源消耗未被利用，以各种余热形式排放到大气中，尤其是低于100 ℃低品位余热没有得到充分利用。低品位余热的利用将作为产能和用能的关键环节，对提高我国一次能源利用率方面具有举足轻重的作用。
目前，常见的制冷方式有3种：压缩式制冷、吸收式制冷和吸附式制冷。传统的制冷方式为压缩式制冷，与其他两种制冷方式相比，具有较好的制冷效果，制冷性能强，但缺点是耗电量大；吸收式制冷能够利用余热制冷，而不消耗电能(各种泵类能耗较小，可以忽略)，有效缓解电力供应紧张的局面，但缺点是溶液易出现结晶现象，堵塞管道，并且吸收式制冷也不能用于颠簸、震动的场所，使用范围受到限制；吸附式制冷能够利用低品位热能制冷，如工业余热、太阳能等，而不消耗电能，具有很好的节能效果，并且该制冷方式不使用氟氯烃类制冷剂，也不产生温室效应气体，对环境无任何危害，是一种绿色节能制冷技术，另外，吸附式制冷还具有结构简单，加工简易等特点。因此，在提倡节能和环保的背景下，吸附式制冷越来越得到重视。国外研究者[1-8]对吸附式制冷进行深入的探讨。近20年来，国内也陆续开展吸附式制冷方面的研究，如王如竹等[9]、李素玲等[10]、姜周曙等[11]及陈焕新等[12]都进行大量的研究工作。
硅胶-水吸附式制冷机组优势在于能够有效利用低于80 ℃热源制冷，国内外学者对该类吸附式制冷装置进行深入的开发和研究。对于硅胶-水吸附剂制冷机组，日本是开展研究较早的国家，并且硅胶-水吸附式制冷机已经在日本实现商业化。日本前川公司于2003年开始生产硅胶-水吸附式制冷机组，其COP可达0.6，输出制冷量为70 kW[13]。国内，上海交通大学王如竹等[14-15]研制的双分离热管型回热回质吸附式制冷机已成功应用于上海市生态建筑(太阳能空调)、国家粮库粮食冷却以及冷热电联产等系统中。该制冷机冷水机组制冷量为8~10 kW，COP为0.35左右，并且运行性能稳定。
与压缩式制冷、吸收式制冷相比，吸附式制冷设备具有体积庞大及结构不紧凑等问题，阻碍了吸附式制冷技术的应用和发展。如何提高吸附式制冷设备单位体积输出制冷量是目前吸附式制冷技术研究的重要课题。强化吸附床传热传质性能，提高吸附剂吸附性能是增强单位体积输出制冷量的有效途径。
吸附式制冷设备中核心部件为吸附床，其传热传质性能直接影响吸附式制冷设备整体的制冷效果，各国学者尝试采用不同方法来提高吸附床的性能，其中，板翅片管式换热器能够有效强化吸附床的传热性能。本文作者研究的新型硅胶-水吸附式制冷设备采用板翅片管式换热器结构，具有良好的传热效果。
1 实验装置
本文作者所研究的实验系统主要包括吸附式制冷设备和循环水路系统，图1所示为整个实验系统示意图。其中，循环水路系统模拟吸附式制冷设备运行条件，主要包括高温水循环水路、冷却水循环水路以及冷冻水循环水路。
吸附式制冷设备结构示意图如图2所示。该吸附式制冷设备由2个吸附床、蒸发器、冷凝器以及阀门等组成，吸附工质对为硅胶-水。以高于60 ℃热水为驱动热源，驱动制冷剂通过冷凝器和蒸发器，制冷剂由液态变气态，再由气态变液态，通过交替变换吸附床循环水温度，蒸发器实现连续蒸发，起到连续制冷作用。电阻式温度传感器安装在吸附式制冷设备循环水路进出口处，用来测量循环水经过吸附式制冷设备的温度变化。
图1 实验系统示意图
Fig.1 Schematic diagram of experimental system
图2 吸附式制冷设备结构示意图
Fig.2 Schematic diagram of adsorption chiller
吸附式制冷设备的核心部件为吸附床，吸附床的性能直接影响吸附式制冷设备整体的制冷效果。本实验中，吸附床由板翅片式（PFT）换热器和填充于翅片间的吸附剂组成，其板翅片式换热器结构示意图如图3所示。板翅片式换热器主要由矩形传热管和管间翅片组成，该类吸附床的特点是：由于传热管为扁平的矩形管，与翅片圆管相比，易填充吸附剂；板翅片式吸附床内吸附剂与换热器的接触面积较大，从而提高吸附床的传热性能[16]；另外，吸附床内传质通道短，传质阻力小，吸附剂传质性能优良。本实验中吸附式制冷设备包含2块吸附床，每块吸附床由6块板翅片式换热器组成。
图3 板翅片式换热器结构示意图
Fig.3 Schematic diagram of plate fin tube heat exchanger
2 实验分析
2.1 吸附式制冷设备中吸附床的工作性能
图4所示为2个吸附床的循环水路进出口温度随时间的变化曲线。通过控制吸附床循环水路的温度来控制吸附床的吸附和脱附过程，使得2个吸附床交替进行吸附和脱附过程，保证吸附式制冷机的连续制冷。实验的操作条件如下：高温水循环水路进口温度为70 ℃；冷却水循环水路进口温度为35 ℃；冷冻水循环水路进口温度为15 ℃；吸附和脱附过程时间均设定为5 min。
图4 吸附床循环水路进出口温度随时间变化
Fig.4 Temperature of recycled water for adsorbers vs recycled time
从图4可知：以图上标记时间开始，吸附床2通入高温水循环水路，温度为70 ℃，经过一段时间，冷凝器与吸附床2间的阀门打开，开始脱附过程，气态制冷剂从吸附剂脱附出来，进入冷凝器内冷却，形成液态制冷剂；同时，吸附床1通入冷却水循环水路，温度为35 ℃，经过一段时间后，蒸发器与吸附床1间的阀门打开，开始吸附过程，吸附剂吸附从蒸发器内蒸发出气态制冷剂； 5 min后，通过循环水路控制系统的切换，吸附床1通入高温水循环水路，吸附床2通入冷却水循环水路，开始下一个循环过程。在本循环的前期阶段，吸附床的进出口水温变化比较大，随着吸附和脱附过程的进行，进出口温度逐渐稳定，直到循环的后期，2个吸附床的进出口温度基本不变，可以认为吸附过程和脱附过程分别达到平衡，可以适当减少循环时间，提高制冷量。
2.2 蒸发器的蒸发性能
吸附式制冷设备通过蒸发器蒸发制冷剂获得冷量，蒸发器的性能直接影响制冷量的大小。为了使吸附式制冷设备加工制造方便，本实验选用的蒸发器与吸附床类型相同， 即使用板翅片式换热器。制冷剂浸没蒸发器底部高度保持在10 mm左右，制冷剂在蒸发器内蒸发是自然对流，属于池沸腾现象。蒸发器蒸发出的气态制冷剂被吸附剂吸收，并且制冷剂蒸发时吸收冷冻水热量，产生制冷效果，因此，蒸发器的性能是吸附式制冷设备中重要参数。
关于蒸发器内制冷剂池沸腾传热的传热系数采用McNelly公式计算。
(1)
(2)
式中：hb为制冷剂池沸腾的传热系数，W/(m2·K)；Cs为蒸发器材料系数，材料为铜时，Cs取为1.0；λ为制冷剂蒸发潜热，J/(kg·K)；Cl为液体制冷剂热容，J/(kg·K)；p为制冷剂沸腾压力，Pa；ki为液态制冷剂导热系数，W/(m·K)；σ 为液态制冷剂表面张力，N/m；ρl为液态制冷剂的密度，kg/m3；ρv为气态制冷剂的密度，kg/m3；?t为换热器表面温度与液态制冷剂间的温差，K。
表1所列为在不同饱和蒸汽压下制冷剂的池沸腾传热系数。根据表1中数据可知：在实验测试范围内，饱和蒸汽压为9.1 kPa，蒸发器冷冻水进、出口温度分别为321.9和317.8 K，制冷剂池沸腾传热系数的最大值为403.4 W/(m2·K)，但远远小于水的其他相变过程的传热系数(一般大于2 500 W/(m2·K))。因此，吸附式制冷设备中的蒸发器传热性能较差，提高蒸发器传热性能是研究吸附式制冷设备的重要课题。
表1 不同饱和蒸气压下池沸腾传热系数变化
Table 1 Heat transfer coefficients of pool boiling at various saturation vapor pressures
3 结论
(1) 通过控制吸附床循环水路的温度来控制吸附床的吸附和脱附过程，使得2个吸附床交替进行吸附和脱附过程，保证吸附式制冷机的连续制冷；循环后期，2个吸附床的进出口温度基本不变，可以认为吸附过程和脱附过程分别达到平衡，且吸附和脱附过程时间少于本实验设定的5 min。
(2) 在吸附式制冷设备中，蒸发器内制冷剂蒸发是自然对流，属于池沸腾现象，其传热系数远小于水的其他相变过程传热系数。
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(编辑 陈卫萍)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
基金项目：中国科学院广州能源研究所所长基金资助项目(y007r41001)；广东省重大科技专项 (2009A080303005)
通信作者：何兆红(1983-), 女，山东临沂人，博士，从事吸附式制冷及节能方面的研究；电话：13632240520；E-mail：hezh@ms.giec.ac.cn
