低溫驅動沸石-水吸附式制冷機的性能研究

王南南　劉再沖　鄧立生　何兆紅　窪田光宏　大坂侑吾　黃宏宇　陳 穎

(1 中國科學院廣州能源研究所　廣州　510640；2 中國科學院大學　北京　100049；3 廣東工業大學材料與能源學院　廣州　510006；4 日本名古屋大學　名古屋　4648603；5 日本金澤大學　金澤　9201192)

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低溫驅動沸石-水吸附式制冷機的性能研究

王南南1,2劉再沖1,3鄧立生1何兆紅1窪田光宏4大坂侑吾5黃宏宇1陳 穎3

(1 中國科學院廣州能源研究所廣州510640；2 中國科學院大學北京100049；3 廣東工業大學材料與能源學院廣州510006；4 日本名古屋大學名古屋4648603；5 日本金澤大學金澤9201192)

本文研究的合成沸石-水吸附式制冷機采用FAMZ01沸石作為吸附劑，吸附床選擇翅片涂抹式吸附床，通過實驗研究該制冷機的制冷功率、制冷性能系數(COP)隨熱源溫度、冷凍水進口溫度的變化規律。結果表明，該吸附式制冷機在55 ℃的熱源下就可以穩定輸出制冷量，并在驅動熱源為65 ℃左右展現其較佳的性能。

吸附式制冷機；涂抹式吸附床；COP；熱源溫度

隨著能源的緊缺，低溫余熱、廢熱的開發利用成為綠色能源發展的趨勢。吸附式制冷利用低品位熱能作為驅動熱源，采用自然環保工質作為制冷劑，因具有無CFCs，ODP和GWP為零、抗震性能好等優點而備受關注[1-4]。當再生溫度低于100 ℃時，硅膠-水被認為是較為理想的吸附工質對[5]。Saha B B等[6-7]對多級硅膠-水吸附式制冷機進行研究，實驗結果表明二級系統能在熱源為55 ℃，冷卻水為30 ℃下穩定運行，COP為0.36。Alam K C A等[8]對四床硅膠-水吸附式制冷機進行模擬，結果顯示在熱源低于70 ℃時，系統COP高于兩床的吸附制冷機，當熱源大于60 ℃時，系統COP優于二級的吸附制冷機。國內的王如竹團隊[9-12]對硅膠-水吸附制冷機進行深入研究，研發了多代硅膠-水吸附制冷樣機，其中研發的雙床回熱回質硅膠-水吸附式制冷機在試驗工況熱源、冷卻水、冷凍水入口溫度分別為85 ℃、30.8 ℃、14 ℃時，制冷功率為6.6 kW，COP為3.71，SCP為63.4 W/kg；研發的無真空閥門的硅膠-水吸附制冷機在熱源、冷卻水、冷凍水入口溫度分別為82.0 ℃、31.6 ℃、12.3 ℃時，制冷能力和COP分別為9.6 kW和0.49。硅膠-水吸附制冷機對于100 ℃以下的熱源有著巨大優勢，但硅膠-水吸附工質對的循環有效吸附量較小，系統循環周期較長，造成系統的SCP過低，系統體積龐大，影響了制冷機的推廣應用。

為此，本文通過一套采用高效吸附劑合成沸石-水吸附式制冷機，實驗研究該制冷機在驅動熱源為55～80 ℃下的制冷特性。

1　制冷機系統

1.1 高效合成沸石吸附劑

高效合成沸石吸附劑FAM Z01是日本研發的低溫高效吸附劑，對于再生溫度50～80 ℃下循環的有效吸附量很大，并且在20萬次反復吸附、脫附后性能基本不發生變化[13]。該材料的水蒸氣吸附等溫線如圖1[14]所示，與其他吸附劑相比，其水蒸氣吸附等溫線呈S型，能產生較大的循環有效吸附量。Kim Y D等[15]研究了合成沸石FAM Z01在70 ℃下脫附、30 ℃下吸附過程的水蒸氣循環有效吸附量，并與三種商用硅膠進行對比，發現在吸附式制冷機實際運行工況的相對壓力下(吸附過程為0.29，脫附過程為0.2)，循環有效吸附量為0.167 g/g(吸附劑)，分別為A5BW硅膠的5倍、A型硅膠的3倍、RD硅膠的2倍，充分展現其在吸附式制冷機小型化方面的潛力。吸附劑顆粒在掃描電鏡下的形狀如圖2所示，顆粒為條狀六棱柱。

圖1　25 ℃下多種材料水蒸氣吸附等溫線[14]Fig.1 Water vapor adsorption isotherms of adsorption materials at 25 ℃

圖2 FAM Z01沸石的掃描電鏡圖Fig.2 The SEM picture of FAM Z01 zeolite

1.2 涂抹式吸附床結構

涂抹式吸附床采用翅片換熱器結構。與填充式吸附床相比，涂抹式吸附床減小吸附劑與吸附床、吸附劑間的接觸熱阻和，增強吸附床的傳熱效果[16-18]，從而縮短系統的循環時間。

圖3為涂抹式吸附床的吸附單元實物圖，主要結構參數見表1。實驗樣機采用雙床結構，每個吸附床都配備6個這樣的吸附單元，整個吸附制冷機涂抹吸附劑的質量為26.4 kg。

圖3 涂抹式吸附單元實物圖Fig.3 The picture of coated adsorbent bed unit

表1吸附單元結構主要參數

Tab.1Structure parameters of coated adsorbent bed unit

類型數量整體尺寸/mm670×264×116銅管分布錯排,12根×4層翅片數量/片209翅片間距/mm1.8吸附劑質量/kg2.2

1.3 實驗樣機的結構與工作原理

吸附式制冷機的結構示意圖如圖4所示、實物圖如圖5所示，結構尺寸為長1.4 m、寬1.1 m、高2.1 m。上部為管殼式冷凝器，中間為兩個涂抹式吸附床，下部為噴淋式蒸發器。

工作原理：制冷機采用兩個涂抹式吸附床交替吸附、脫附，連續輸出冷量，兩個狀態如下：

1)吸附床1通入熱源進行脫附時，與冷凝器相連的真空閥門V3打開，進行脫附再生；吸附床2與蒸發器的真空閥門V2打開進行吸附制冷，冷卻水先進入吸附床2帶走吸附熱后再進入冷凝器帶走冷凝熱。

2)當吸附床1脫附完成后，熱源與冷卻水流路的四通換向閥1、2進行切換，同時與冷凝器、吸附床、蒸發器相連的真空閥門也進行切換。狀態變為吸附床1與蒸發器相連的真空閥門V1打開，進行吸附制冷，冷卻水進入吸附床1帶走吸附熱后進入冷凝器管路；吸附床2與冷凝器相連真空閥V4打開，熱源進入吸附床2進行脫附再生。如此切換循環，連續輸出冷量。

圖4 吸附式制冷機結構示意圖Fig.4 The schematic diagram of adsorption chiller

1冷凝器 2吸附床1 3吸附床2 4蒸發器 5四通換向閥2 6四通換向閥 7控制箱圖5 吸附式制冷機實物圖Fig.5 The picture of the adsorption chiller

2　實驗

2.1 測試系統的搭建

為測試該制冷機在不同驅動熱源下的性能，本研究搭建測試實驗臺。熱源采用0.4 m3的恒溫水箱，內置12組3 kW的電熱絲，智能控制水溫(精度為±0.5 ℃)；冷凍水的供給采用0.2 m3恒溫水箱，內置4組3 kW電熱絲，智能控制水溫(精度為±0.5 ℃)；另外配備一個冷卻塔，向環境排放冷卻水的熱量。在該制冷機的驅動熱源，冷凍水及冷卻水的進出口布置熱電阻溫度傳感器PT100(精度等級A級)，采用智能渦輪流量計(精度1%F S)來測量流路的流量，具體位置如測試系統圖6所示，采用巡檢儀及電腦軟件來采集實驗數據，數據采集間隔時間為10 s。

圖6 實驗測試系統簡圖　Fig.6 Schematic diagram of the testing system

2.2 實驗數據分析

該系統的平均制冷功率是根據制冷機穩定運行后，取5個周期的制冷功率的平均值。其計算公式如下：

(1)

式中：cp為水的定壓比熱容，J/(kg·K)；mchilled為冷凍水質量流量，kg/s；t為運行的時間，s；n為采集數據的組數。

COP是系統的制冷性能系數，同樣采用穩定運行后取5個周期進行計算，公式如下：

(2)

式中：mhot為驅動熱源水的質量流量，kg/min；SCP為單位質量吸附劑的制冷功率，衡量吸附系統的重要指標，W/kg，計算公式如下：

(3)

式中：mad為吸附床吸附劑總質量，kg。

吸附式制冷機正常運行一段時間后，調節冷凍水進口溫度為16±0.5 ℃，流量為22.7 L/min；熱源進口溫度為65±0.5 ℃時，流量為58.5 L/min；冷卻水進口平均溫度為24.5 ℃，流量為100 L/min；設置的切換周期為240 s。觀察制冷機的瞬時制冷功率變化如圖7所示。

從圖7發現該制冷機的瞬時制冷功率變化幅度為5.8～9.8 kW。計算其平均制冷功率為8.2 kW，系統的COP為0.43，制冷機的重復性好，能穩定運行，循環周期短。

該制冷機運行過程中，通過冷卻塔向環境排放冷卻水的熱量。在探討變熱源溫度下，冷卻水的進口溫度會發生變化，但由于冷卻水的流量大，所配置的冷卻塔的功率比較大，環境溫度變化較小，實驗過程中發現冷卻水的進口溫度變化的幅度較小，在24～25.5 ℃范圍內變化。因此在研究吸附式制冷機的制冷性能隨熱源溫度變化時，認為冷卻水的溫度變化影響很小。通過改變工況，測試穩定后該吸附式制冷機的性能，取熱源變化間隔為5 ℃，冷凍水變化間隔為2 ℃。每個工況都在穩定后選取5個循環周期計算，對系統在變工況下的性能進行分析。本實驗的測試工況如表2所示。

圖7 瞬時制冷功率變化圖Fig.7 Instant cooling power changes

表2實驗工況

Tab.2Experimental conditions

參數數值切換周期/s熱源進口溫度/℃冷卻水進口溫度/℃冷凍水進口溫度/℃熱源流量/(L/min)冷卻水流量/(L/min)冷凍水流量/(L/min)24055～8024～25.512～1658.510022.7

由圖8可知，該吸附式制冷機的平均制冷功率隨著熱源溫度的升高而增大，在55～65 ℃的熱源溫度下，制冷功率的增幅較大；65～80 ℃之間制冷功率的增幅較小，趨于平緩。原因可能為：該吸附劑的吸附等溫線呈S型，當熱源溫度上升時，相對壓力范圍擴大，但是循環吸附量的增幅很小，導致吸附過程制冷功率增幅不大。提高冷凍水進口溫度有助于增加系統的制冷功率，當熱源溫度為80 ℃，冷凍水進口溫度為12 ℃、14 ℃、16 ℃，對應的平均制冷功率分別為6.1 kW、7.9 kW、9.0 kW，增幅分別為30%、48%。因此在滿足實際制冷溫度情況下，可以適當提高冷凍水的進口溫度來增大制冷功率。

圖8 平均制冷功率隨熱源溫度的變化Fig.8 The effect of heat source temperature on the cooling capacity

由圖9可知，系統的COP值隨熱源溫度的增加出現先增大后減小的趨勢，并在熱源溫度為65 ℃時COP出現較大值，而后降低。出現這種趨勢的原因：隨著熱源溫度的增加，平均制冷功率逐漸增大，當熱源溫度高于65 ℃時趨于平緩(圖8)，但脫附過程中吸附床內的金屬顯熱和吸附劑顯熱是逐漸增大的，導致脫附過程中的所需要的再生熱量也隨之增大，在兩者的相互作用下，出現COP先增大，后減小的趨勢。因此該吸附式制冷機的較佳運行熱源溫度為65 ℃左右。

圖9 系統COP 隨熱源溫度的變化Fig.9 The effect of heat source temperature on the coefficient of performance

計算該制冷機在較佳熱源溫度65 ℃，冷凍水為14 ℃時，系統吸附劑的單位制冷功率SCP為272.5 W/kg，是文獻[6]填充式硅膠吸附劑SCP的4倍。該吸附式制冷機在較低熱源溫度下就具有高SCP，這主要是因為合成沸石FAMZ01的循環有效吸附量較大，且涂抹吸附床的傳熱傳質效果好，系統循環周期短，導致系統單位吸附劑制冷功率提高。

3　結論

1)本文提出的FAMZ01-水吸附式制冷機在熱源溫度55 ℃，冷凍水進口溫度12～16 ℃時能穩定運行；隨著熱源溫度的升高，制冷機的制冷功率逐漸增大，當熱源溫度高于65 ℃時，增幅趨于平緩；COP隨熱源溫度的升高先增大而后降低，在熱源溫度65 ℃時獲得最大值，這是因為熱源溫度越高，制冷機顯熱損失越大，導致COP降低，因此較佳驅動熱源溫度為65 ℃左右。

2)隨著冷凍水溫度的增加，制冷機的制冷功率和COP都有較大的增幅，因此在滿足實際需求的情況下，可提高冷凍水的入口溫度來提高系統性能。

3)制冷機采用FAMZ01吸附劑，涂抹式吸附床結構，具有循環周期短，吸附劑單位質量制冷功率SCP值大的特點。

本文受廣東省自然科學基金(S2013010014709)和廣東省重大科技專項資金(2013A011402006)項目資助。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of Guangdong (No.S2013010014709) and Major Science and Technology Foundation of Guangdong (No. 2013A011402006).)

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About the corresponding author

He Zhaohong, female, associate research fellow, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, +86 20-37210762, E-mail: hezh@ms.giec.ac.cn. Research fields: adsorption refrigeration technology.

Experimental Investigation on a Zeolite-water Adsorption Chiller Driven by Low Heat Source

Wang Nannan1, 2Liu Zaichong1, 3Deng Lisheng1He Zhaohong1KUBOTA Mitsuhiro4OSAKA Yugo5Huang Hongyu1Chen Ying3

(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Science, Guangzhou, 510640, China; 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China; 3. School of Material and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006, China; 4. Nagoya University, Nagoya， 4648603, Japan; 5. Kanazawa University, Kanazawa, 9201192, Japan)

A novel type of adsorption chiller with synthetic zeolite-water was proposed, in which the zeolite FAMZ01 was chosen as the adsorbent and coated adsorber with fin as adsorber. The effects of heat source temperature and chilled water inlet temperature on cooling power and coefficient of performance (COP) were obtained experimentally. The results showed that the adsorption chiller can supply the chilled water steadily at driven heat source temperature of 55 ℃, and is with better performance at the driving heat source temperature about 65 ℃.

adsorption chiller; coated adsorber; coefficient of performance; heat source temperature

0253-4339(2016) 01-0065-05

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.01.065

2015年5月13日

TB651；TB61+1

A

簡介

何兆紅，女，副研究員，中國科學院廣州能源研究所，(020)37210762，E-mail: hezh@ms.giec.ac.cn。研究方向：吸附式制冷技術。