基于吸附式技術的制冷系統的分析與研究

摘 要:隨著科技不斷的進步，制冷系統在現今人類社會中占有相當重要的地位。但隨著蒸氣壓縮式制冷機組的廣泛應用，導致衍生出來的臭氧層破壞及溫室效應等問題。本論文利用吸附配對來建立一套固體吸附制冷系統，利用計算離散系統建立數值模型，并針對各項系統參數進行實驗分析。

關鍵詞:吸附式技術制冷系統

中圖分類號:TB6文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0035-01

1引言

固體吸附式系統之構想在1848年由Faraday提出，但由于制冷效率不佳應此鮮少有商業化的系統設備，直至近代結合太陽能系統可同時提供制冷與熱水，才吸引了許多研究工作者的廣泛注意，但依舊存在著成本與效率等問題須改善。吸附效率主要取決于吸附床之設計構造與吸附劑配對等，本研究結果作為往后吸附式系統設計之參考。

2吸附式制冷系統的研究

固體吸附制冷系統中吸附床構造決定整個系統性能之優劣，吸附床設計的優劣主要取決于吸附床熱傳與質傳的效果。系統吸附床主要是利用硅膠顆粒組成，在吸附床構造中主要為固體硅膠顆粒與顆粒間隙構成的冷媒流道。

考慮吸附床與冷卻壁層之間于近似真空，忽略吸附床與冷卻壁層間的對流與擴散等熱傳現象。本研究中所使用水為被吸附劑(冷媒)，根據水的飽和蒸汽壓可用Clausius-Clapeyron方程式表示:

式中Ps為水的吸附平衡壓力(mbar)、T為水的吸附平衡溫度(K)、參數A、C分別表示冷媒的組合性質；水的A值為20.589，C值為-5098.257。weq為壓力Ps下的平衡吸附量，Ps(Tb)為相對于吸附劑溫度Tb下的飽和冷媒蒸汽壓力，Ps(Tw)為相對于蒸發/冷凝溫度Tw下的飽和冷媒蒸汽壓力，A(Tb)為最大平衡吸附量，A(Tb)為常數，A0～A3、B0～B3由實驗數據決定。

考慮系統冷卻流體透過系統熱交換金屬管對吸附床冷卻，其流體半徑相當于熱交換金屬管半徑(內徑ro)；其流體長度相當于冷卻金屬管長度(L)。由于ro/L>>1，因此簡化冷卻流體模型為一維模型，冷卻流體一維軸向能量方程式為:

實驗系統主要利用吸附周期時冷卻流體降低吸附床之溫度并且由吸附床吸附蒸發/冷凝器中之冷媒產生制冷量。脫附周期時由冷卻流體冷卻吸附床使吸附床中的冷媒蒸氣由吸附床中脫附至冷凝器冷凝。

數值計算上，其求解流程如下:

(1)在程序開始時先代入各計算參數(硅膠的物理性質、吸附床體的幾何形狀)，后設定初始條件(金屬管溫度、吸附床體溫度和冷媒氣體壓力等等)。

(2)開始對時間作累計，計算迭代新值的含水率、各方向上的速度值、壓力分布及溫度分布。

(3)計算出的迭代新值與舊值做比較，判斷是否達到收斂條件。若未達到，則新值覆蓋舊值，再重新計算含水率、速度、壓力、溫度。若達到收斂條件，則輸出計算結果。

(4)判斷是否達到設定模擬結束時間的判斷。到達時間結束時間則程序結束，若未到達結束時間則回到(2)。

3 結語

本研究所建立之實驗系統為使用硅膠與水做為吸附配對，利用改變各項實驗參數方式得到系統之吸附床溫度分布、吸附床壓力與吸附/脫附量等性能參數。并利用改變各項系統參數所得到的性能參數進行探討以獲得系統的優化設計。從如圖1所示的實驗結果驗證數值計算研究結果顯示脫附周期時吸附床與系統吸附量趨勢可以有效的預測。

參考文獻

[1]李明.固體吸附式制冷循環的吸附床內傳熱傳質耦合計算，新能源，2008(第21卷第3期).

[2]張學軍.固體吸附式制冷系統中吸附床內傳熱過程的數值模擬，太陽能學報，2008，7(第20卷第3期):340-347.

[3]L.Z.Zhang and L.Wangb，“Momentum and heat transfer in the adsorbent of a wasteheat adsorption cooling system”，Energy，Vol.24，2009:605-624.