太阳能吸附式制冷装置的学术论文

PAGEPAGE1太阳能吸附式制冷装置目录摘要 2abstract 3一吸附床的设计 51吸附床设计的要求 52结构 6（1）床内结构特点 7（2）太阳能集热器的选择 74太阳能集热器的性能指标5） 9（1）集热性能 9太阳能集热器性能通过集热效率和集热温度量个指标来反映。集热效率是指太阳能入射能量中转变为热能的部分与实际太阳辐射能之比。 9（2）制冷性能 95太阳能平板型吸附床强化传热的分析和方法 10（1）吸附床中嵌入肋片 11（2）提高吸附剂的导热系数 11（3）的金属热容比与系统运行性能 13二工质对的选择 14三蒸发器的设计 17四冷凝器与冷却器的设计 19五系统基本循环工作原理 191日间工作部分 19（1）各个子系统瞬时能量平衡方程的建立 21（2）系统的性能参数 222夜间工作部分： 22六吸附式制冷系统的优化9） 24七系统运行参数与系统动态性能 251循环周期与系统动态性能 252热源温度与系统运行性能 263系统运行的环境——冷却水温度与系统动态性能 26八吸附式制冷系统运行控制10） 261安全保护系统 26（1）吸附床的安全保护 26（2）冷凝器的安全保护 27（3）泵的安全保护 272微机控制系统 27（1）检测功能 27（2）记忆功能 27（3）预报功能 28（4）执行系统 28九参考文献 28总结 29摘要每年到达地球表面的太阳辐射能为5.57×1018MJ，相当于190万亿吨标准煤，约为目前全世界一次能源消费总量的1.56×104倍。太阳能取之不尽，用之不竭，还具有清洁安全、无需开采和运输等优点。如能利用太阳能制冷，无疑非常有吸引力。但目前太阳能制冷的研究还远不如加热系统。其主要原因是技术和成本要求太高1）。吸附式制冷的优点吻合了当前能源和环境协调发展的总趋势。固体吸附式制冷可采用太阳能或余热等低品位热源作为驱动热源，不仅缓解电力的紧张供应和能源危机，而且能有效的利用大量的低品位热源。另外，吸附式制冷不采用氯氟烃类制冷剂，无CFCS问题，也无温室效应作用，是一种环境友好型制冷方式。从20世纪70年代中期以来，吸附式制冷受到重视研究不断深化。与蒸气压缩式制冷系统相比，吸附式制冷具有结构简单，一次性投资少，运行费用低，使用寿命长，无噪音，无环境污染，能有效利用低品位热源等一系列优点；与吸收式制冷系统相比，吸附式制冷系统不存在结晶和分馏问题，且能用于震动，倾颠或旋转等场合。两床连续型吸附式制冷系统主要由两部分组成。第一部分包括两个吸附床（解吸床和吸附床），两床的功能相当于传统制冷中的压缩机。解吸态床向冷凝器排放高温高压的制冷剂蒸气，吸附床则吸附蒸发器中低温低压的蒸气，使制冷剂蒸气在解吸床中不断蒸发制冷。因此吸附式制冷系统设计的核心是吸附床，它的性能好坏直接影响了整个系统的功能。第二部分包括冷凝器，蒸发器及流量调节阀，冷却水系统和冷冻水系统，与普通的制冷系统相类似。从解吸态床解吸出来的高温高压的制冷剂蒸气在冷凝器中被冷凝后，经过流量调节阀，变成低温低压的液体，进入蒸发器蒸发制冷，被蒸发的制冷剂蒸气重新被吸附态床吸收。系统工作的循环动力由热源提供，冷却器的吸附热与冷凝器的冷凝排热向环境释放或回收利用，冷量从蒸发器中输出。固体吸附制冷系统和其它制冷系统有所区别，根据吸附式制冷的特点，以些部件在设计时应作特别考虑，如吸附床的传热传质强化，蒸发器低蒸发压力下静压对蒸发温度的影响等。abstractReachtheearthsuperficialsunradiationenergy5.57×1018MJ,equivalentto190,000billiontonsofstandardcoaleveryyear,Wholeworldoneenergy-consuming1.56×104oftotalamountatpresentabout.Solarenergyinexhaustible,havecleanandsafeneedingexploitandtransportmerit.Ifcanutilizesolarenergytoberefrigerated,undoubtedlyveryattractive.Buttheresearchthatthesolarenergyrefrigeratesisstillnotsogoodasthesystemofheatingfaratpresent.Itsmainreasonisthattechnologyandcostareexpectedtoomuch.Identicaltotaltrendofpresentenergyandenvironmentalcoordinateddevelopmentofmeritofabsorbingtyperefrigeration.Solidpersonwhoabsorbrefrigerationcanadoptsolarenergyorremainingenergylowgradeheatsourceasheatsourceofurging,Whethernotonlyitalleviatesupplyandtheenergycrisisnottenseofelectricpower,butalsocaneffectiveusegradeheatsourcenotlowalargenumberof.InadditionpersonwhoabsorbrefrigerationadopttheCFCrefrigerationpharmaceutical,thereisnoCFCSissue,Thereisnogreenhouseeffectsfunction,itisakindofenvironmentfriendlyrefrigerationway.Sincemiddleperiodoftheseventiesofthe20thcentury,personwhoabsorbrefrigerationbeenpaidattentiontobeingstudiedanddeepenedconstantly.Comparedwithcompressingtyperefrigerationsystemofvapour,personwhoabsorbrefrigerationhavestructuretobesimple,Lump-suminvestmentlittle,lowtooperateexpenses,havelongperformancelife,Havenoise,haveenvironmentalpollution,canutilizelowgradeheatsource,etc.aseriesofmeritseffectively;Comparedwithabsorbingtyperefrigerationsystem,personwhoabsorbrefrigerationsystemhavecrystallizationandfractionaldistillationquestion,Canuseforandshake,inclinecrownoftheheadoroccasionofrotatingetc.Twobedcontinuoustypepersonwhoabsorbrefrigerationsystemmadeupoftwopartsmainly.ThefirstpartIncludingwavepieceabsorbbed,heaterandcooler,likecompressoroftraditionalrefrigeration.Solveandsuckattitudebeddischargehigh-temperaturerefrigerationpharmaceuticalvapourofhighpressuretocondenser,absorbattitudebedabsorblowtemperaturelow-voltagevapourintheevaporimeter,Makethepharmaceuticalvapourofrefrigerationevaporaterefrigerationconstantly.Sopersonwhoabsorbrefrigerationcorethatsystemdesignthreeabsorbbed,performancequalityofitinfluencewholefunctionofsystemdirectly.SecondpartIncludingcondenser,flowregulatingvalveandevaporimeter,onordinaryrefrigerationbeingsystemsimilar.Suckattitudebedsolveandsuckhigh-temperaturerefrigerationpharmaceuticalvapourofhighpressurethatcomeoutamongcondenserthecondensationsolving,Throughflowregulatingvalve,turnlowtemperaturelow-voltageliquidinto,enterevaporimeterevaporaterefrigeration,Absorbrefrigerationpharmaceuticalvapourofevaporationattitudebedabsorbagain.Circulationpowerthatsystemworkofferbyheatsource,toabsorbhotcondensationincondenserarrangehottoreleasesorrecycledtotheenvironmentcooler,Thecoldamountisexportedfromtheevaporimeter.Solidabsorbrefrigerationsystemandotherrefrigerationsystemdistinguishtosomeextent,accordingtocharacteristicofrefrigerationofabsorbingetc.,Shoulddoandconsiderespeciallywhendesignwithsomepart,absorbheattransferofbedspreadqualitystrengthen,Evaporimeterlowtoevaporatepressurequiettopresstoevaporateinfluenceoftemperature,etc..一吸附床的设计吸附床是吸附式制冷系统中的关键部件。由于吸附床一直处于不断地加热和冷却过程中，因此，在同样的冷源和热源温度、同样的传质条件下，吸附床的升、降温速度越快，吸附制冷功率就越大。1吸附床设计的要求a.传热性能好，和流体的传热迅速，同时能够有效地克服吸附剂低导热系数的影响，这样才能保证吸附床及时补充解吸过程所需要的解吸热并及时带走吸附过程所放出的吸附热，它是使吸附床具有高性能的必要条件。b.传质迅速，吸附质扩散通道畅通，这样才能保证吸附床吸附过程的吸附速度和解吸过程的解吸速度，缩短循环周期，提高单位工质的制冷功率。c.吸附床材料以及热媒流体本身的热容和床内填充吸附剂的热容之比也决定了吸附式制冷系统的性能。这主要是由于吸附床材料本身的加热和冷却，会造成大量的系统热量损失，严重影响了系统的性能。上述三点都是非常重要的。而这三点常常是相互矛盾、相互制约的，要强化吸附床的传热，必然要加入一些必要的导热片或增加必要的传热通道，这样也就必然导致了吸附床金属热容比的增加；要强化吸附床的传热，就必须要提高吸附剂的导热系数，而这样却影响了吸附床内的传质。2结构床身由上下两个吸附床复合而成，每个吸附床上表面是一个高效太阳能集热器，为避免它们之间的相互热作用，两个吸附床之间用绝热层隔开。该吸附床可用金属合金制造，这样有利于保持吸附床的真空度且增加传热面积。吸附床内壁设有一个U型水槽，当下床吸附时，通以冷媒水冷却。当上下两床分别达到脱附/吸附饱和时，通过转动轴旋转180o，上下两床互换位置，仍然保持上床解吸，下床吸附，从而达到连续循环。图1、复合吸附床横截面图3工艺特点及各组成部件（1）床内结构特点传质通道采用蜂窝状分布，有利于吸附过程吸附剂对制冷剂的吸收。烧结成块状的吸附剂除了与太阳能集热器结合的那一面外，其它三面都有冷却水槽。当吸附床吸附制冷剂时，打开水槽阀门，通入冷却水，带走吸附热，这样一来可以加快吸附过程，从而缩短整个循环的时间。（2）太阳能集热器的选择由于热源温度直接影响吸附式制冷循环的性能，并且为了保证太阳辐射较弱时的温度，所以选取了一种高效的太阳能集热器2）。该集热器由低铁玻璃盖板、聚碳酸脂（pc）透明隔热板、阳极化选择性涂层铜铝复合板芯、铝合金边框等组成。其主要技术特征是增加了一块聚碳酸脂（pc）透明隔热板，透明隔热板板覆盖在集热板上，距离集热板约6mm，透明隔热板还带有间距为10mm小肋片，形成了许多小空间，通过抑制空气自然对流从而减小集热板表面的热损失。为了提高太阳能集热器的集热效率，必须抑制透明盖板表面的反射，纳米多孔SiO2薄膜可以达到宽带减反射效果。试验表面，在300～2500mm波段内玻璃表面的平板反射率，从未镀膜前的0.069降低到镀膜后的0.012。sol－gel方法制备台阶折射率SiO2薄膜技术，具有设备简单、操作容易、成本低、适合大规模工业化生产等优点，可望与现有的太阳能集热器生产工艺结合，形成减反射表面，提高集热器效率3）。另外，采用粉末火焰喷涂法制备的黑铬太阳能选择性吸收涂层，工艺简单，成本低，性能稳定，光谱选择性好。其可见光谱区的吸收率为0.91，红外光谱的发射率为0.15。下表为某一实验黑铬涂层与普通涂层的一部分比较数据4）。表格1涂层试验时间△t（s）平均太阳辐射强度I（w/m2）累计太阳辐射量I△t（kj/m2）水温升高△t（K）效率η（℅）黑45.057黑板44.2484太阳能集热器的性能指标5）（1）集热性能太阳能集热器性能通过集热效率和集热温度量个指标来反映。集热效率是指太阳能入射能量中转变为热能的部分与实际太阳辐射能之比。集热效率：η＝Qeff/Qs有效加热量：Qeff＝Qeff＝太阳能辐射量：Qs＝式中，I为太阳辐射强度；Ae为有效集热面积；t为日照时间；ma是吸附剂的比热容；cpr为制冷剂热容；cpa为吸附剂热容；x为吸附剂对制冷剂的吸附率；hfg是制冷剂的汽化潜热；mecpe是整个吸附集热器除吸附剂和制冷剂外的其它材料的热容。反映集热性能的另一个重要参数是吸附集热器的集热温度它与吸附剂的脱附程度密切相关。集热效率越高，集热温度不一定也越高，这与吸附集热器的具体结构有关。（2）制冷性能太阳能吸附制冷系统的制冷性能用制冷性能系数来表示。通常有两个系数，一是吸附制冷系统制冷系数，用系统制冷量与吸附集热器有效加热量之比来表示：COPs=Qc/Qeff其中，制冷量Qc=Qref-Qcc,Qref为蒸发器中制冷剂的蒸发制冷量，可按下式计算：Qref=△xMahfg式中，△xMa为吸附床在束个加热过程中的吸附剂对制冷剂的解吸量，也即为制冷剂的循环量。Qcc为制冷剂从冷凝温度Tc冷却到蒸发Te时，放出的显热，Qcc＝另一个是太阳能制冷性能系数，用系统制冷量与吸附集热器所接收的总的太阳辐射能之比表示：COP=Qc/Qs5太阳能平板型吸附床强化传热的分析和方法吸附床的强化传热异常重要，它直接影响了系统的运行性能。吸附床换热系数的提高将会导致系统解吸量的增加和吸附量的增加。如果能大幅度提高吸附床热交换器的换热系数，系统的SCP也会大幅度地提高。通常，吸附剂的导热系数很小。从上图可看出，床厚为4cm时，最大温差为10℃左右；而厚度为8cm时，最高温度（吸热板处）103℃，最低温度只有69℃，温差达了34℃，平均温度也只有82℃。所以，要改善吸附床中的温度分布，降低温度梯度，必须采取强化措施，提高床的导热性能11）。目前强化吸附床的导热性能的常用方法，一是在床中嵌属肋片，二是在吸附剂中添加某些金属颗粒，如铜粉，镍沫等。（1）吸附床中嵌入肋片为了使吸附剂受热均匀，在吸附床中嵌入金属肋片，使其导热性能大大提高。但是，肋片本身温度的升高也要吸收一定的热量，从而增大太阳集热器的负荷，产生负面影响。所以应选取热容较小的金属。铝合金的热容较小，仅为碳钢的63.5%，而导热系数则为后者的3.25倍，是合适的选择对象。这样就降低了吸附床本身加热、冷却过程所导致的不可逆损失。下表是铝合金和碳钢的一组对比数据：密度(kg/m3)比热J/(kg·℃)导热系数w/(m·℃)铝合金2660871162碳钢784046549.8表格2肋片分布的间距要合适，一般取6厘米左右。据有关文献报导，当把吸附剂的导热系数提高到0.4~0.6w/(m·℃)或当肋片的间距在6㎝时，吸附剂厚度为8㎝左右的吸附床可以认为在沿着厚度方向的温度分布几乎近似直线12），温度梯度小。同时，肋片上留有小孔，通过肋片上的小孔促进了整个床内的传质。（2）提高吸附剂的导热系数上文提到在吸附剂中添加某些金属颗粒以提高吸附剂的导热热系数，可以获得明显的效果。如将分子筛和泡沫金属（由镍和铜箔组成）组成的混合物加上粘结剂厚压缩，并在高温下活化烘干。经固化处理厚的材料的质量组成为分子筛占65℅，泡沫金属占35℅。这种复合材料的导热系数达到了8.，比普通堆积型分子筛的导热系数提高了近90倍，传热效果的增加主要随由于泡沫金属的加入强化了材料的导热；另外，如将活性炭与焦碳和水混合后制成饼状，再在高温下活化，其导热系数与原堆积活性炭相比可提高2～3倍；在分子筛中加入膨化的天然石墨后对材料进行固化，吸附剂的导热系数可达到5～15w/（m·K）6）。但是，将吸附剂固化虽能较好地改善传热，但同时也使制冷剂的传质性能恶化，因此通常在吸附床内部置传质通道，减小制冷剂在吸附和解吸时的传质阻力。值得一提的是，采用高分子导热材料与吸附剂颗粒复合来强化吸附剂热传导性能，沸石与高分子导热材料复合而成的吸附剂的有效导热系数比沸石原粉提高4倍多。与加入金属粉，石墨粉等相比，采用聚苯胺故和方法强化吸附剂的传热，在相同的质量百分含量下，其效果最好。更重要的是，采用高分子导热材料与吸附剂颗粒复合来强化吸附剂热传导后，其吸附性能基本保持不变13）。当采取措施提高吸附剂的导热系数到0.4w/（m·℃）和0.6w/（m·℃）时，床中的温度梯度将明显减小。如上图所示，随吸附剂导热系数的增大，温度曲线逐渐变得平缓，且近似直线分布。本文采用吸附床嵌入肋片同时提高吸附剂的导热系数的方法强化吸附床的传热，将肋片间距取为6.4cm，同时，提高吸附剂的导热系数到0.4w/（m·℃）。此时，吸附床沿厚度方向的温度近似直线分布。这样就进一步提高了床内的热传导速度，缩短了达到吸附饱和的时间，从而减少了系统的循环时间。（3）的金属热容比与系统运行性能金属热容比是指吸附床本身金属材料的热容与所充填的吸附剂的热容比。由于吸附式制冷系统的非连续性，使得吸附床材料的热容对实际系统的运行性能产生很大的影响。这个影响体现在系统不断地加热和冷却过程中所损失的吸附床材料的显热热量，这个热量的大小直接受吸附床本揣设计的影响，另外还受到系统运行过程的影响，如：系统运行的解吸温度、回热过程所进行的程度等等。由于吸附式制冷系统中通常所用的吸附剂属多孔性材料，其特点是导热系数小，密度低，要满足一定的制冷功率，所设计的吸附床往往很大。另外，为了增强吸附床内的热传导，加快吸附床的冷却与加热速率，缩短循环周期，往往在考虑吸附床结构的时候，尽量设法增加其有效传热面积，如增加导热片或导热管等。这样做虽然提高了吸附床的传热性能，但却大大增加了吸附床本身材料的质量，即同样情况下增加了床材料与所充填的吸附剂材料的质量比，也就是增加了床材料与所充填的吸附剂材料的热容比。因此，强化吸附床的传热与减小吸附床本身材料的金属热容比是一对矛盾。如何克服这个矛盾，保证系统的性能是吸附床设计研究的重要方面。在系统运行的一个循环中，吸附床的加热介质将更多的热量传给了吸附床金属，而冷却介质所带走的热量更多地包括了吸附床金属的显热。这样即减小了吸附床的解吸效果，减小了系统的制冷量，同时又损失了更多的热量，减小了系统运行的能效比。与系统运行的制冷量相比，金属热容比的增加相对来说，使COP下降得更多，有关计算表明，如果吸附床的金属热容比增加50%，则SCP下降6.2%，COP下降13.1%。这主要由于吸附床金属热容比越大，损失的显热越大，尽管增加回热时间可以有效地回收一部分热量，但增加回热时间也会导致系统性能的降低7）。下图为理论计算中随着金属热容比的增加系统降温过程中所损失的金属显热量Qml占总加热量Qheat的比例。从这个比例中，也可以看出随着金属热容比的增加，金属显热的损失量将越来越大。金属热容比的增加，增加了系统的投资费用，也增加了吸附床的加工难度，如果只能保证少量制冷功率增加的话，是不经济的。因此不能只追求吸附床华若系数的提高，也不能只追求吸附金属床热容比的减少。二工质对的选择吸附剂－制冷剂工质对的选择是吸附式制冷中最重要的因素之一，一个好的制冷系统不但要有好的循环方式，而且要有在工作温度范围内吸附性能强、吸附速度块、传热效果好的吸附剂和汽化潜热大、沸点满足要求的制冷剂。制冷机是否能适应环境要求，是否能满足工作条件，在很大程度上都取决于吸附工质对的选择。下表是对种常用的物理吸附制冷工质对在典型工况下的性能进行了模拟计算得到的一些数据，表中所给出的循环时间是根据已有的实验台、文献报道以及工质对的特点确定的。表格3工质对活性碳－甲醇活性炭－氨分子筛－水硅胶－水太阳能余热回收太阳能余热回收太阳能余热回收蒸发温度/℃5555555冷凝温度/℃32323232323232解吸时间/℃90110902509025060吸附时间/℃35353535353535循环时间/℃－30－10－3030COP0.330.270.320.39SCP/W•kg-1－74－361－7023选择制冷几要根据应用情况而定，不同的应用条件应有不同的选择。本文是以太阳能为驱动热源的制冷系统，选取平板式吸附床。平板式吸附集热器耐压能力较差，通常不适于在较高压力下工作，因此平板式吸附制冷系统多选用真空状态下工作的吸附工质对，如活性炭－甲醇、分子筛－水等。一般来说，对制冷剂的要求是单位容积汽化潜热大、热稳定性好、无污染、不易燃、无毒、分子量小、压力范围为0.1～0.5Mpa，最好在263K到353K的温度范围内其蒸气压力接近于大气压。但是，完全满足上述条件的制冷剂是很难找到的，目前常用的制冷剂包括：水、甲醇、氨等。下表是这些制冷剂的性能：表格4制冷剂名称化学式标准沸点/℃分子量汽化潜热L/（kj•kg-1）氨NH3－34171368二氧化硫SO2－1046605R22CHClF2－1486235水H2O100182258甲醇CH3OH65321102制冷剂按正常沸点在－10℃以下和－10℃以上分为高压制冷剂和低压制冷剂两类。通过对制冷剂的比较发现，性能相对较好的制冷剂是氨、甲醇和水。目前这三种制冷剂用得最多。下表是这三种制冷剂的性能比较，从表中可以看出它们各自的优缺点。表格5氨甲醇水有毒食入有毒除工作压力低外，是一种相当完美的制冷剂无污染易燃不适于0℃以下制冷在某些浓度下易燃高温下与铜不相容与铜不相容在120℃以上不稳定工作压力高工作压力低汽化潜热大汽化潜热小热稳定性好在物理吸附制冷系统中，活性炭－甲醇是目前使用最为广泛的吸附剂工质对。主要原因是活性炭－甲醇的吸附解吸量较大，所需的解吸温度不高（100℃左右）；吸附热不太高（约1800～2000kJ/kg）；而且甲醇的蒸发潜热较高。与其它吸附工质对相比发现，活性炭－甲醇的COP最高15），由于所需的解吸温度较低，所以活性炭－甲醇系统更适应于太阳能制冷。王如竹和Vasiliev研究了活性炭纤维－甲醇的吸附性能，认为活性炭纤维比活性炭更适合于吸附制冷，其COP可以增加10％～20％，吸附、解吸循环量可以增加2～3倍14）。综上所述，活性炭纤维－甲醇是太阳能吸附制冷系统合适的选择对象。在化学吸附制冷中，以氨的络和物为主的工质对受到了人们的广泛重视，很多专家对此进行了深入的研究。这是因为，氨的络和物对所需的驱动热源要求较低，而且在正压下工作，工作特性较易得到保证，性能也较优。它的这些特点决定，氨的络和物为主的工质适宜以太阳能或低品位余热驱动的制冷机用，SrCl2－NH3就是其中性能较优的工质对。SrCl2－NH3有两个吸附平台：SrCl2－NH3吸附平台和SrCl2－8NH3吸附平台8）。零吸附量到第一吸附平台的临界转折温度为72℃，第一吸附平台到第二吸附平台的临界转折温度为49℃，当系统温度大于72℃时，SrCl2对NH3的吸附量为零。当系统温度小于72℃时开始出现吸附现象，并出现第一吸附平台；当系统温度小于49℃以后，出现第二吸附平台。第一吸附平台的吸附量是1（molNH3）•（molSrCl2）－1，第二吸附平台的吸附量是8（molNH3）•（molSrCl2）－1。这样，若以85℃作为解吸温度，以30℃作为吸附温度，系统可获得较佳的制冷效果。以高效平板太阳能集热器提供热量，在多云的条件下仍能达到解吸温度，而30℃的吸附温度更是世界上大部分地区所具有的环境条件。所以氨的络和物也是理想的选择对象。由于甲醇系统为真空系统，考虑到蒸发器等在真空系统中设计上的麻烦，所以决定采用氨的络和物为吸附工质对。三蒸发器的设计吸附式制冷系统按所采用的工质对可分为真空系统与压力系统两类。若以甲醇与水作为制冷剂的系统作为制冷剂的系统为真空系统，而以氨为制冷的系统为压力系统。由于吸附式制冷系统的冷量输出不均匀，因此通常采用简介方式输出冷量。对于压力系统来说，蒸发器的设计方法与普通压缩式制冷系统的蒸发器设计相同，可采用满液式蒸发器。蒸发器的结构与尺寸根据系统的制冷量来确定。位于蒸发器中的冷剂通过磁力泵泵入液盘中，液盘底部有许多滴液小孔，与冷媒排管设计相对应，滴下的冷剂与冷媒水管进行热交换，吸收管中水的热量蒸发，形成蒸发冷却。制冷剂蒸气通过蒸发器顶部的管道不断被吸附剂吸收，从而使制冷过程持续进行。吸附床吸附过程的流动阻力主要产生于吸附床道蒸发器的管道之间，因此流阻较小。蒸发器的工作原理见下图：对喷淋式蒸发器换热性能的估算借鉴于溴化锂吸收式机组中水在管表面蒸发换热的方法，具体如下：冷媒水和制冷剂间的全部热阻包括：水侧热阻，污垢系数，管子导热热阻及制冷剂侧热阻。总的传热系数Uc可表达为：1/Uc＝1/hw+γ+r0+1/（hrS）其中，hw为水侧的换热系数；hr为制冷剂侧的换热系数；γ、r0分别为污垢系数和管子的热阻；S为表面积比（管外面积与管内面积）。管内水侧的换热系数采用下式计算：hw＝0.023λ/dRe0.8（cwater/λ）0.4喷淋在管子上的液体，润湿管子后形成薄膜滴下，蒸发仅在管子外围的薄膜表面进行，这样薄膜可考虑成热阻，其传热机理类似于降膜型蒸发器。采用水在管表面蒸发的经验公式：hr（δ/λ）＝CePr1/3其中，Ce为根据蒸发器型式决定的比例系数；δ为降膜厚度；λ为液体导热系数；Pr为普朗特数5）。四冷凝器与冷却器的设计吸附式制冷系统的冷凝器主要包括风冷和水冷两种类型。它的设计方法与常规的压缩式制冷系统的冷凝器设计方法相同。主要考虑系统的冷凝负荷、冷凝压力，使冷凝器的设计与吸附床的容量相匹配。同时又要考虑设备的经济性。在这个设计中，要特殊考虑的是吸附床解吸量的变化而引起的冷凝器冷凝负荷的变化。由于吸附床解吸过程中温度的变化以及非平衡吸附过程的存在，使得吸附床的解吸量时刻变化。通常在吸附床最初的一段解吸时间内，解吸量最大，这时冷凝器的冷凝负荷也紧大。因此在确定系统的冷凝负荷时，必须考虑最大解吸量时所需要的最大的冷凝负荷。冷凝器的结构形式可以选用常用的壳管式换热器，换热系数可达1400~2900W/（m²·K）。也可以选用结构紧凑，传热高效的板式换热器，它的特点是：传热面积大，特别是比表面积大，达0.2m²/kg；另一方面，具有波纹型强化传热表面，可促进流体换热，换热系数可达2000~6000W/（m²·K）。 五系统基本循环工作原理为了实现日夜不间断制冷，整个循环系统分为两大部分：一、日间工作系统；二、夜间工作系统。日间采用两床交替式太阳能吸附连续循环系统，夜间采用太阳冷热联合循环系统。1日间工作部分为提高整个系统的制冷和供热量，可将复合吸附床组成一个复合吸附床阵列进行制冷及供热循环。通过阀门的控制，该复合吸附床阵列可公用一个冷凝器、储液器、节流阀和蒸发器。冷媒水通过吸附床内的冷却水槽吸收下床的显热和吸附热。上床解吸时，与其连接的水阀关闭；到达一定压力和温度时，与冷凝器相连接的热力阀打开，解吸出来的制冷剂液体进入冷凝器冷却后，进入蒸发器。与此同时，下床吸附，与其连接的水阀打开；达到一定压力和温度时，与蒸发器相连的热力阀打开，从蒸发器中吸附制冷剂蒸气。当上床充分解吸后，旋转180º交换位置，仍然是上床解吸，下床吸附。这样在白天可连续制冷。下图是基本工作原理图：吸附/解吸往往是在最初阶段速度最块，然后逐渐减慢，因而利用其最初一段时间可以实现较高的制冷功率。在白天吸附系统中，为了争取更大的制冷功率，可以不用等上下床都达到解吸和吸附平衡时才进行解吸和吸附制冷剂。如此一来，虽然系统的COP理论上会降低，但是由于吸附和解吸过程集中在制冷功率最高的那段时间，所以相当于缩短了系统的循环时间，增加了吸附剂和制冷剂的利用率。这对于减少场地的利用是非常有意义的，而且对于等量的吸附剂和制冷剂来说，可以在一定的时间里产生更多的冷量。（1）各个子系统瞬时能量平衡方程的建立a、对于上床：I（τ）Aη＝（Macpa+x1Macprl+Mbcpb）dT1/dτ其中，I（τ）——太阳辐射强度，w/m²；A——上床集热面积，m²；η——上床集热效率；Ma——吸附剂封装质量，kg；cpa——吸附剂定压比热，J/（kg·k）；x1——上床中单位质量吸附剂对制冷剂的吸附质量，kg/kg；cprl——制冷剂液体的定压比热，J/（kg·k）；Mb——吸附床的壳体质量，kg；cpb——吸附床壳体的定压比热，J/（kg·k）；hd——指冷剂的解吸热，J/kg。x1，hd分别按以下两式进行计算：x1＝x0exp（－k1（T1/Tco－1）n1）式中，k1，n1——与吸附工质对脱附时有关的参数；x0——吸附剂对制冷剂的最大吸附质量，kg/kg；Tco——制冷剂的冷凝温度认为等于环境温度k。hd＝L×（T1/Tco）式中，L——指冷剂的蒸发潜热，J/kg。b、对于下床：Gwcpw（Twin－Twout）+αA（Tam－T2）＝（Macpa+x2Macprl+Mbcb）dT2/dτ+haMad（x2/dτ）式中，Gw——冷媒水的流量，kg/s；cpw——冷媒水的定压比热，J/（kg·k）；Twin——冷媒水进入冷却水槽时的温度，k；Twout——冷媒水流出冷却水槽时的温度，k；Tam——环境温度，k；α——下床与环境的换热系数，W/（m²·K）；x2——吸附床中单位质量吸附剂对制冷剂的吸附质量，kg；ha——吸附剂对制冷剂的吸附热，J/kg。x2，ha分别按以下两式进行计算：x2＝x0exp（－k2（T2/Tev－1）n2）式中，k2，n2——与吸附工质对吸附时有关的参数；Tev——制冷剂的蒸发温度，k。ha＝L×(T2/Tev)c、对于水箱：Gwcpw（Twin－Twout）＝Mwtcpw（Twt/dτ）式中，Mwt——水箱中水的总质量，kg；Twt——水箱中水的混合平均温度，k。d、对于冷凝器：Qco＝Ma(dx1/dτ)（cprg(Tco－T1)－L）式中，Qco——制冷剂蒸汽在冷凝器中的放热量，J；cprg——制冷剂蒸汽的定压比热，J/（kg·k）。e、对于蒸发器：Qcooling=Ma(dx2/dτ)（L－cprl(T2－Tev)）式中，Qcooling——制冷剂液体在蒸发器中的质量量，J。（2）系统的性能参数制冷系数：COPcooling＝∫Qcoolingdτ/∫I（τ）Adτ2夜间工作部分：夜间工作系统是间歇性系统，吸附床白天吸收太阳能解吸制冷剂，夜间冷却吸附制冷剂蒸汽，产生冷量。系统的关键在于发生器的设计。发生器由三部分组成：保温外壳、吸附床、循环水系统。由于采用了水裕式吸附制冷系统，所以可以在保温外壳内设置大量吸附床，这样就相当于在同样大小的空间内成倍的增加了系统的循环量，也可以说是大量节省了空间。这对太阳能吸附式制冷这种要求大面积集热场地的制冷方式来说是非常可贵的。更由于系统白天只进行吸热解吸过程，这使得太阳能集热器有足够的时间加热保温壳里的循环水，使浸泡在水中的吸附床顺利进行解吸运动。而且，由于系统循环一次的时间是24小时，这么长的循环时间使得吸附和解吸运动更加充分，这样有利于提高系统的COP值。该联合循环方式的系统结构如下图：系统的工作过程如下：循环从早上开始，关闭真空阀门15，16，打开水阀14，处于初始温度的太阳能集热器被加热，吸附发生器中的循环水循环于发生器与集热器之间。循环水在集热器被加热，然后流到吸附发生器中加热吸附床，一开始吸附床内只有少量的制冷剂脱附出来，当达到一定温度和压力时，打开真空阀15，吸附床进入解吸状态，所解吸出的制冷剂通过放置于水箱5内的冷凝器20，被冷凝为液体进入储液器6中，并通过自重节流阀8进入到蒸发器7中。冷凝器中制冷剂蒸汽冷凝时所释放出的热量通过冷凝器水箱5回收到热水箱2中。当日间太阳辐射旺盛，提供的热量大于加热吸附床所需的热量时，可以打开水阀12，让一部分的循环热水流入热水箱中，为用户提供热水。这个过程一直持续到太阳辐射消失，此时经过一天的解吸运动，吸附床基本已经达到解吸平衡。傍晚，当太阳辐射消失后，关闭真空阀门15和水阀14，打开连接吸附发生器与外接水箱的阀门13，将冷水注入发生器，让冷水冷却发生器中的吸附床。由于发生器与热水箱直接连通，不可将吸附床的显热有效地交换到热水箱2中。在这一过程中，传质通道中的压力下降到冷凝温度所对应的制冷剂工质对的饱和压力。在吸附发生器与热水箱之间装有温度控制仪，并设有控制温度档（如45℃、50℃）。当发生器内水的温度达到控制温度时，打开阀门11，将发生器中的热水注入热水箱2中以供用户使用，然后关闭阀门11，再一次将外接水箱内的冷水注入发生器中继续冷却吸附床，对吸附床进行充分冷却。到晚上时，打开真空阀门15和16，蒸发器中的制冷剂液体因压力骤减而沸腾，开始蒸发制冷过程，所产生的冷量传递给冷媒工质水，通过蓄冷装置22可长时间对外提供冷量。在吸附过程中会产生大量的吸附热量，但由于冷水不断由外接水箱注入吸附发生器中，故吸附热量能有效地被循环到热水箱2中。这不但克服了传统平板式太阳吸附制冷系统夜间吸附床散热难的困难，同时可有效地回收吸附过程中的吸附热。吸附过程一直进行到第2天早上。这样就完成了一个循环。六吸附式制冷系统的优化9）吸附式制冷系统的优化是一个比较复杂的问题，即涉及系统设计，又涉及系统运行。前面已经对系统设计上的优化有了说明，下面主要讨论一下系统运行上的优化。吸附式制冷系统的优化运动涉及到循环时间的优化、加热/冷却控制、理想工况的实现等。循环时间是优化运行中一个非常重要的参数，吸附和解吸过程都是时间关联的动态过程过长的循环时间可确保吸附和解吸过程的充分进行，因而理论上来说系统COP可得到提高。但是，若是考虑热力系统的漏热（吸附床向环境漏热，环境向蒸发器的渗入热），则循环时间过长是不利的；另一方面，循环时间实际反映了吸附式制冷系统的能量密度，循环时间越长则对于某一设计制冷功率的吸附式制冷系统所要求的吸附剂质量越多。吸附床内增强传热至关重要，定浓度冷却时间的缩短直接影响吸附制冷系统的单位质量吸附剂的制冷功率。在以缩短循环时间为目的的吸附式制冷系统中，采用板翅式换热器，螺旋板式换热器作为吸附器将具有明显的优势。在考虑吸附式制冷系统的实用化方面，须以实际运行经济性为目标函数，考虑COP、循环时间、金属材料耗量与吸附剂耗量、初投资、地域经济特点，吸附剂价格和吸附器价格等因素，运用技术经济的管道进行吸附式制冷系统的技术经济分析。七系统运行参数与系统动态性能1循环周期与系统动态性能上面已经提到，系统的循环周期是一个重要的运行参数。通常系统的循环周期越短，单位时间制冷量越大，但是如果循环周期太短，从动态的角度来分析，吸附剂没有足够的时间加热或冷却，解吸与吸附过程也就不圆满。从非平衡吸附的角度来分析，吸附剂没有足够的时间进行吸附与解吸，不能发挥吸附床应有的功能。这样会使单一周期内的制冷量减小，同样会影响系统的SCP和COP。因此循环周期的选择对于最大限度地利用系统的潜力是非常重要的。即要考虑机组所获得的制冷量，又要考虑机组实际运行吸附、解吸过程所需要的时间，这与吸附床的传热传质性能有关，还与冷凝器和蒸发器的新能有关。要使得COP具有较优的值，就要保证吸附床比较完善地运行。而吸附床完善运行的条件是保证一定的循环周期。但较长的循环周期不可能具有较高SCP值。因此可以看出，尽管某一循环周期保证了SCP达到最大值，但不可能保证COP达到最大值。解决这一矛盾的方法就是要提高吸附床的换热性能。2热源温度与系统运行性能机组时间运行的解吸温度是另一个重要的运行参数。通常系统的热源温度越高，吸附床的升温速率越快，解吸温度越高，因此同样循环周期下的制冷功率也越大。但系统的COP则有一个最佳的热源温度。由于热源温度的增加使得吸附床在同样的循环周期下能够更完善的工作，必然要提高系统运行的SCP，但是热源温度的提高也同时增加了系统的加热量，并不一定使得系统的COP也提高，系统COP存在一个最优的吸附温度。通过试验可获得这个温度。3系统运行的环境——冷却水温度与系统动态性能吸附温度与吸附床冷却水进口温度密切相关，通常吸附床冷却水进口温度越低，吸附床的降温速率越快，吸附温度越低，同样循环周期下的制冷功率越大。冷却水温度即影响了系统的解吸量，也影响了系统的吸附量。八吸附式制冷系统运行控制10）吸附式制冷系统的运行控制主要涉及程序控制、能量调节系统、安全保护系统以及微机控制系统。程序控制系统包括机组的正常开机、正常与非正常关机程序等，它是使系统能够正常工作的必要条件；能量调节系统保证机组冷量正常输出，调节系统的制冷量与外界热负荷相匹配；安全保护系统保证机组发生异常情况的时候能够及时处理；微机控制系统完成机组的状态参数监测、安全保护、能量调节以及程序控制功能，它是整个系统的指挥中心。下面介绍一下安全保护系统和微机控制系统。1安全保护系统（1）吸附床的安全保护处于加热状态的吸附床要进行高温保护，这是因为吸附式制冷系统所使用的各个工质对均有其工作的温度范围，吸附床的设计是根据这个工作范围来确定的。因此要保护吸附床的安全工作，必须进行吸附床的高温保护。发生超高压现象的主要原因包括：热源调节因失控而开启过大；系统存在不凝性气体；冷却水温度过高等。采用的保护方法有：检测加热状态吸附床的温度和压力，当他们超过规定值时，启动报警信号，同一时间关闭热源，停止机组运行。待排除故障以后，机组再重新启动运行。（2）冷凝器的安全保护冷凝器是将吸附床解吸出来的制冷剂蒸气冷却成液体，这一过程中冷却水起到了重要的作用。一旦冷却水温度过高或出现断流现象，将导致机组的瘫痪。因此必须对冷却水的温度和流道采取安全保护措施，具体如下：1）在冷却水管道上安装流量控制器，当冷却水的流量小到一定值时（例如减小到额定值的70％以下）启动报警信号，同时切断热源，机组停止运行；2）检测冷却水的进口温度，一旦发现温度过高，则启动报警信号，同时切断热源，机组停机。（3）泵的