平板式太陽能吸附式制冷技術模擬研究

王壯遠，安永亮，楊瑞雪，齊 東，張 垚

（華北理工大學遷安學院 河北 遷安 064400）

平板式太陽能吸附式制冷技術模擬研究

王壯遠，安永亮，楊瑞雪，齊 東，張 垚

（華北理工大學遷安學院 河北 遷安 064400）

本課題以“太陽能吸附式制冷技術的模擬研究”為項目主題，設計一套平板式太陽能吸附式制冷系統，然后根據唐山地區在夏季8～9月份的太陽輻射強度、室外溫度等數據，用Matlab7.0軟件編制程序，對吸附床內溫度、吸附率、系統的制冷系數進行模擬計算。

吸附制冷；太陽能；模擬

1 太陽能平板式吸附式制冷系統設計

吸附床的結構有很多，其中平板結構的集熱吸附床應用廣泛[1]。板式集熱器模型如圖1所示。模型設計為厚度為2mm的不銹鋼板制成，邊長為700mm的正方形集熱床，并用同樣厚度的鋼板將集熱床分割成大小相同的49個小分隔。集熱床下面鋪上兩張鋼絲網。

目前常用的吸附劑主要有活性炭、沸石和硅膠等，本項目選擇活性炭作為吸附劑。制冷劑為甲醇，甲醇具有制冷溫度低，汽化潛熱大的優點。

太陽能平板式吸附式制冷系統設計如圖2所示，其工作過程為白天平板集熱吸附床接收太陽的熱能，吸附床內溫度逐漸升高，與此同時壓力也隨著升高。在高溫高壓下，被吸附劑活性炭吸附的氣態制冷劑甲醇脫附出來，沿著管道流進冷凝器。在冷凝器的冷卻作用下，氣態甲醇被冷凝成甲醇液體。液態的甲醇經節流閥節流降壓，低溫低壓的液態甲醇在進入蒸發器吸收汽化潛熱，從液態變為氣態，從而產生制冷效應。到了夜晚，太陽輻射程度、環境溫度降低，從而吸附床被冷卻，甲醇蒸汽就又會被吸附床內的活性炭吸附。從而實現循環，不斷地產生制冷效應。

圖2 太陽能平板吸附式制冷系統工作原理圖

2 計算模型假設

利用Matlab軟件進行模擬計算。計算時采取以下假設[2]：

（1）氣體在系統內視為理想氣體。

（2）吸附床內的壓力大小僅隨溫度變化，且均勻分布。吸附劑活性炭與制冷劑甲醇之間傳熱無溫差。

（3）活性炭在吸附床內的吸附速率滿足Dubinin平衡吸附方程。

（4）吸附床內活性炭為均質，比熱為常數，為簡化計算傳質時產生的阻力忽略不計。

（5）模型結構為剛性材料且固定不動，密度ρ可取為常數。

（6）甲醇液體吸附在活性炭的孔隙內且固定不移動，且無任何反應發生。

采用集總參數法，認為集熱吸附床是一整體，處于平衡狀態[3，4]。唐山地區為北緯39.36，東經118.11，海拔300～600m，取400m。唐山地區在8～9月份水平地面上瞬時太陽總輻射最大強度約為537.5W/m2。

3 分析計算結果

模擬計算分為三個過程進行，計算結果如圖3所示。上午6時-11時，可簡化為等容吸熱過程[5]。中午11時-14時30分，可簡化為等壓吸熱過程。下午4∶30～18∶30，可簡化為等容冷卻過程。然后利用ATLAB7.0軟件進行實驗結果的模擬實驗。

圖3 6∶00～11∶00平板集熱床溫度變化曲線

圖4 11∶00～14∶30平板集熱床溫度變化曲線

如圖3所示，在6時～7時30分時間內曲線較平緩，這是因為早上的時候太陽輻射強度不高，所以集熱吸附床內吸收的熱量較少，故溫度升高得很慢。在7時30分后，曲線很陡，這是由于隨著時間的增加，太陽輻射出的熱量逐漸增多，所以集熱床內溫度就上升得很快。結束時溫度大概為338K（66℃）。

如圖4所示，11時將冷凝閥門打開，氣態制冷劑甲醇從活性炭中脫附出來，然后流入冷凝器中被冷凝成液態甲醇。14∶30時平板集熱床的溫度可達到81℃。

圖5 14∶30～16∶30平板集熱床溫度變化曲線

圖6 吸附速度隨時間的變化關系

如圖5所示，當在14∶30對集熱床自然冷卻時，其溫度迅速下降，第三階段平板集熱床終為17℃。圖6為吸附速度與時間的變化關系。最后，計算得到制冷系數為COP=0.3402。

4 太陽能固體吸附式制冷技術目前存在的問題

根據計算COP=0.3402，平板式太陽能吸附式制冷技術在唐山地區的制冷系數是比較低的。經實驗研究表明，太陽能吸附式制冷主要存在以下難點。

（1）吸附式制冷基本循環不能實現連續制冷，吸附床傳熱傳質性能差，吸附、解吸所需的時間長，循環周期長，系統調節滯后時間長，制冷功率低，制冷系數小，能量利用率低[6]。

（2）晚上制冷不符合空調用能規律，限制了太陽能吸附式制冷的應用。

（3）太陽能是低品位能源，且供能不連續，太陽能集熱技術難以保證高溫而穩定的驅動熱源，因此，系統需要較低的驅動溫度。

[1]趙加佩，陳寧，凍小飛.太陽能吸附式制冷技術進展綜述[J].能源研究與信息，2007，23(1): 23-27.

[2]劉家林，鄭學林.太陽能固體吸附式制冷技術的研究與進展[J].綠色科技，2011，9(9):188-191.

[3]李生璐，杜濤.太陽能吸附式制冷技術[J].第七屆全國能源與熱工學術年：329-335.

[4]范介清，羅斌等.翅片管整體傳熱傳質強化的太陽能吸附式制冷系統性能研究[J]太陽能學報,2014,35(9):1663-1669.

[5]王如竹.吸附式制冷[M].北京：機械工業出版社，2002，1-20.

[6]李東明，姜耀儉，王志國，李慶，項新耀.太陽能吸附式制冷吸附床的熱力計算方法[J].太陽能學報，2003,24(4):483-487.

TK519 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0060-02

課題：華北理工大學遷安學院大學生創新性實驗項目 項目編號Q201603

指導教師：何紅葉