王彦禹，倪诚明

( 上海海事大学 商船学院 热能工程系，上海 201306 )

新型太阳能冷管吸附制冷的实验研究

王彦禹，倪诚明

( 上海海事大学 商船学院 热能工程系，上海 201306 )

[摘要]根据固体吸附式制冷原理，利用太阳光作为热源，对一种新型太阳能冷管的制冷性能进行试验研究。该冷管冷凝器采用薄壁不锈钢材料，利用沸石分子筛—水作为吸附工质对。实验结果表明：在太阳辐射强度为21.01～22.90MJ/m2，室外环境温度最高为31℃时，该太阳能冷管的单支制冷量大约为145kJ，制冷温度为11℃，制冷系数约为0.118。

[关键词]太阳能冷管；吸附制冷；吸附床；吸附剂

1引言

目前，随着能源危机的日益加剧，世界各国逐步将目光由常规能源转向新能源和可再生能源的研究。太阳能作为对环境友好的可再生能源，由于其具有覆盖面广，储量大、可再生、无污染等特点，成为最具关注的焦点之一。在利用太阳能方面，有很多已经普遍推广的技术，像现在熟知的太阳能热水器技术、太阳能相变材料，光伏电池技术等等。在制冷领域太阳能的利用包括吸收式制冷和吸附式制冷两大类。其中，太阳能吸附式制冷系统可以有效地利用低品位能源，在环保和节能方便显现出巨大的优势。上海交通大学的刘震炎[1-2]在国际上率先提出了单管自成制热制冷单元的太阳能冷管，解决了吸附床难以持续维持较高的真空度问题，并对吸附床的传热传质性能进行了改进；南京大学的严爱珍[3]及其团队对吸附式制冷及制冷工质对进行了深入的研究；上海交通大学的王如竹[4]等对吸附式制冷也做了大量的研究，研制了将供热水与制冷结合起来的太阳能热水器冰箱复合机；李明[5]等对翅片式冷管进行了结构优化和性能分析，新型结构的翅片式吸附床不仅增强了传热传质能力，而且缩小了吸附床各个部分之间的温差；Paolo Corrada[6]等通过优化太阳能集热器倾角来提高吸附制冷系统中能量的采集能力；N.M.Khattab[7]利用活性炭-甲醇作为吸附工质对，在户外对一种新型太阳能冷管冬夏两季的制冷性能进行了对比和分析；Antoni Gil[8]等将相变材料(PCM)应用于太阳能制冷系统中。

目前固体吸附式制冷亟待解决的问题：1)如何有效地解决吸附集热器白天的高效集热和夜间的迅速散热之间的矛盾关系。2)如何长期维持以甲醇和水等低蒸汽压吸附质作为制冷剂的负压系统的真空度。3)如何克服固体吸附制冷过程间歇性的问题，将夜间所制的冷量有效地贮存到白天使用。

根据目前太阳能吸附式制冷的研究现状，在研究太阳能冷管的制冷机理的基础上，本文对此新型太阳能冷管进行了试验研究，对各个主要参数以及主要参数对试验结果影响进行分析。此外，太阳能冷管与建筑相结合，不仅节约了能源，对绿色建筑的发展起了巨大的推动作用。

2整体低温型太阳能冷管结构原理

太阳能冷管是根据固体吸附原理，利用太阳辐射在单根冷管内完成脱附和吸附循环过程的独立制冷单元[9]。制冷循环包括两个过程：1)在白天太阳辐照太阳能冷管，吸附床温度升高，制冷剂以蒸汽状态从吸附床脱附出来，经冷凝器冷凝后流入蒸发器，冷凝器外壁直接与外界进行热量交换，释放出冷凝热。2)蒸发器位于冷管的下部，晚间随着太阳辐照的逐渐消失，吸附床温度降低，开始吸附蒸发器中的制冷剂，制冷剂的蒸发使其温度降低达到制冷目的，冷量从太阳能冷管的下端输出，一个完整的循环周期为24h。整体低温型太阳能冷管结构如图1所示。

图1　太阳能冷管的剖面图和整体图

该冷管由冷凝器、集热/吸附器、蒸发器三部分组成，冷凝器采用薄壁不锈钢管，可以加快冷凝器的换热速率[10]，不锈钢管端头焊接有螺纹连接口，连接真空阀门，用于连接抽取真空系统，冷凝器与玻璃管连接处采用AB胶密封。吸附/集热器为双层结构，外管与内管采用同轴结构，两管之间为真空隔热夹层，内管采用薄壁不锈钢管，并且其外表面涂有太阳能选择性涂层，外管为高硼硅玻璃管，吸附床内埋有带孔道的制冷剂蒸汽通道。蒸发器为吸附/集热器外管下端的半球型结构，内置制冷剂。该冷管不仅高效吸收利用太阳能，而且能够提供冷量，并在太阳辐射强度较低的情况下也能够制冷，结构简单，操作方便，容易实现产业化。表1所示为太阳能冷管的结构参数。

表1太阳能冷管的结构参数

结构参数数值玻璃管外径/mm48金属管外径/mm38冷凝器/蒸发器长度/mm250高硼硅玻璃管壁厚度/mm1.5吸附床长度/mm1200金属管长度/mm1200吸附质通道外径/mm5高硼硅玻璃管长度/mm1600

3太阳能冷管制冷试验系统

太阳能冷管是一种利用太阳光作为热源，在一根管子内完成太阳能吸附脱附制冷循环的独立制冷器件。太阳能冷管制冷实验装置[11]如图2所示。实验从早上9∶00开始测量太阳辐射强度及环境温度。太阳辐射强度用锦州阳光气象科技公司生产的QTS-4光辐射记录仪进行测量，太阳辐射仪的倾角与冷管倾角保持一致，辐射仪终端与电脑相连，设定每5min记录一次瞬时值。温度测量采用铜-康铜热电偶，冷凝温度是通过在冷凝器壁面设置热电偶测量的，蒸发温度是利用在蒸发器表面设置热电偶测量的，中芯管温度是在中芯管内插入热电偶测量的，测量环境温度的热探头悬挂于台架下面的蔽荫处。该太阳能冷管制冷性能测试试验系统中使用的数据采集装置是Agilent34970A数据采集仪，该仪器是集数字万用表、数据采集器和程控开关于一体，可实现多通道数据记录。

图2　太阳能冷管制冷实验装置示意图

4实验结果与分析

4.1　吸附床与套管温度变化

如图3所示，白天太阳能冷管接受太阳辐射，太阳光透过玻璃外管被表面涂有选择性涂层的内管吸收，热量沿吸附床径向由外向内传递，脱附过程发生。随着太阳辐射的增强，吸附床温度逐渐升高，吸附床上的制冷剂开始脱附，在13∶30时吸附床温度达到最大值，约为220℃，此时脱附过程最为剧烈。随后太阳辐射开始减弱，吸附床温度也随之缓慢下降，但脱附过程仍在继续。夜间吸附床进行自然冷却，吸附过程开始发生。蒸发器内的制冷剂液体，由于达到了蒸发温度下的饱和压力而开始蒸发，蒸发出的制冷剂蒸汽通过吸附质通道被吸附床吸收，直至次日凌晨5∶00左右，吸附床的最低温度为28℃。由于套管对太阳光的透过性极强，加之内外管之间为真空隔层，阻碍了内管的热量向外散失，因此套管的温度与环境温度基本保持一致。

图3　吸附床和套管温度变化曲线

4.2　冷凝温度与向阳面环境温度的变化

图4为5月1日与2日，太阳能冷管的冷凝器温度与向阳面环境温度随时间的波动图。

图4　冷凝温度随时间的变化图

由图可以看出，套管最高温度约为41℃，高于环境温度，这是因为冷管的内管涂有选择性涂层，对太阳光具有极高的吸收率。白天冷管接受太阳辐射，吸附床内的制冷剂受热脱附，然后经吸附质通道进入冷凝器，制冷剂蒸汽透过冷凝器器壁与外界进行热量交换，释放出凝结热。在冷凝过程中，冷凝器的最高温度可以达到35℃，最低温度为21℃，冷管冷凝温度与向阳面环境温度的最大温差约为14℃。在冷凝器进行冷凝时，该冷凝温度主要与进行冷却的冷却水以及环境温度有关，同时它也和吸附床的脱附速度有关，当在一定条件下，脱附速率高的时候，需要放出的潜热就多，冷凝温度就相对较高[12]。此外，当向阳面环境温度达到最大(即太阳辐射强度达到最大)时，冷凝温度仍然在上升，并在一段时间后达到最大值。这是因为太阳能冷管内吸附床热量传递具有滞后性。

4.3　蒸发温度与时间的变化关系

图5为蒸发温度在两个周期内的变化图。夜间，冷管不再受到太阳辐射，吸附床温度开始逐渐降低，压力亦随之下降，当蒸发器内的压力达到制冷剂液体蒸发温度下的饱和压力时，制冷剂[13]开始吸附。由于未向中芯管中通入冷却水，太阳能冷管采用自然冷却方式。开始时，制冷剂液体温度较高，要达到所需要的制冷温度，需要耗费一部分制冷剂的汽化潜热。随后蒸发温度急速下降，在凌晨4∶30左右达到最低值9.3℃。蒸发器的制冷温度维持在11℃左右。

图5　5月1日和5月2日的蒸发温度随时间的变化图

5结论

(1)该太阳能冷管吸附床采用不锈钢管，大大提高了吸附床的集热温度，冷凝器采用薄壁不锈钢材料，加快了冷凝器的散热速率，端头焊接有螺纹连接头用于连接抽真空系统，简化了维修的工艺。

(2)在太阳辐射强度为21.01～22.90MJ/m，环境温度为14～31℃时，该太阳能冷管的单支制冷量大约为145kJ，最高冷凝温度约为35℃，制冷温度为11℃，制冷系数约为0.118。

(3)太阳能冷管清洁无污染环境，应用于建筑中不仅可以为房间提供冷量，而且减少了电力资源的消耗，实现了构造绿色节能建筑的理念。

6参考文献

[1] 刘震炎，赵惠忠，卢允庄等．太阳能制冷管的机理与结构改进实验[J]．上海交通大学学报，2004，38(10)：1635一1638

[2] LiuZ．Y．Z M Fu et a1．Experimental and Numerical Investigation of Enhancement of Heat and Mass Transfer in Adsorbent bed，Thermal Science，1994，3，(2)：l87-190

[3] 严爱珍等.沸石分子筛在吸附制冷应用上的探讨[J].南京大学学报,1986,22(2):371-378

[4] R.Z.Wang,M.Li,Y.X.Xu,J.Y.Wu.An energy efficient hybrid system of solar powered water heater and adsorption ice maker.Solar Energy,2000,68(2):189-195

[5] Xu Ji,Ming Li,Jieqing Fan,Peng Zhang,Bin Luo,LiuLing Wang.Structure optimization and performance experiments of a solar-powered finned-tube adsorption refrigeration system.Applied Energy,2014,113:1293-1300

[6] Paolo Corrada,John Bell,Lisa Guan,Nunzio Motta,Optimizing solar collector tilt angle to improve energy harvesting in a solar cooling system.Energy Procedia,2014,48:806-812

[7] N.M.Khattab,H.Sharawy,M.Helmy.Development of Novel Solar Adsorption Cooling Tube.Energy Procedia.2012,18:709-714

[8] Antoni Gil,Eduard Oro,Laia Miro,Gerard Peiro,Alvaro Ruiz,Jose Manuei Salmeron,Luisa F,Cabeza,Experimental analysis of hydroquinone used as phase change material (PCM) to be applied in solar cooling refrigeration.2014,39:95-103

[9] 刘震炎，卢允庄，王永堂.一种新颖的太阳能制冷管及其性能实验研究.[J].太阳能学报.2000,21(1):82-87

[10] Mohand Berdja, Brahim Abbad,Ferhat Yahi,Fateh Bouzefour,Maamar Ouali.Design and realization of a solar adsorption refrigeration machine powered by solar energy.Energy Procedia,2014,48:1226-1235

[11] 赵惠忠，张敏,刘震炎.新型太阳能吸附式制冷管的试验研究[J].流体机械.2008，36(06)：57-60

[12] 赵惠忠，刘震炎，张敏，马晓东，张波，张杰.太阳能冷管制冷试验的研究[J].河南农业大学学报，2006,40(1):83-86

[13] V.Tangkengsirisin,A.Kanzawa,T.Watanabe,A solar-powered adsorption cooling system using a silica gel-water mixture,Energy,23(5)(1998):347-353

Experiment Study and Application Analysis of Adsorption Refrigeration 0f Solar Cooling Tube

WANG Yanyu，NI Chengming

( Merchant Marine College,Shanghai Maritime University，Shanghai 201306,China )

Abstract：According to the principle of the solid adsorption refrigeration,a new type of solar cooling tube,which used the sun light as a heat source and zeolite molecular sieve/water as working pair,was made and studied in this research.The condenser was made of thin-wall stainless steel materials.The experiment results showed that:When the solar radiation intensity was between 21.01-22.90MJ/m2and the highest environment temperature was 31℃,refrigeration capacity of the single cooling tube was 145kJ.Besides its condensation temperature was about 11℃ and the refrigeration coefficient was about 0.118.

Key words:Solar cooling tube;Adsorption refrigeration;Adsorption bed;Adsorbent

[中图分类号]TK511+3；TQ028.1+4[文献标示码]A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.004

文章编号：ISSN1005-9180(2015)01-019-05

作者简介：王彦禹(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：太阳能冷管吸附式制冷。Email：1607367016@qq.com

收稿日期：2014-10-13