四通閥對回熱型吸附式制冷系統熱量損失的影響

潘權穩，王如竹

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

四通閥對回熱型吸附式制冷系統熱量損失的影響

潘權穩*，王如竹

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

采用2個四通閥和2個三通閥是實現串聯式回熱型吸附式制冷系統的最簡單形式，但采用四通閥會造成一定的熱量損失，從而對系統性能產生影響。本文搭建了一個采用四通閥的回熱型硅膠-水吸附式制冷實驗裝置，并對四通閥的影響進行了實驗研究。實驗結果表明：在四通閥不動作時，冷熱流體之間的換熱不明顯，熱量損失較小；在四通閥動作時，熱水向冷卻水摻入量為0.29 kg/s，而冷卻水向熱水摻入量為2.14 kg/s，造成熱源側5,157 kJ的熱量損失，相當于加熱量的8.09%。因此要選用切換時間較短的四通閥，以減小冷卻水向熱水的摻入量。

四通閥；回熱；吸附式制冷；硅膠-水

0 引言

吸附式制冷是一種有效利用低品位熱能且對環境沒有破壞作用的制冷技術[1]，同時具有抗振性好、噪聲小和維護方便等優點，因此其在太陽能制冷、工業余熱回收及車船發動機余熱利用等應用領域有著廣闊的前景[2]。

目前吸附式制冷的研究主要集中于吸附材料（工質對）、傳熱傳質和系統循環等方面。在吸附材料方面，主要是材料的改性和新工質對的研制，例如李娜等[3]、吳琦等[4]和SEILER等[5]分別對改性活性炭-甲醇、改性活性炭-異丁烷和NaY-乙二醇溶液工質對的吸附性能進行研究。在傳熱傳質方面，集中在吸附床傳熱傳質性能的強化，LI等[6]研制的涂層吸附床相比于傳統填充吸附床，傳熱和傳質性能分別提高了3.4～4.6倍和1.5～2倍。系統循環方面，主要是循環的改進和新型循環的開發，例如熱波循環[7]、回熱循環[8]、回質循環[9]、多級循環[10]和再吸附循環[11]。由于實施比較容易和性能提升明顯的優點[12]，回熱循環被經常采用，形成回熱型吸附式制冷系統。回熱的方式有多種，PAN等[8]對比分析了3種回熱方式（循環式、串聯式和被動式），并指出串聯式回熱為最優的回熱方式。

回熱型吸附式制冷系統模式（如吸附、解吸和回熱等模式）的切換需要切換閥門來實現。這些切換閥門可以為單向閥、兩通閥、三通閥或四通閥等類型。本文作者研制了一臺采用四通切換閥的回熱型硅膠-水吸附式制冷系統，回熱方式為串聯式。通過實驗研究來分析四通切換閥對吸附式制冷系統的影響。

1 串聯式回熱的閥門實現形式

在吸附式制冷系統中，實現串聯式回熱可以有多種形式。根據切換閥門的數量及類型不同，可以分為以下3種形式。

1.1 實現形式1

劉艷玲等[13]研制的吸附式制冷系統采用了如圖1所示的串聯式回熱的閥門實現形式，稱之為實現形式1。該系統采用了13個兩通切換閥，使得系統較為復雜。同時由于切換閥需要頻繁動作，長期使用會容易出現損壞和更換維護問題，因此閥門較多會導致系統可靠性降低。

圖1 串聯式回熱實現形式1

1.2 實現形式2

為了減少閥門的數量，GONG等[14]研制的吸附式制冷系統采用了如圖2所示的閥門實現形式，稱之為實現形式2。該系統采用了6個三通切換閥和1個單向閥。相比于實現形式1，實現形式2大大地減少閥門數量，使得系統更加緊湊和可靠。

1.3 實現形式3

為了進一步減少閥門的數量，PAN 等[15]研制的吸附式制冷機采用了如圖3所示的閥門實現形式，稱之為實現形式3。該系統僅采用了2個四通切換閥和2個三通切換閥，便實現了串聯式回熱，進一步簡化系統且提高系統可靠性。但從圖中可看出，系統最上部的四通切換閥，會同時通入熱流體和冷卻流體，會存在一定的熱量損失。同時，在閥門切換過程，熱流體和冷卻流體會發生摻混，造成熱量的損失。

圖2 串聯式回熱實現形式2

圖3 串聯式回熱實現形式3

2 實驗裝置

為了研究上述的串聯式回熱實現形式 3，分析采用四通切換閥對回熱型吸附式制冷系統的影響，特別是其造成的熱量損失情況，本文搭建了一個回熱型吸附式制冷實驗裝置，采用串聯回熱實現形式3，如圖4所示。該實驗裝置以硅膠-水為工質對，采用100 ℃的熱水驅動，通過冷卻塔進行冷卻，輸出空調所需的冷凍水。實驗裝置中所選用切換閥為電動閥門，裝置配置了1個電控箱來實現系統的自動運行和控制。實驗過程中，熱水、冷卻水和冷凍水的流量分別設定為 24.70 m3/h、37.71 m3/h和9.35 m3/h。前期文獻[15]已經對該實驗裝置的制冷性能進行研究，在 86 ℃熱水進口溫度、30 ℃冷卻水進口溫度和 11 ℃冷凍水出口溫度條件下，制冷量和能效系數分別為42.8 kW和0.51。

回熱型吸附式制冷實驗裝置運行過程中，最上部的四通切換閥有兩個狀態，如圖5所示。狀態1：熱水進與通道1連通，熱水從通道1流出閥門，冷卻水進與通道2連通，冷卻水從通道2流進閥門。狀態2：熱水進與通道2連通，熱水從通道2流出閥門，冷卻水進與通道1連通，冷卻水從通道1流出閥門。

圖4 回熱型吸附式制冷實驗裝置

圖5 四通閥的運行狀態

3 結果與討論

3.1 溫度變化

當回熱時間為40 s時，四通閥的各個通道的溫度變化如圖6所示。在圖6(a)當前的制冷模式下，四通閥處于狀態2，冷卻水出口和通道1的溫度處于較低的水平，熱水進口和通道2的溫度處于較高的水平。此時冷卻水出口與通道1的溫度幾乎一樣，同時熱水進口和通道2的溫度也幾乎一樣。說明在四通閥內，熱水向冷卻水傳遞的熱量非常小，以致無法通過常規的溫度傳感器來測量。當制冷系統進入回熱模式時，由于串聯式回熱是通過冷卻水回路將兩個吸附床串聯起來，從而進行兩床的回熱，所以冷卻水出口和通道1的溫度會急劇升高而熱水進口和通道2的溫度急劇下降。當回熱結束之后，四通閥會進行狀態的切換，切換時間為30 s，從而使得制冷系統進入下個制冷模式。

從圖6(b)可看出，在回熱和四通閥狀態切換的過程，冷卻水出口的溫度會出現一個峰值，約為45 ℃。熱水出口的溫度會出現一個谷值，約為55 ℃。通道1的溫度從30 ℃一直升至80 ℃左右，而通道2的溫度從85 ℃一直降至35 ℃左右。在回熱階段，冷卻水出口與通道1的溫度幾乎一樣，熱水進口和通道2的溫度也幾乎一樣。一旦進入四通閥狀態切換的階段，冷卻水出口溫度會低于通道 1的溫度，熱水出口溫度會高于通道2的溫度。當四通閥狀態切換完成之后，溫度較低的兩個流道（冷卻水出口和通道 2）的溫度會迅速接近，而溫度較高的兩個流道（熱水進口和通道 1）的溫度需要較長的時間才能趨向一致。造成這種現象的原因可能有：1）閥門和管道本身的熱容以及系統向環境的散熱，造成熱量的損失；2）熱水回路殘留較多的低溫水。熱水中混入較多的冷卻水，而冷卻水中混入的熱水較少；3）冷卻水流速較快，混合速度較快，而熱水流速較低，混合速度較慢；4）熱水的流道較復雜，可能會存在流體的短暫滯留，而冷卻水的流道較簡單。

圖6 四通閥各通道的溫度變化

3.2 熱量損失

不考慮系統向環境散熱情況下，根據能量守恒定律，可建立熱水和冷卻水的能量守恒方程，分別如式1和2所示。

式中：

Qh、QL——熱水和冷卻水的質量流量，kg/s；

x、y ——熱水和冷卻水的流出質量，kg/s；

Th1、Th2——熱水進出口溫度，℃；

mm——閥門和管道金屬的質量，kg；

Cm——金屬比熱容，kJ/(kg·℃)；

ΔT——金屬的溫升，℃；

t ——閥門切換時間，s；

Cw——水比熱容，kJ/(kg·℃)；

TL1、TL2——冷卻水進出口溫度，℃。

通過式(1)和式(2)對圖 6(b)四通閥切換過程進行計算，可得：x = 0.29 kg/s，y = 2.14 kg/s。因此熱水從冷卻水獲得凈流入的質量，相當于對熱水回路進行了補水。由于補充的水溫度較低，為了讓這部分水達到所需的溫度要求（85 ℃），需要熱源額外提供更多熱量，所以造成熱源側熱量的損失。損失的熱量可通過式(3)來計算。

式中：

q ——熱量損失，kW；

Th——所需的熱水溫度，℃。

通過式(3)的計算，可得q = 5157 kJ，即四通閥每切換一次會造成熱源側5,157 kJ的熱量損失。由于四通閥每 760秒切換 1次，故會造成熱源側約6.8 kW的熱量損失，相當于制冷系統整體加熱量的8.09%。因此選用四通閥時，注意選用切換時間較短的閥，減小冷卻水向熱水的流入量。

4 結論

本文對吸附式制冷系統串聯式回熱多種實現形式進行分析，可知采用四通閥的實現形式是使用閥門最少的方案。接著建立一個采用四通閥的串聯式回熱型吸附式制冷實驗裝置，通過實驗研究，得到以下結論：

1) 四通閥在不動作時，冷熱流體之間的換熱不明顯，熱量損失較小；

2) 四通閥在動作時，熱水摻入較多的冷卻水，導致在熱源端有較大的熱量損失；

3) 四通閥的切換時間較為重要，切換時間越短，冷卻水向熱水的摻混量越少，熱量損失越少。

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Impact of Four-way Valve on Heat Loss for Heat Regenerative Adsorption Refrigeration System

PAN Quanwen*, WANG Ruzhu
(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Using two four-way valves and two three-way valves is the simplest way to realize serial heat recovery in an adsorption refrigeration system. But the use of four-way valves causes extra heat loss and lowers the system performance. An experimental setup for the heat regenerative silica gel-water adsorption refrigeration using four-way valves is established, and the impact of four-way valves is experimentally studied. The results show that, when the four-way valve does not operate, the heat transfer rate between hot water and cool water is small and the heat loss is little; while when the four-way valve operates, the cool water circuit is mixed with 0.29 kg/s hot water, and the hot water circuit is mixed with 2.14 kg/s cool water, causing 5,157 kJ heat loss on the heat source side. And this heat loss is equivalent of 8.09% heat input. Hence, four-way valves with less operation time is required to reduce the flux of mixed cool water.

Four-way valves; Heat regenerative; Adsorption refrigeration; Silica gel-water

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.04.102

*潘權穩（1987-），男，博士后，博士。研究方向：吸附式制冷。聯系地址：上海市東川路800號中意樓206室，郵編：200240。聯系電話：021-34206309。E-mail：sailote@sjtu.edu.cn。

上海市科學技術委員會科研計劃項目（No.15DZ1201802）。