赵文魁，王云峰，赵冲，李明，梁靖康，黎学娟

(1.云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500;2.云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500)

太阳能吸附式制冷机因可直接利用太阳能且使用无污染且环境友好的工质对(如沸石-水、硅胶-水、氯化钙-氨、活性炭-甲醇等)[1]而受到广泛关注.在吸附式制冷循环中，解吸性能直接影响系统的制冷性能.由Dubinin-Astakhov吸附理论可知，在解吸过程中，提高吸附床温度可以提高制冷剂的解吸速率[2].于是有学者提出并采用抛物面聚焦器(CPC)集热装置的吸附床[3]，增加吸附管单位面积的热量输入，实现吸附管的快速升温.在采用CPC技术和均匀布置翅片强化传热的基础之上，使用微型真空泵以降低解吸过程的解吸压力[4-5]，能有效提高制冷系统单位质量吸附剂的制冷功率(SCP).ZHAO等[6]用CPC吸附床进行了自然传质模式与强化传质模式的对比实验研究，发现强化传质模式促进了制冷剂解吸从而提高系统的制冷量和性能系数(COP)，达到改善制冷剂解吸性能的目的，但是在直接强化传质模式下最开始解吸的这段时间内出现解吸压力高于自然传质的现象，降低了解吸速率.

本文构建了一种基于CPC聚光吸附床的太阳能吸附式制冷系统，并采用自然传质和强化传质相协同的运行策略，即系统传质通道由自然与强化双通道构成，先以自然传质方式降低解吸过程的起始压力，再通过强化传质模式降低解吸过程后段压力.实验测试并分析了室外典型无云晴天工况下自然传质、强化传质和自然-强化传质协同三种模式下系统的性能.

1 太阳能吸附式制冷机工作原理

1.1 工作原理

固体式吸附制冷系统循环原理图如图1所示，吸附制冷系统工作的热力循环过程主要有：加热、解吸、冷却和吸附四个过程.

图1 固体吸附制冷循环原理图

(1)过程一为等容加热.初始状态吸附床压力和温度分别为Pe和Ta，开始等容加热过程，吸附床不断地接收太阳辐射并且辐射强度逐渐增强，其温度和压力也随之升高.

(2)过程二为等压解吸过程.在自然解吸过程中，解吸压力为Pc，起始温度为Tg，解吸结束时吸附床温度为Tmax.在强化解吸过程中，解吸压力为Pc′，低于自然传质过程解吸压力，解吸结束时吸附床温度为Tmax.

(3)过程三为等容冷却过程.在理想的吸附式制冷循环过程中，等容冷却过程起点的压力为Pc/Pc′，吸附床温度一直降至环境温度，压力同时降至Pe.

(4)过程四为等压吸附.在等压吸附过程中，蒸发器中的制冷剂不断气化，同时带走冰箱中冷媒水的热量.

吸附制冷循环过程由Dubinin-Astakhov (D-A)方程来描述，表达了活性炭的吸附率x与系统的温度T和压力P之间的关系，即[7]：

x(P,T)=

(1)

式中，W0—单位质量活性炭的极限吸附体积，m3/kg；ρ(T) —制冷剂的密度，kg/m3；D—吸附剂-吸附质对的表征系数；Ps(T)—制冷剂的饱和压力，kPa；n—D -A方程的修正系数;T—活性炭温度，K;P—吸附/解吸压力，Pa.

1.2 实验系统结构及参数

所研究的太阳能吸附式制冷系统图如图2，CPC吸附床参数如表1所示，吸附床放置于室外实验平台，朝向为正南方向，吸附器内部均匀布置传热翅片.冷凝器为四根带翅片铜管.传质泵采用微型无油微型真空泵，参数如表2所示.储液瓶为10 L玻璃瓶，测量精度为5 mL.蒸发器为全铝材质，在吸附剂吸附制冷剂的过程中与冷媒水的快速换热制冰.

表1 吸附床参数

图2 太阳能吸附式制冷系统图

表2 传质泵参数

1.3 系统性能评价

太阳能吸附式制冷系统可通过其制冷循环系数来评价其系统性能COP，公式如下[8]：

(2)

式中，Qref—蒸发器中制冷剂(甲醇)蒸发所带走的热量，MJ；Qs—CPC吸附床所接收的太阳能，MJ；Qpump—传质泵在运行过程所消耗的电能，MJ.

蒸发器中制冷剂(甲醇)蒸发所带走的热量[9]：

Qref=ΔmaLe

(3)

式中，Δma—制冷剂循环量，kg；Le—制冷剂的汽化潜热，J/kg.

吸附床在实验过程中所接收的太阳能Qs[10]：

(4)

式中，I—太阳瞬时辐射强度，W/m2；Aab—CPC吸附床面积，m2；t—太阳辐射时间，h.

传质泵工作过程消耗的电能：

(5)

式中，Ppump—传质泵瞬时功率，W；t—传质泵工作时间，h.

2 结果与讨论

为验证不同传质模式下制冷剂解吸性能，在云南昆明(24.87°N，102.86°E，大气压为80 kPa)搭建了如图2所示基于CPC太阳能吸附制冷系统的实验平台.采用TRM-2辐射计测量实验过程太阳辐射强度和累计辐射量，获得CPC所接收的太阳能.将T型热电偶分别布置于每根吸附管中部的上、下侧以测量其温度，并用FLUKE记录实验过程的吸附管壁温度.

此次的吸附制冷实验对比了三种不同传质模式的解吸性能和COP，分别为模式1—自然传质，模式2—直接强化传质和模式3—自然与强化传质协同模式.三种传质模式下太阳能加热时间均为从9∶20到15∶00.

2.1 吸附床温度变化

图3分别为三种模式下吸附床加热过程的温度变化趋势.在10∶20开启解吸通道后，有大量的制冷剂从吸附剂中解吸，带走了吸附床的大量热量，因此，在10∶20到10∶30时间内吸附床的升温速率相对减小.

图3 吸附床温度变化

由于吸附床接收的能量大于制冷剂的解吸热，并且吸附床金属部分吸收的热量和活性炭的吸热量以及吸附床内甲醇的吸热量均大于0，13∶00后太阳辐射强度虽然开始下降，但是于14∶30左右吸附床的温度升高至最高值118 ℃.14∶30至15∶00，由于吸附床吸收的热量不足以满足制冷剂的解吸热，因此，在结束解吸时三种传质模式下吸附管4的温度分别降至111、107.7 ℃和114.8 ℃.

2.2 解吸压力分析

吸附床在开始解吸之前是定容加热过程.图4记录了三种传质模式下吸附床压力随时间的变化情况.在定容加热过程中由于吸附床不断接收太阳辐射，并且辐射强度I不断增强，吸附床升温较快，因此，由D-A方程可知吸附床压力不断升高.在定容加热过程结束时吸附床压力达到26.6 kPa，分别使用不同传质模式开始解吸：

图4 吸附床压力变化 图5 制冷剂解吸体积变化

(1) 在传质模式1中，只打开真空阀门1.此时储液瓶压力为7.8 kPa，低于吸附床压力26.6 kPa，压力差致使制冷剂蒸汽迅速进入冷凝器冷凝，吸附床压力降至20 kPa.在随后的一段时间内，制冷剂自然扩散速率小于制冷剂解吸速率，因此吸附床压力升高至29.1 kPa.13∶00后辐射强度降低，同时吸附床中活性炭吸附率x的降低，制冷剂的扩散速率大于制冷剂解吸速率后，解吸结束时吸附床压力降至27.4 kPa.

(2) 在强化传质模式2过程中，开启传质泵，吸附床压力由27 kPa缓慢降低至22.5 kPa，然后由于真空泵无法将已经解吸出来的制冷剂蒸汽送入冷凝器冷却，因此吸附床压力升高至27.5 kPa.此后，随着制冷剂的解吸速率下降，吸附床压力伴随辐射强度降低而降低至22.4 kPa.

(3) 在先自然再强化传质的模式3中，解吸过程先打开真空阀门1通过自然传质通道传质，等吸附床压力快速降低之后切换为强化传质模式.已经解吸出来的制冷剂蒸汽通过自然传质通道快速进入冷凝器冷却，因此此时吸附床压力从27.4 kPa快速降低至20.6 kPa.随后，吸附床压力变化趋势与模式2基本一致.

2.3 解吸性能与结果分析

制冷剂的解吸量/循环量衡量了吸附式制冷系统的制冷性能，图5表示了解吸出的制冷剂体积变化.解吸过程于10∶00开启，在10∶10时三种传质模式下储液瓶中分别有280、150 mL和300 mL甲醇液体.在模式2中，开启真空泵解吸后，由于真空泵的流量限制，不能将吸附床中已经解吸出来的制冷剂蒸汽快速输送至冷凝器冷凝.然而，在11∶00时模式1和模式2的解吸量均为350 mL.在11∶10时，模式1和模式2的吸附床压力到达24.7 kPa.在之后的解吸过程中，由于微型真空泵的降压作用，模式2的吸附床压力一直低于模式1.因此通过微型真空泵强化传质可有效降低吸附床压力，在相同的吸附床温度下使用真空泵强化传质比自然解吸获得更高的解吸速率和更多的制冷剂循环量.模式2在13∶45就达到了模式解吸结束时的解吸量1 430 mL，解吸结束后强化传质模式解吸量相比于自然传质模式提高了19.72%.

通过对比模式2和模式3两种不同传质方式的实验结果，本文新提出的方法可以使解吸过程开始就能达到快速降低吸附床压力的目的.由于没有真空泵的限流作用，在解吸开始时制冷剂的解吸率和自然传质过程的解吸率几乎一致，并且在之后的解吸时间内使用真空泵强化传质过程的解吸速率一致.因此，在14∶10时传质模式3的解吸量就达到了1 700 mL，比模式2缩短了50 min.

在太阳能吸附式制冷循环中辐射强度决定制冷剂的解吸率，为了提高制冷剂的解吸量，必须缩短解吸过程所需时间.如图5所示，解吸完成后模式1的解吸量为1 430 mL，模式2缩短了1.25 h，模式3缩短了1.67 h.

实验结果如表3，自然传质过程的制冷量和COP分别为1.25 MJ和0.076；强化传质过程的制冷量和COP分别为1.49 MJ和0.093，比自然传质模式提高了19.72%和22.37%；自然-强化传质过程制冷量和COP分别为1.62 MJ和0.100，比强化传质过程分别提高了8.82%、7.53%.

表3 实验运行结果

3 结 语

基于CPC太阳能吸附制冷系统，在晴朗天气下进行了自然传质、直接强化传质和自然-强化传质切换三种传质模式解吸性能的对比实验.结果表明，在相同的天气状况下，采用隔膜真空泵强化传质对太阳能吸附制冷解吸性能有非常明显的提升效果(制冷量提高了19.72%).因此，强化传质在吸附制冷的解吸过程是非常有必要并且效果非常明显的.

通过自然-强化传质可以脱离解吸开始时在强化传质过程由于隔膜泵流量的限制，同时拥有自然传质初始时快速降低吸附床压力的优点和强化传质过程通过隔膜泵持续降低解吸过程吸附床压力.根据吸附理论，降低解吸过程压力可以提高解吸速率从而促进制冷剂解吸更彻底.实验结果表明，自然-强化传质过程制冷量和COP分别为1.62 MJ和0.100，比自然传质过程提高了30.28%和31.58%，比强化传质过程提高了8.82%和7.53%，证明此方法可有效提高单泵单冷凝器吸附制冷系统强化传质模式的制冷量及系统COP.