5.基于太阳能吸附式制冷的汽车除热系统设计说明书(2)

1、基于太阳能吸附式制冷的汽车除热系统设计说明书设计者：李佳，王莹，章旺，张昊东，苏航，张文迪，王任伟指导老师：黄晓明（副教授）何国庚（教授）（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北，武汉430074）作品内容及简介通过理论学习与研究设计一套基于太阳能吸附式制冷的汽车除 热系统。以夏季为例，在汽车停止运行的过程中，夏季高温会导致车 内温度骤升，同时产生有害气体，通过除热系统，可以预防汽车的高 温危害，使车内温度保持在适宜温度之下。参与除热系统的包括集热解析过程，冷凝过程，吸附制冷过程。通过这几部分以及控制系统共同作用能高效的实现夏季汽车降温，预防高温对于汽车的性能损害。1. 设计背景及意义我国大部分

2、地区夏季白天室外温度很高，众多车主都有一个困扰，露天停车时，车内温度会升得很高，这个温度呢一般可以到达60摄氏度。车内高温不仅严重影响乘车人员的体验，而且会降低车用配件的工作性能和使用寿命。然而对于汽车车载空调（使 用压缩机制冷），这种方法有两个缺点：一是使用大量的电能； 二是停车后空调也停止运行，车内温度迅速升高，当乘车人员再 次回到车内会非常不适应，同样也有损坏配件的问题。针对停车 时的高温问题，我们一般会采取三种方法给它降温：汽车空调， 遮阳板，或者是制冷喷雾，但是他们各自存在一定的缺点，那就 是耗能，效率低，甚至有毒。但给车内降温这个问题又迫在眉睫, 为了解决这个问题，我们设计了基于太

3、阳能吸附式制冷的汽车除 热系统。我们采用太阳能吸附式制冷技术能够有效解决这些问题。首 先，使用太阳能这一可再生能源能够有效减少化石能源的消耗。 再者，与传统的压缩式制冷相比，固体吸附式制冷系统中几乎没 有运动部件，噪声大为减小，整体结构较为简单且运行费用不高, 并且系统使用的是自然工质对，无污染。系统能够持续运行，始 终保持车内温度合适，对人对车均有很大益处。2. 设计方案木装置主要分为太阳集热解吸过程，冷凝循环过程，以及吸附制 冷过程三部分组成。主要设备有集热器，吸附床，气体储存罐，液罐, 以及蒸发器。本装置采用完全太阳能利用，采用清洁能源，由白天（制冷系统 和解吸过程）和夜间（冷凝准备过程

4、）共同完成。制冷过程主要为吸 附床吸收气态制冷剂，使蒸发器产生连续蒸发，在自然蒸发过程中能 够吸收车内的热量，从而降低车内温度，防止危害的产生。太阳能集热以及吸附床的解吸制冷剂的过程是主要利用太阳能的部分，通过太 阳能的集热使制冷剂转变为气体储存，为夜间自然冷凝过程奠定基 础。以上部分为除热系统在太阳能利用状态下的白天工作部分，制冷 剂液化的工作是利用夜间的低温状态，使气态制冷剂易于液化，转为 液体进入液罐储存，为口天的蒸发器不断提供液态制冷剂实现不断蒸 发，实现车内的高效制冷。3. 工作原理及性能分析该系统主要由三个部分组成：白天的脱附过程、口天的吸附制冷 过程、晚上的冷凝过程。在系统工作的

5、初始状态，各部分都充斥着大量的制冷剂，吸附床 的吸附质吸附着大量的制冷剂，储液罐也存有大量的液态制冷剂。3. 1工作流程太阳能吸附制冷整体系统原理图首先，这是我们制冷装置的整体图。它由吸附床、散热装置、储 液罐、蒸发器和储气罐所组成。整个工作循环是制冷剂在口天从吸附 床脱出，到达散热装置，晚上通过自然冷却变成液体，储存在液罐， 在白天需要制冷时，制冷剂解析过程停止，同时将液体抽吸到蒸发器, 吸附床吸附制冷剂气体，利用吸附床的负压，实现相变制冷。3. 2工作原理在系统的整个工作时间段，分别有脱附、吸附制冷和冷凝三种工 作状态。吸附床开关气擢B工作流程图脱附过程：在这里我们利用的是玻璃温室加热吸附

6、床，此时仅吸 附床和散热装置工作，制冷剂从吸附床中脱出，因为白天的时候，除 了需要制冷时，这个部分都是在工作的，所以我们可以确保制冷剂完 全从吸附床中脱出，储存到散热装置里。在工作过程中，通过控制系 统控制阀门2/3/4关闭阀门1打开，仅令吸附床和储气罐A相连工 作，在早上太阳光照射吸附床，利用温室效应使吸附床升温，吸附质 开始解析制冷剂，制冷剂通过管道流到储气罐A中储存，以待晚上冷 凝。吸附制冷过程：这一过程是我们制冷系统的主要部分，此时，通 过控制系统控制阀门1关闭，阀门2/3/4打开，使吸附床与散热装置 断开，玻璃温室打开，其他装置全部连通工作。蒸发器利用毛细抽吸 作用将液体抽吸到毛细芯

7、，液体在毛细芯表面受热蒸发，汇聚到集气 腔离开，同时，吸附床解析过程停止，由于玻璃温室打开，吸附床降 温，吸附床能吸附气态的制冷剂，从而形成负压，使我们的蒸发能缓 慢而持续的进行。当吸附床达到一定的饱和，气态制冷剂储存在储气 罐B中，由于毛细芯的继续蒸发，进而形成高压进一步促进吸附床吸 附制冷剂，在制冷剂持续的蒸发相变过程中达到给汽车降温的目的。冷凝过程：到了晚上，通过控制系统控制阀门1/3/4关闭阀门 2打开，仅让储气罐A和储液罐相连，其他装置全部断开。由于晚上 的自然降温，储气罐中的液态制冷剂开始液化并流入储液罐中储存以 供第二天的制冷过程使用，此时，只有冷却部分工作。系统主要构件有吸附床

8、和蒸发器。3. 3系统主要构件结构与原理介绍(1)吸附床的结构和工作原理。下面的长方体容器是吸附床用 来装吸附质，上面这个比较窄小的长方体全部为玻璃材质，在白天经 太阳光照射，加热玻璃容器中的空气形成温室效应，再间接地给吸附 床传热形成高温开始脱附过程。当我们需要制冷时，可以将上方的玻 璃容器两个侧而通过控制系统打开，由于玻璃容器内外存在的温度差 从而形成对流，来降低吸附床的温度，使吸附床在制冷过程中吸附制 冷剂，形成系统低压，产生持续制冷。吸附床歸构原理图(2)蒸发器的结构和工作原理，蒸发器利用毛细抽吸作用将液 体抽吸到毛细芯，液体在毛细芯表面由于车内高温使制冷剂受热蒸 发，制冷剂产生相变，

9、吸收车热量，达到制冷的效果，同时，蒸发形 成的气态制冷剂内汇聚到集气腔，通过管道进入吸附床，实现持续蒸 发制冷。蒸发器结构原理图4汽车热负荷的计算(以武汉市为例计算)4. 1太阳辐射热(1) 直射辐射强度水平而上的直射辐射强度：Lsin垂直而上的直射辐射强度：IC=INSin COS()其中A地球表而上与太阳光线垂直平而上的太阳直射辐射(法线直射辐射强度):Ix=IOr车体一太阳方位角，太阳辐射线在水平面上的投影与车体法线的夹角， =Aa太阳高度角；A太阳方位角；a车体方位角：车体法线偏离南向的角度。太阳高度角Sin =sin sin +cos COS COS 其中：3为时角，以中午12点为0

10、 ,超过中午12点每一小时 为 15 ,如上午 10 点为-30。&为赤纬角,=23.45sin(360(284+n) /365) , n为一年中从1月1日算起的天数。巾为当地的纬度。武汉 地区d)=30取8月1号，243。取时间为2点，时角=30o赤纬角 =23. 45Sin (360 (284+n ) /365) =23. 45Sin ( 360 (284+243) /365) =7. 725太阳高度角 Sin =Sin Sin +cos COS COS =0. 8104 =54. 135COSA=(Sin B Sin -sin )cos COS =0. 53368oA=57. 740取车

11、体方位角a=0,则 =A=57. 74o o(2) 散射辐射强度对于水平面上的散射辐射强度，其值可用以下的BerIage公式计算Is. =0. 5I0sin (I-Pb) /1T.4 (InP)J垂直平而上的散射辐射强度Ic. =0. 5Is,s其中I0太阳常数，I=1353Wnf;P大气透明度，一般为0. 65 - 0. 75,考虑到一般水平取P=O. 7；m大气质量，m-l/sin =1. 23396Ix=IOPiI二 1353 X0. 7123396=871. 274Wm2(3) 太阳总辐射强度水平而上的总辐射强度II Is, s垂直平而上的总辐射强度IC=Ic =+0. 5 (I-+I

12、d)其中Io地面反射辐射强度，wfIS=INSin B =871. 274 0. 8104=706. 08Wm2Ic. =Insin COS =871. 274 X cos54. 135 o cos57. 74 o =272. 4222Wm2Is, =0. 5I0sin (I-PBI) /1T.4 (InP)I =O. 5 1353O. 8104 ( 1-0. 71 23396) / ( 11. 4 InO. 7) =130. 18686W m2Ic. s=0. 5Is=65. 09343Wm2水平面 I=I+I,s=706. 08+130. 18686=836. 27Wm2地而辐射 Id=O

13、. 31 =250. 881Wm2垂直而 Ic=430. 46Wm2(4) 阳光通过玻璃的热辐射量Qci= (L=+I=,s) s1+ (ic. 5+c. s) s2 n其中:Sl为玻璃的水平投影而积,可以在玻璃的三维数据中测得, 单位为 s?为垂直投影面积，可以在玻璃的三维数据中测得，单位 为 H为阳光通过玻璃的透过系数，国标3mm白玻璃的透过率称为航向比 H, H= n =0. 889前挡风玻璃 Ql= (IS+IcS2) =900. 975IW全玻璃 QI =2Q1=1801. 9502W4. 2车窗传导热汽车玻璃传热系数取Kg二3. 5Wm2. k,玻璃面积前风挡约1. 0875f车窗

14、玻璃约1. 8164卅后风挡o. 9285 m2,不考虑车外空气对流对于车玻璃的温度影响，则温度差恒定为t=60C, S=S+S2+S3=l. 0875+1. 8164+0. 9285=3. 8324 m2根据公式 Q2=KS*t=80. 4804W总热负荷功率：Q二Q：总+Qz=1882. 4324W5. 工质对的计算甲醇蒸发制冷量：Qref=MCLC XLC为甲醇汽化潜热，Mc为甲醇质量，Qref为甲醇蒸发制冷量，X=XcOnC-XdiIo其中，Xdil为高温脱附时活性炭对甲醇的吸附率，XCOnC为蒸发冷凝过程活性炭对甲醇的吸附率，吸附率与温度有关。甲醇分子量32. 042温度蒸汽压汽化热

15、密度热容度毫米汞柱卡/克分子千克/升卡/克分子*摄氏度30163. 8490500. 794319. 39PS:1 卡=4. 1858JX=XOeXP-K (TTs-l) n 其中XO、K及n为吸附对的特征常数,其中和XO与室温TS相关X为温度T下单位质量活性炭对甲醇的吸附质量(kg/kg)选取两种活性炭ACFI与ACF2进行比较，设定蒸发冷凝温度为303K,高温脱附温度为363K,选取午间最热的两个小时Qref=P*t=1882. 4324Js*3600*2s二13553. 5kJLc=9050*4. 1858Jg二37. 881kJg根据公式二得到下表：TS (K)XO(kgkg)KnXd

16、iIXCOnCXACFI297. 20. 68210. 841. 210. 6220. 1190. 503ACF2295. 50. 66210. 941. 310. 6060. 1360. 47PS:X0为活性炭对甲醇的最大吸附量根据公式一得到下表甲醇质量(g)甲醇体积(L)活性炭质量(kg)活性炭体积(L)ACFI711. 3150.9001. 14362. 29ACF2761. 2590.9641. 25622. 51PS:活性炭对甲醇的吸附率为温度为303. 15K时的吸附率，此时甲醇密度为790gL,活性炭密度为500gLo6. 创新点(1) 应用创新我们的系统最初便是针对于汽车方面的应用创新，它能够解决汽 车停车时的降温与制冷问题通过太阳能制冷装置解决汽车停车状态 下温度过高的问题，同时，避免了由于正午的太阳暴晒导致汽车内部 的咼温造成一定的危害。(2) 新型清