分體式雙床連續型吸附制冷系統的設計開發

胡韓瑩 方徐君 賀 偉

(1廣州萬寶集團有限公司 廣州 510470；2香港科技大學霍英東研究院 廣州 511458)

分體式雙床連續型吸附制冷系統的設計開發

胡韓瑩1方徐君1賀 偉2

(1廣州萬寶集團有限公司 廣州 510470；2香港科技大學霍英東研究院 廣州 511458)

本文設計開發了一種吸附式制冷系統，采用分體式雙床結構，以85～100 ℃的低品位熱水作為驅動熱源，通過兩個吸附床對制冷劑-水的交替吸附和解吸，實現連續制冷。吸附床采用翅片管式換熱器，翅片表面涂覆了新型研制的13X分子篩-氯化鈣復合吸附劑，涂覆厚度僅0.15 mm，加速了吸附/解吸速率以及傳熱速率。蒸發器采用盤管和水盤結構，且從上而下呈階梯狀間隔分布，保證蒸發時換熱管表面均進行高效的沸騰換熱。冷凝器的設計上增加了不凝氣體排放裝置，可在系統運行的過程中隨時抽取不凝性氣體，維持了冷凝器的高換熱效率。還從強度、密封性以及裝配結構緊湊性等方面對各個換熱器箱體結構進行了優化設計。此外，所述吸附制冷系統循環中引入了回質和回熱過程?；诖搜h模式，對系統性能進行了測試可知：以85 ℃的熱水作為解吸熱源時，系統制冷功率為7.7 kW，性能系數COP為0.467，SCP為380 W/kg，平均耗電量1.23 kW。

吸附制冷；13X分子篩-氯化鈣復合吸附劑；制冷功率；性能系數(COP)；單位吸附劑制冷功率(SCP)；耗電量

隨著我國經濟建設的高速發展，對能源需求日益增加，能源戰略已成為關系到我國經濟發展、社會穩定和國家安全的重要因素[1]。

余/廢熱資源被視為繼煤、石油、天然氣、水力之后的第五大常規能源[2],在大型酒店、餐飲、醫院、衛浴、政府、學校、電子、石化能源等行業廣泛存在。據統計，我國各行業的余/廢熱約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收利用的余/廢熱資源約為總量的60%，其中建筑行業中的余/廢熱資源約占其燃料消耗總量的40%[3]。

吸附式制冷技術利用固體吸附劑(如沸石分子篩、硅膠、活性炭、氯化鈣等)對制冷劑(水、甲醇、氨等)的吸附(或化學吸收)和解吸作用實現制冷循環。其中固體吸附劑解吸溫度一般為60～150 ℃，正好可以利用鍋爐余/廢熱、工業廢熱等低品位熱滿足解吸要求，制冷的同時可以有效回收廢熱資源。同時，吸附制冷技術以水和氨等天然物質為制冷劑，不會造成臭氧層破壞和溫室效應等環境危害[4]。此外，與液體吸收式系統相比，吸附制冷技術不需要溶液泵或精餾裝置，不存在制冷劑污染、鹽溶液結晶以及金屬腐蝕等問題[5]。

但是，目前吸附式制冷技術亦存在以下幾個方面不足[6]：1)多次循環后，吸附劑的吸附性能出現衰減；2)吸附床傳熱、傳質性能較差；3)以水、甲醇為制冷劑的吸附制冷系統為負壓工作，系統可靠性差；4)機組占用體積偏大。

本文介紹了一種分體式雙床連續型吸附制冷系統，以13X分子篩-氯化鈣復合吸附劑作為吸附劑工質，蒸發器、冷凝器和兩個吸附床分別置于不同的箱體內，通過電動閥的開閉實現不同箱體之間的制冷劑傳質，達到連續制冷的目的。

1 系統整體結構介紹

圖1為吸附制冷系統的整機結構示意圖，設計制冷量為7.5 kW。系統有兩個吸附箱體，一個蒸發器箱體和一個冷凝器箱體。各箱體之間通過電動閥連接。通過電動閥的交替開閉，實現不同壓力箱體之間的傳質。由于吸附制冷是間歇性制冷，通過設置兩個吸附床交替吸附和解吸可以實現連續制冷。

圖1 吸附制冷系統結構示意圖Fig.1 The structure diagram of adsorption refrigeration system

當吸附箱A內的吸附床管道內通熱水進行加熱解吸時，A箱體與冷凝器箱體連通，解吸出來的制冷劑蒸發后冷凝，此時吸附箱B的吸附床管道內通冷卻水進行冷卻吸附，與蒸發器連通，實現制冷。而當吸附箱B的吸附床管道內通熱水進行加熱解吸時，B箱體與冷凝器箱體連通，解吸出來的制冷劑蒸發后冷凝，此時吸附箱A的吸附床管道內通冷卻水進行冷卻吸附，與蒸發器連通，實現吸附制冷。

2 各部件結構介紹

2.1吸附床

吸附制冷系統中的吸附劑采用的是新型研制的分子篩13X-氯化鈣復合吸附劑(見圖2)，水為制冷劑。吸附劑中分子篩13X為基質，氯化鈣為化學吸附劑，進一步提高了吸附能力，降低了系統需要的解吸溫度[7]。同時，該吸附劑在負壓下具有比傳統吸附劑更好的吸附性能。此外，以分子篩 13X-氯化鈣復合吸附劑為基質，添加了多壁納米碳管，該吸附劑在不損耗其吸附能力的前提下，進一步提高了復合吸附劑的熱傳導率，增加了吸附、解吸速度[8]。

圖2 分子篩13X-氯化鈣復合吸附劑示意圖Fig.2 The diagram of composite adsorbent 13X-CaCl2

圖3所示為并聯了8塊吸附床單片后的吸附床結構圖，供單個吸附床箱體使用。換熱器采用的是翅片管式換熱器，分子篩13X-氯化鈣均勻地涂覆在每片翅片上，厚度較薄，約0.15 mm。每片換熱器單片上涂覆的吸附劑總量約為2.5 kg。經實驗證實，該吸附床性質穩定，經多次吸附-解吸后吸附性能仍比較穩定，而且吸附劑直接涂覆在翅片上，吸附劑和翅片接觸較好，可有效減少接觸熱阻[9]，傳熱速率快，制冷劑在吸附劑上的吸附和解吸速率也快，解決了傳統吸附床傳熱和傳質差的問題。

2.2冷凝器

圖4所示為冷凝器的結構圖。由圖4可知，換熱管通過多個支撐板支撐固定，支撐板焊接于箱體內表面，冷凝器的進、出水管口也是直接焊接于箱體上，形成冷凝器的冷卻水回路。支撐板陣列分布有多個透氣通孔，以保證箱體內冷凝蒸氣流通，并與兩個蒸氣通道交替連通，實現快速傳質。此外，支撐板底部設有通孔，保證冷凝水的流通，并能及時從回水管口流出。蒸氣通道、箱體內腔、回水管口與吸附制冷系統其他箱體連接，構成一段制冷劑回路。

圖3 吸附床結構圖Fig.3 The structure diagram of the adsorbent beds

1換熱管；2支撐板；3密封球閥；4密封腔室；5抽氣管口；6冷凝器箱體；7蒸氣通道；8回水管口圖4 冷凝器結構圖Fig.4 The structure diagram of the condenser

研究發現，吸附制冷負壓系統中長期運行后產生的不凝氣體容易聚集在冷凝器的頂部，占據冷凝器的換熱空間，降低了冷凝器的換熱效率[10]。因此本文在冷凝器箱體頂部設有氣體排放裝置，用以收集并向外界排放不凝氣體。該氣體排放裝置中密封腔室與箱體內腔相連通，在連通管道上設有第一道密封閥門，抽氣管口處設有第二道密封閥門。第一道密封球閥通常處于打開狀態，保持冷凝器箱體內腔與密封腔室相通。吸附系統運行時，產生的不凝氣體會自動聚集于最高點，自動收集在密封腔室中。當抽取不凝氣體時，第一道密封球閥關閉，抽氣管口上的第二道密封球閥打開，并與真空泵相連，可實現不凝氣體隨時抽空，而不影響冷凝器的正常工作，有效保證冷凝器的高換熱效率。

2.3蒸發器

蒸發器結構如圖5所示,換熱管采用盤管結構，材料采用φ9.52 mm外軋絲銅管，盤管分布四層，上兩層水盤空間較小，可分布的盤管長度短，因此上兩層盤管串聯，第三層和第四層盤管并聯，形成三個管層，保證每個管程管長相同，盤管兩端分別并聯連接至冷凍水進口和出口，冷凍水進、出管口直接焊接于箱體上。

1盤管；2水盤；3抽氣管口；4蒸發器箱體；5制冷劑回水管口；6制冷蒸氣通道；7視液鏡；8冷凍水進口；9冷凍水出口圖5 蒸發器結構圖Fig.5 The structure diagram of evaporator

換熱水盤和換熱盤管采用由上至下呈階梯狀間隔布置，每層盤管分別固定在對應的水盤上, 水盤直接焊接于箱體內壁上。處于上一層的換熱水盤內的制冷劑水會自動溢流至下一層的換熱水盤內，以保證制冷劑每層均勻分布。每層水盤高度略高于換熱器盤管高度(10 mm左右)，以保證位于換熱水盤內的制冷劑水蒸發時，換熱器盤管表面形成沸騰換熱，從而大大提高換熱系數，克服傳統技術中通過增加盤管換熱接觸面積來提高換熱效率的缺陷，使整個蒸發器結構更為緊湊，占用空間更小。

本文采用先抽真空、后注入制冷劑的方式，可最大限度地排除吸附劑上吸附的不凝氣體。常規是采用先注入制冷劑，再抽真空，當抽真空到絕對壓力大于3 000 Pa時，蒸發器中的水開始不斷蒸發，導致前期被吸附在吸附劑中的不凝氣體一直抽不盡[11]。

本文設計的蒸發器最大限度地抽取不凝氣體，且盤管和水盤結構相對于傳統的滿液式蒸發器，換熱效率大大提高，所需換熱面積更小，結構更緊湊。

2.4吸附器箱體

以13X分子篩-氯化鈣復合吸附劑-水為吸附工質對的吸附制冷系統，由于水的蒸發溫度不能低于0 ℃，只能用于空調工況[12]。以水為制冷劑的系統為負壓系統，對系統的氣密性要求很高。此外，由于分體結構，各部分需要設置連接用的電動閥，所以總體積如果設計不合理，就會很龐大。

吸附制冷系統所有的箱體均采用Q236B鋼材，并在內部進行硫化處理，外部噴涂油漆。吸附床箱體采用如圖6所示的圓柱形結構，圓柱結構加工工藝相對簡單，強度也高，可以有效節省材料及加工成本。吸附床與箱體內部支撐桿通過螺栓固定，吸附床的進出管與箱體進行密封焊接。兩個箱體之間以及箱體與蒸發器和冷凝器之間通過法蘭式的電動閥連接。此外，箱體上設置壓力傳感器接口與外接傳感器通過螺紋密封連接。

圖6 吸附床箱體結構示意圖Fig.6 The structure diagram of adsorbent bed box

蒸發器箱體和冷凝器箱體也采用Q236B鋼材，箱壁內部進行硫化處理，外部噴涂油漆。為了與圓柱型的吸附床箱體更好地配合，同時盡可能減小制冷系統的總體積，蒸發器箱體和冷凝器箱體采用如圖7所示的方形結構。但方形結構用作真空箱體時，強度相比圓筒結構大大降低，為了提高強度，本文在較大的平面上設計了折彎結構。蒸發器進出水口和冷凝器的進出水口分別與箱體密封焊接，盡可能減少泄漏點。此外，蒸發器箱體設置溫度傳感器接口、壓力傳感器接口和注液口，冷凝器箱體設置壓力傳感器接口和抽氣口，這些接口與外部配件均采用螺紋密封連接。

圖7 蒸發器和冷凝器箱體結構圖Fig.7 The structure diagram of the condenser and evaporator box

采用以上設計的箱體，強度大、氣密性好、結構緊湊、各部分箱體的配合有效節省了空間，系統總體積可大大減小。

2.5 節流裝置

本系統采用U型管節流，根據前期實驗數據和經驗，冷凝器和蒸發器的兩個回水管口之間保持0.5 m水柱高度[13]。

3 吸附制冷系統介紹

3.1 循環模式

圖8所示為分體式兩床連續型吸附制冷系統的循環模式圖。V1，V2，V3，V4和V5為制冷劑蒸氣通道，連通的為各箱體。V6～V15連接的是機組外部的水通道。

吸附箱A吸附，B解吸時，V1和V5打開，V2，V3和V4關閉，吸附箱A與蒸發器連通，吸附箱B和冷凝器連通。同時V6，V11，V13和V14打開，V7，V10，V12和V15關閉，冷卻塔與吸附床A之間的水路連通，冷卻水冷卻吸附床，此時吸附箱A內部壓力下降直至相當于蒸發溫度下水的飽和壓力，蒸發器內的水開始蒸發并進入A箱體，并持續不斷地被吸附箱A內的吸附床吸附，直至飽和。與此同時，熱水與吸附箱B之間的水路連通，冷卻塔和冷凝器之間的水路連通，吸附床被加熱后，水從吸附劑中解吸出來，吸附箱B壓力不斷升高，直至達到冷凝溫度下的飽和壓力，并在冷凝器中不斷被冷凝，直至解吸結束。冷凍水回路則通過泵4不斷循環，將蒸發器中的冷量帶出，冷凍水回到冷凍水箱，并通過風機盤管給環境提供冷量。

1，2，3，4泵；T溫度傳感器；P壓力傳感器；F流量傳感器圖8 吸附制冷系統的循環模式圖Fig.8 The cycle mode of the adsorption refrigeration system

同理，當吸附箱B吸附，A解吸時，V2和V4打開，V1，V3和V5關閉，吸附箱B與蒸發器連通，吸附箱A和冷凝器連通。同時V7，V10，V12和V15打開，V6，V11，V13和V14關閉，冷卻塔與吸附箱B之間的水路連通，冷卻水冷卻吸附箱B，實現吸附箱B與蒸發器之間的吸附制冷。熱水箱與吸附箱A之間的水路連通，冷卻塔和冷凝器之間的水路連通，實現吸附箱A與冷凝器之間的解吸和冷凝。

每次吸附/解吸過程結束后，系統先啟動回質，再啟動回熱?；刭|時，V3打開，其他閥門都關閉，將加熱解吸剛剛結束的吸附箱與冷卻吸附剛剛結束的吸附箱連通，可大大提高解吸吸附床的解吸率，降低解吸吸附床在下一個循環中吸附床內最初的吸附量值。因此當最終的吸附量相等時，可以提高系統的循環吸附量，從而提高了循環的制冷量[14]?；責釙r，V8和V9開啟，其他閥門關閉，此時，解吸剛結束的熱吸附床與吸附剛結束的冷吸附床之間管路連通，吸附剛結束的冷床所需要的全部顯熱和解吸過程前期所需要的熱量均由剛剛解吸結束的熱床提供，熱水箱只須提供吸附結束的冷床解吸后期所需要的熱量[15]。同樣，回熱可以減少冷卻塔的冷卻負荷。與基本型循環相比，回熱循環過程可提高COP約20%[5]。

3.2 系統測試

本吸附制冷系統的運行需要滿足的條件為：吸附床解吸溫度范圍為85～100 ℃，冷卻水溫度范圍為25～45 ℃，冷凍水出水溫度范圍為5～25 ℃。水流量根據運行情況，通過變頻水泵進行調節。通過多次調試，選取最佳的運行條件，并最終獲取制冷功率、COP、SCP以及平均耗電量等主要性能參數的值。

表1所示為該分體式雙床連續型吸附制冷系統的運行時序。其中tads為吸附時間，tdes為解吸時間，tmr為回質時間，thr為回熱時間。每次吸附/解吸完畢，兩床之間先進行回質操作，再進行回熱操作，然后再切換吸附/解吸操作。每個操作的運行時長均由多次反復實驗后確定最佳時長。

系統開始運行后，同時啟動數據采集，每3 s采集一次數據。經過大約兩到三個循環，吸附制冷系統開始穩定運行，測試吸附床中熱水的流量和進出口溫度，可以計算輸入到吸附床的熱量。測試蒸發器中冷凍水的流量和進出口溫度，可以計算吸附制冷裝置的制冷功率，進而得出性能系數COP和單位吸附劑的制冷功率SCP。

表1 吸附制冷系統的運行時序[12]

主要參數的計算公式如下[16]：

(1)

(2)

P=Qf/tc

(3)

COP=Qf/Qh

(4)

SCP=Pf/Ma

(5)

式中：Qf為蒸發器中制冷劑的蒸發制冷量，kJ；Qh為吸附床輸入的熱量，kJ；tc為循環周期，s；qmh為熱水質量流量，kg/s；cp為水比熱容，J/(kg·℃)；Th-in為熱水進口溫度，℃；Th-out為熱水出口溫度，℃；qmc為冷凍水質量流量，kg/s；Tc-in為冷凍水進口溫度，℃；Tc-out為冷凍水出口溫度，℃；P為制冷功率，kW；COP為性能系數；SCP為單位吸附劑制冷功率，W/kg；Ma為吸附床中吸附劑質量，kg。

經過吸附制冷系統優化方案的多次調試，最終采用的優化參數為熱水進水溫度85 ℃，吸附解吸時間620s，回質時間和回熱時間分別是45s和60s，熱水平均流量為32L/min，冷凍水平均流量為30L/min，吸附床冷卻水平均流量為30L/min，冷凝器冷卻水平均流量為30L/min，測試結果如圖9～圖11所示。

圖9所示為各個箱體的進出水的溫度變化曲線圖。從圖中可以看出，每個周期的重復性較好。當熱水進水溫度為85 ℃左右(83～86 ℃之間小幅波動)，冷凍水進水溫度為17～18 ℃，冷凍水出水溫度為12～14 ℃。

圖9 溫度變化曲線圖Fig.9 The curve of temperature

圖10所示為吸附制冷系統的瞬時制冷功率曲線圖。從圖中可以看出，峰值功率為11.2kW，可得平均功率為7.7kW。

圖10 系統瞬時制冷功率曲線圖Fig.10 The curve of the instant refrigeration capacity of the system

圖11所示為吸附制冷系統各個箱體的壓力變化曲線。從圖中可以看出，解吸的箱體與冷凝器連通，壓力變化趨勢與冷凝器箱體內的壓力變化趨勢相同，且壓力值略高于冷凝器。吸附的吸附箱體與蒸發器相連，壓力變化趨勢與蒸發器內的壓力變化趨勢相同且壓力略高于蒸發器，說明箱體與箱體制冷劑蒸氣的傳質良好。解吸時，解吸箱體內的壓力為6～9kPa，壓力先升高后降低。蒸發器箱體內的壓力為1.5～1.9kPa。

圖11 系統各箱體壓力變化曲線圖Fig.11 The curve of pressure of each box

系統耗電功率部分的測試僅計算系統主體部分，主要包括控制系統能耗、電動閥能耗、回熱循環水泵和熱水、冷卻水以及冷凍水的循環泵的能耗。經測試此部分的總耗電功率約為1.23kW。

綜上所述，分體式雙床連續型吸附制冷系統的主要性能指標如表2所示。

表2 主要性能參數

4 結論

1)分體式雙床連續型吸附制冷系統能夠有效回收85～100 ℃之間的低溫余熱用于制冷。此外，循環中引入回質和回熱過程，有效提高了熱利用效率，從而提高了系統的COP。

2)本系統吸附劑采用新型研發的分子篩13X-氯化鈣復合吸附劑，吸附效率高，且長時間運行性能穩定。此外，吸附劑直接涂覆在管翅式換熱器表面，有效提高了傳熱和傳質性能。

3)蒸發器的設計，實現了換熱管表面的沸騰換熱，有效提高了換熱系數。此外，蒸發器和冷凝器均針對不凝氣體對換熱效果的影響提出了設計改進和方法改進。

4)針對系統為負壓運行進行了一系列優化設計，在保證箱體強度和整體氣密性的基礎上，采用了盡可能緊湊的裝配結構，大大減少系統體積。

5)在85 ℃左右的低品位熱水作為解吸熱源的條件下，本套系統能夠實現7.7 kW的制冷量，SCP達到380 W/kg, COP達到0.467, 平均耗電功率僅為1.23 kW。

本文受廣東省科技計劃(2014B090903007)——萬寶集團制冷空調研究院和廣東省對外科技合作(2013B050900020)項目資助。(The project was supported by the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(No. 2014B090903007): refrigeration and air conditioning institute of Guangzhou Wanbao Group Co., Ltd., and Foreign Science and Technology Cooperation Project of Guangdong Province (No. 2013B050900020).)

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About the corresponding author

Hu Hanying, female, master, intermediate engineer, Guangzhou Wanbao Group Co., Ltd., +86 15913142494, E-mail: hhy-0412@163.com. Research fields: non compression refrigeration.

Design and Development of a Split Type Continuous Adsorption Refrigeration System with Two Adsorbent Beds

Hu Hanying1Fang Xujun1He Wei2

(1. Guangzhou Wanbao Group Co., Ltd., Guangzhou, 510470, China; 2. HKUST Fok Ying Tung Research Institute, Guangzhou, 511458, China)

An adsorption refrigeration system with two beds is designed and developed, which uses hot water of 85～100 ℃ as the driving heat source. Through the alternating adsorption and desorption of the refrigerant by two adsorption beds, the system can realize continuous refrigeration. The adsorbent beds use fin and tube structure, and the surface of the fin is coated with adsorbent, which is composited by 13X and CaCl2. The coating thickness of the absorbent is only 0.15mm, which can accelerate the adsorption / desorption rate and the heat transfer rate. The evaporator uses coil and water plate structure, and they are stepped with interval and distributed from top to bottom. This structure can ensure that the water is boiling on the surface of the heat exchangers tube. The condenser adds a non-condensable gas discharging device, and the device can discharge non-condensing gas during the system's operation, which can ensure the high efficiency of the condenser. At the same time, the structure of the cylinder block is optimized from the aspects of strength, sealing and assembly structure. In addition, the mass recovery and heat recovery are added to the adsorption refrigeration cycle. Based on this cycle model, the performance of the system is tested，it is found that when the desorption heat source is 85 ℃ hot water, the system cooling power is 7.7 kW, the coefficient of performance is 0.467, the SCP is 380 W/kg, and the average power consumption is 1.23 kW.

adsorption refrigeration; composite adsorbent 13X/CaCl2; refrigeration capacity; coefficient of performance; SCP; power consumption

0253- 4339(2017) 02- 0057- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.057

2016年9月12日

TB66;TB657.5;O647.32

A

胡韓瑩，女，碩士研究生，中級工程師，廣州萬寶集團有限公司，15913142494,E-mail：hhy-0412@163.com。研究方向：非壓縮式制冷。