基于吸附式技术的制冷系统的分析与研究

　　1 引言

　　固体吸附式系统之构想在1848年由Faraday提出,但由于制冷效率不佳应此鲜少有商业化的系统设备,直至近代结合太阳能系统可同时提供制冷与热水,才吸引了许多研究工作者的广泛注意,但依旧存在着成本与效率等问题须改善。吸附效率主要取决于吸附床之设计构造与吸附剂配对等,本研究结果作为往后吸附式系统设计之参考。

　　2 吸附式制冷系统的研究

　　固体吸附制冷系统中吸附床构造决定整个系统性能之优劣,吸附床设计的优劣主要取决于吸附床热传与质传的效果。系统吸附床主要是利用硅胶颗粒组成,在吸附床构造中主要为固体硅胶颗粒与颗粒间隙构成的冷媒流道。

　　考虑吸附床与冷却壁层之间于近似真空,忽略吸附床与冷却壁层间的对流与扩散等热传现象。本研究中所使用水为被吸附剂(冷媒),根据水的饱和蒸汽压可用Clausius-Clapeyron方程式表示:

　　式中Ps为水的吸附平衡压力(mbar)、T为水的吸附平衡温度(K)、参数A、C分别表示冷媒的组合性质;水的A值为20.589,C值为-5098.257。weq为压力Ps下的平衡吸附量,Ps(Tb)为相对于吸附剂温度Tb下的饱和冷媒蒸汽压力,Ps(Tw)为相对于蒸发/冷凝温度Tw下的饱和冷媒蒸汽压力,A(Tb)为最大平衡吸附量,A(Tb)为常数,A0～A3、B0～B3由实验数据决定。

　　考虑系统冷却流体透过系统热交换金属管对吸附床冷却,其流体半径相当于热交换金属管半径(内径ro);其流体长度相当于冷却金属管长度(L)。由于ro/L>>1,因此简化冷却流体模型为一维模型,冷却流体一维轴向能量方程式为:

　　实验系统主要利用吸附周期时冷却流体降低吸附床之温度并且由吸附床吸附蒸发/冷凝器中之冷媒产生制冷量。脱附周期时由冷却流体冷却吸附床使吸附床中的冷媒蒸气由吸附床中脱附至冷凝器冷凝。

　　数值计算上,其求解流程如下:

　　(1)在程序开始时先代入各计算参数(硅胶的物理性质、吸附床体的几何形状),后设定初始条件(金属管温度、吸附床体温度和冷媒气体压力等等)。

　　(2)开始对时间作累计,计算迭代新值的含水率、各方向上的速度值、压力分布及温度分布。

　　(3)计算出的迭代新值与旧值做比较,判断是否达到收敛条件。若未达到,则新值覆盖旧值,再重新计算含水率、速度、压力、温度。若达到收敛条件,则输出计算结果。

　　(4)判断是否达到设定模拟结束时间的判断。到达时间结束时间则程序结束,若未到达结束时间则回到(2)。

　　3 结语

　　本研究所建立之实验系统为使用硅胶与水做为吸附配对,利用改变各项实验参数方式得到系统之吸附床温度分布、吸附床压力与吸附/脱附量等性能参数。并利用改变各项系统参数所得到的性能参数进行探讨以获得系统的优化设计。从如图1所示的实验结果验证数值计算研究结果显示脱附周期时吸附床与系统吸附量趋势可以有效的预测。