基于太阳能吸附式制冷中的新型吸附床的研究

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    早在20个世纪30年代人们就对固体吸附式制冷进行了研究,不过当时无法在效率、功率上与压缩式制冷机相竞争,因而一直没有受到足够的重视。到了90年附式制冷的研究才得到了较快的发展。

    吸附式制冷的循环类型有基本型、连续型、连续回热型及对流热波型,目前真正做成功的样机只有基本型、连续型、连续回热型三种[1]。对对流热波型的研究主 要进行了理论模拟,研究表明提高其系统性能和大幅度降低能量密度是一个难以协调的矛盾,因而真正实现起来困难重重。就上面三种类型的样机而言,在实验及理 论模拟方面都做了很多工作[2-4],前期工作已经做得比较完善。随着固体吸附式制冷的进一步发展,人们越来越希望吸附式制冷能市场化,现有的样机中实验 及控制仪器仪表较多,使用复杂,且仪器仪表对系统的传热传质有所影响,同时增加了成本,因此设计一台实用化的样机很有必要。在吸附式制冷系统的实用化设计 中,吸附床的设计是一个关键,要求吸附床在吸附式制冷系统循环的加热解吸过程中能尽快地将外界供给系统的能量传递给吸附床内的吸附剂,使吸附剂能脱附出制 冷剂。同时,在冷却吸附过程中应使吸附床的显热及吸附热尽快地释放出来以便使吸附剂吸附制冷剂而产生蒸发制冷效果。因而改进吸附床的性能与吸附床的传热性 能密切相关。在改进吸附床方面,许多学者做了大量的工作,如采用管状结构的吸附器[5-7],将吸附剂填充至金属管中,在金属管中央布置一根同心圆管作为 制冷剂的传质通道,然后将金属管粘接到集热器的表面上;还有将吸附剂颗粒与导热性能较好的金属粉末或石墨混合[8],在文献[9,10]中也大量提到对吸 附床改进的方法。然而要将太阳能固体吸附式制冰机实用化还需进一步改进吸附床的系统性能。

    1　吸附床的设计

    在设计吸附床时,我们着重于改善吸附床的传热和接受太阳能的性能上,并充分考虑了以往学者的成功及不足。如图1所示,为了使吸附床具有较好的传热特性,在 吸附床内用2304片0.17 mm的铜片将吸附床里面隔成蜂窝状,每个蜂窝状的尺寸为19.5 mm×19.5 mm×38 mm,每个蜂窝状的孔里都填充活性炭。以往设计中,吸附床表面用金属铝板或钢板与吸附床焊接,然后在金属表面刷上黑板漆以增强其吸热能力,这样做可以增加 与其相连的传热肋片的导热性,也可以保证系统的真空度,但传热热阻较大,影响吸附床升温。为了使吸附床在吸收相同太阳能辐射的情况下,温度能够升得比较 高,采用如下的设计方法,用一块厚4 mm透过率为96%的钢化玻璃代替钢板,钢化玻璃与吸附床用硅铜密封胶进行密封,以使太阳直接照射吸附床,省去了中间的传热环节,减少传热热阻,使吸附床 能够达到较高的解吸温度。由于吸附床中蜂窝肋片的引入,吸附床上下表面的热阻大大减少,吸附床上下面温差也将减少。为了防止钢化玻璃因负压而破碎,在吸附 床里用七号槽钢做支架,同时也起到传热肋片的作用。在吸附床底部,为了使制冷剂畅通,用一块厚2 mm打有4300多个直径为4 mm圆孔的钢板做隔离,在钢板与吸附床底部空出20 mm的间隔作为制冷剂的流动通道;为了防止活性炭从钢板的圆孔中漏到底部制冷剂的通道中,堵塞制冷剂的流动,在活性炭与4mm的钢板之间用一张200目的 不锈钢丝网将它们隔开,这样既不会使活性炭下漏,也不会因为加了一张隔离物而堵住了制冷剂的通道,同时吸附床的上下面各布置一个热电阻温度计(图1)。