发动机尾气余热驱动的吸附式空调系统仿真与测试

2020-08-19田宜聪高娇李云飞王丽伟安国亮

化工学报 2020年8期

田宜聪，高娇，李云飞，王丽伟，安国亮

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）

引言

凭借着扭矩大、经济性好等特点，柴油车在长途运输、采矿业等方面得到了日渐广泛的使用，但是由于压缩式空调系统消耗能量多，增加了车辆的工作成本，很多柴油车都没有安装空调，这使得驾驶室内的工作环境非常恶劣，尤其是在高太阳辐射地区。以在这些地区应用的采矿车为例，夏天车辆驾驶室内的温度因为热辐射往往能够达到50℃甚至更高。在这种环境下，压缩式空调除了具有能耗大（增加10%～20%的发动机油耗[1]）的缺点外，也很难在这种高温的恶劣环境下达到额定制冷功率输出。与此同时，在发动机额定工况下，车辆尾气余热温度可达400℃，排出车外的尾气也能达到180℃，这部分废热没有得到利用直接排出到大气环境，造成了极大的能源浪费[2-3]。

采用吸附式制冷，可以利用车辆排放的废热，为车辆提供空调效果。同时吸附制冷大多采用绿色环保的制冷剂[4-5]，不会产生温室效应和对臭氧层产生破坏，是一种绿色环保的制冷方式[6-8]。在尾气余热驱动的吸附式制冷方面，黄婷婷等[2]对回质型吸附空调系统进行了理论研究，对所设计的系统进行了计算以及理论层面上的分析，但是没有进行实验研究，缺少实际数据支持。文献[9]介绍了吸附式制冷在车辆制冷领域内应用的可能性。潘莹等[10]搭建了可以回收大中型客车发动机余热的车载制冷空调，讨论了该结构取代现有大中型汽车空调的可行性，但是没有足够的实验数据支撑。高鹏等[11]搭建了汽车尾气驱动的吸附式冷藏车制冷系统，研究了利用氯化锰/氯化钙-氨两级吸附式制冷原理，并进行了系统的制冷量测试，但该系统主要应用在10℃以下的制冷场景，同时为间歇循环制冷，可以用于冷藏车冷冻，并依靠冷藏车上货物的热容实现储冷，但不适用于柴油车空调系统。

设计高效的吸附式柴油车空调系统，最为重要的是吸附工质的选择。常规的吸附工质对中，金属氯化物-氨相比于其他工质对有着吸附量大、制冷温度低的特点[12-13]，不过这种工质对在解吸和吸附阶段会出现滞后现象[14-17]，这个现象使得单盐工质很难在适中的加热温度、高的环境温度条件下，达到较好的制冷效果。机车的余热温度是不稳定的，而且由于烟气的传热系数低、热容低，烟气与吸附床之间的换热温差可以达到100℃以上，一般来讲，吸附床的温度波动区间在120～180℃左右。单盐吸附剂无法满足加热温度为120℃、冷却温度为50℃左右的恶劣工况，这使得这种工质在柴油车空调系统的应用中受到限制。An 等[18]将两种金属氯化物混合成双盐吸附工质，并通过实验证明其能够大幅度减少滞后温差。目前关于双盐工质的研究大部分停留在吸附剂性能测试阶段[19]，还没有研制出相关的空调系统。

针对以上问题，本文提出了一种采用氯化钙/氯化锰双盐吸附的双床连续型吸附式制冷系统，并搭建了相关系统，进行了性能仿真与测试。

1 吸附剂的研制及系统工作原理

1.1 吸附剂的研制

通过对吸附床工作温度的测试，确定吸附床中填充的双盐吸附剂材料为氯化钙和氯化锰，并在氯化钙与氯化锰混合后，添加膨胀硫化石墨组成复合吸附剂，减少吸附剂在多次循环后发生的结块现象[20]，显著提高系统的传热传质性能。

吸附剂材料的制备流程如图1所示。

具体步骤为：（1）将膨胀硫化石墨置于烘箱内，在130℃条件下烘干3 h，确保其中无水分；（2）按照质量比为2.5∶2.5∶1 的比例[21]称取氯化锰、氯化钙和膨胀硫化石墨；（3）将氯化锰和氯化钙溶于水后，将膨胀硫化石墨溶解于氯化钙和氯化锰的混合溶液中，并不断搅拌直至均匀；（4）将搅拌后的混合物放置于160℃的烘箱中，烘干水分；（5）将完全烘干的吸附剂材料压制成块状，控制其密度为400 kg/m3。

1.2 系统工作原理

氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨-NH3连续吸附制冷系统的工作原理如图2所示。

图2 氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨-NH3连续吸附制冷系统原理Fig.2 Schematic diagram of sorption refrigeration system

系统的工作原理如下所述。

（1）S1 床吸附制冷，S2 床加热解吸。此时S1 床被冷却风冷却、S2 床被发动机尾气余热加热，阀门VE2、VE3、VE4 以及VA2、VA4、VA5、VA7、VA9、VA10、VA11为打开状态；VE1以及VA1、VA3、VA6、VA8 为关闭状态。其中，VA1 和VA2 为单向阀；VA3、VA4、VA5、VA6、VA10 和VA11 为手动球阀；VA7、VA8 为电磁阀；VA9 为电子膨胀阀。工作时，带有余热的柴油车发动机尾气从VE2 进入吸附床S2，加热吸附床，解吸出吸附质氨，吸附质通过VA5、VA2 阀门进入冷凝器，由冷却风扇冷却，在冷凝器中放热冷凝为液体后进入储液罐，并经由管路进入放置在柴油车驾驶室内的蒸发器产生蒸发制冷效果，蒸发之后的气态氨经由VA7、VA4阀门进入S1 吸附床，由风扇驱动冷却风对S1 吸附床进行冷却，使吸附质为S1中的吸附剂所吸附。

（2）S2 床吸附制冷，S1 床加热解吸。此时阀门VE1、VE3、VE4 以及VA1、VA3、VA6、VA8、VA9、VA10、VA11为打开状态；VE2以及VA2、VA4、VA5、VA7 为关闭状态。工作过程类似于阶段一，此时发动机尾气加热吸附床S1 解吸出氨，吸附质沿VA3、VA1 进入冷凝器，冷凝为液体后进入储液罐，并进入蒸发器产生制冷效果，蒸发之后的气态氨进入S2被吸附。

两个工作阶段交替运行，可以实现系统在驾驶室内的连续制冷效果。

2 系统仿真

2.1 仿真方程的确定

系统测试实验前，针对不同环境温度条件下系统的制冷量与单床加热时间的关系以及不同发动机工作条件下系统的COP进行了模拟仿真。

系统吸附床中吸附剂的解吸热、吸附床本身的热容消耗和复合吸附剂的显热所需热量由汽车尾气的余热提供：

式中，Cexhaust为发动机尾气的比热容，J/(kg·K)；mexhaust是这部分尾气的质量流量，kg/s；Texhaust,in与Texhaust,out分别为尾气流经所需加热吸附床的进口与出口温度，K。

在实验中，根据循环时间可计算整个循环周期的平均加热量：

式中，tloop表示系统的循环周期，s。

相应地，对于系统的制冷量有：

式中，Cair为通过蒸发器的空气的比热容，J/(kg·K)；mair是通过蒸发器的空气的质量流量，kg/s；Tair,in与Tair,out分别为空气通过蒸发器进口与出口的温度，K。

则系统在一个周期内可以产生的平均制冷量为：

整个系统的COP可表示为：

双盐的吸附/解吸特性方程采用线性类比模型搭建吸附解吸反应动力学方程[22-25]，可表示为：吸附特性

解吸特性

式中，X 为吸附量，g；k1、k2、k3、k4为反应动力系数，m1、m2、n1、n2为常数，通过特定条件下吸附剂性能测试确定，具体数值见表1；Pe为脱附临界压力，kPa，Te为其在Clapeyron 线上对应的临界温度，K;T为吸附剂实时温度，K；P 为其在吸附剂Clapeyron 线上对应的压力，kPa。

吸附床的传热过程使用一维非稳态导热问题的通用控制方程：

式中，ρsor为传热过程中吸附剂材料的密度，kg/m3；Csor为吸附剂材料的比热容，J/(kg·K)；ksor为吸附剂材料的传热系数，W/(m2·K)；S 为内热源，即单位体积下的吸附（解吸）热，W/m3；r 为单元管的半径，m；t为时间，s。

冷凝阶段的质量和能量方程可分别表示为：

式中，mcon为冷凝器质量，kg；Xdes为解吸床的吸附量，g/g;mdes为床内吸附剂质量，kg；Lcon为冷凝温度下氨的潜热，J/kg；ΔHcon为氨在冷凝器温度和在解吸床温度之间的焓差，J/kg。

同理，蒸发阶段的质量和能量方程可分别表示为：

式中，meva为蒸发器质量，kg；Xsor为吸附床的吸附量，g/g;msor为床内吸附剂质量，kg；Leva为蒸发温度下氨的潜热，J/kg；ΔHeva为氨在蒸发器温度和在吸附床温度之间的焓差，J/kg。

2.2 仿真参数的确定

系统制冷时，制冷剂的吸附与解吸过程发生在两个大小为500×400×800 mm3吸附床内的单元管中。单元管内部均装载了事先配置压块的氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨吸附剂，按8×2+7×2 进行插排排列。吸附床内有两块留出供30 根单元管通过的空洞支撑板用来固定单元管位置，将单元管在吸附床的内部架空，并在吸附床外壁上留出接口。在系统工作过程中，发动机尾气与外界冷却空气分别与单元管外壁产生传热，以此作为管壁的边界条件，并以环境温度作为系统循环仿真的初始条件。

吸附床的单元管选用规格及参数如表1所示。仿真过程中采用的尾气进口温度及尾气流量等数据由柴油机矿车系统的尾气实际工况计算得出，如表2所示。

表1 仿真过程中使用的参数Table 1 Simulation parameters used in the process

表2 柴油机矿车系统的尾气参数Table 2 Exhaust parameters of diesel engine mining car system

2.3 仿真结果及分析

仿真结果如图3 所示。结合图3(a)、(b)可以得到：随着冷凝温度的上升，解吸床内部压力随之上升，解吸速率受到影响，理论平均制冷功率在总体上呈下降趋势；在单床加热时间为2000 s时，系统的制冷功率达到最大值，但此时的系统COP 未达到最大值，说明系统未能充分利用尾气中的余热能量，吸附床内的反应仍在进行，随着时间的增加，反应趋近于完全，平均制冷功率会因为时间的影响逐渐降低；在不同的发动机工况条件下，当单床加热时间处于45 min 左右时，COP 达到最大值，代表着尾气中余热已被充分利用。

图3 系统性能仿真结果Fig.3 Simulation results of system performance

综合考虑制冷功率和COP，得出系统的最优单床加热时间为45 min，此时系统的平均制冷功率可以达到3 kW 以上，COP也可以达到0.25左右。因此在后续的实验测试中，采用了45 min 作为单次加热时间。

3 实验系统与性能分析

所搭建的实验系统如图4所示，在实验过程中，系统使用加热风机模拟发动机尾气余热，加热解吸床，驱动系统工作产生制冷量；使用风扇驱动冷却风冷却吸附床，模拟柴油车在行进过程中用于冷却吸附床的自然风。设定单床加热时间为45 min，即对解吸床加热45 min 后，通过控制管路和风扇开关，使该吸附床被冷却风冷却，此时由另一侧吸附床充当解吸床，以此实现连续式制冷效果。将蒸发器置于测试间内，通过温度传感器及风量测量对系统制冷量进行测试。

图4 余热驱动的吸附式空调实验系统Fig.4 Test unit of sorption air conditioning system

在测试阶段，控制电加热风机输出的尾气温度在225～235℃范围内波动。在25～45℃为代表的室外温度下，系统的平均制冷量如表3 所示。表3 中给出了系统在不同室外温度时使用仿真和实验两种方法分别得到的制冷量结果，实验结果中，除25℃时因系统漏热较大引起制冷量较低外，其余条件下制冷量相差不多，体现了双盐吸附剂的适应性，数据波动主要由制冷剂显热波动、系统漏热等原因引起，实验得到的系统平均制冷量均能达到2.95 kW以上。

表3 制冷量对比Table 3 Comparison of refrigeration capacity

图5给出了环境温度为40℃条件下的蒸发器性能随时间的变化。从图5 中可以看到，在单床加热工作的45 min 内、控制蒸发器进风口空气温度为28.5℃的条件下，出风口空气温度低于23℃，平均温差可达6.5℃；在系统的制冷量上，系统的平均制冷量能够达到3.2 kW。

图5 蒸发器性能随时间的变化Fig.5 Performance of the evaporator vs.time

4 结论

在高太阳辐射地区，柴油车驾驶室内温度过高将导致普通车载空调很难达到额定制冷功率输出，并且会增加发动机的耗油量、降低柴油车经济效益。针对以上问题，本文提出了一套双床连续型吸附式制冷系统。系统采用双盐吸附工质以适应恶劣工况、减少滞后温差，利用发动机尾气余热驱动吸附剂解吸，产生冷量用于柴油车驾驶室内的空调制冷。总结研究内容如下。

（1）采用双盐复合吸附剂，使用氨作为制冷剂。将氯化钙、氯化锰和膨胀硫化石墨按比例混合制备成的复合吸附剂，可以避免单盐吸附工质在解吸和吸附阶段出现的滞后现象、保证吸附床的传热传质性能，并且能使系统更好地适应柴油车的恶劣工况，具有稳定性高、适应性强的特点。系统循环采用双吸附床设计，在设置循环时间后，通过控制阀门，实现系统中两个吸附床解吸/吸附工作状态交替运行，使该系统可以为外界提供连续的制冷效果。

（2）本文使用数学仿真对系统的理论性能进行了模拟计算与分析。搭建了双盐吸附剂的吸附解吸反应动力学方程，围绕吸附/解吸床、蒸发器和冷凝器几大部件建立了系统仿真方程，并结合系统设计确定仿真参数。仿真结果表明：当单床加热时间为45 min 时，系统的理论平均制冷功率可以达到3.5 kW，在此周期条件下，不同发动机工况下系统COP处于0.2～0.25之间。

（3）本文搭建实验台对系统进行了测试。通过对系统吸附床进行设计加工、对蒸发器和冷凝器进行改装，最终搭建出了一套系统实验台。实验结果表明：在热空气温度为230℃的条件下，系统在不同环境温度下能产生3 kW 的平均制冷量。其中在40℃环境温度、45 min 的解吸/吸附时间条件下，系统在蒸发器进出口处的平均温差为6.5℃，系统周期内的平均制冷量为3.2 kW。

符号说明

Cair,Cexhaust——分别为通过蒸发器的空气的、发动机尾气的比热容，J/(kg·K)

Csor——吸附剂材料的比热容，J/(kg·K)

ΔHcon——氨在冷凝器温度和在解吸床温度之间的焓差，J/kg

ΔHeva——氨在蒸发器温度和在吸附床温度之间的焓差，J/kg

ksor——吸附剂材料的传热系数，W/(m2·K)

Lcon，Leva——分别为冷凝温度下、蒸发温度下氨的潜热，J/kg

mair，mexhaust——分别为通过蒸发器的空气质量流量、发动机尾气的质量流量，kg/s

mcon，meva——分别为冷凝器、蒸发器质量，kg

mdes，msor——分别为解吸床、吸附床内吸附剂质量，kg

P——氨源压力，kPa

Pe——实时温度在吸附剂Clapeyron 线上对应的压力，kPa