发动机余热驱动吸附制冷系统的性能研究_中国暖通空调网 - 技术交流
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空调·论文

发动机余热驱动吸附制冷系统的性能研究
2017-07-14 | 中国暖通空调网 |【
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邓立生1,黄宏宇1,何兆红1,小林敬幸1,2,大坂侑吾1,3,王 敏1

1. 中国科学院广州能源研究所;2. 名古屋大学化学工程学部;3. 金泽大学机械工学系

[摘 要]汽车在燃油过程中50% 以上的能量以废热排放,同时在制冷情况下增加燃油消耗,结合吸附式制冷的特点,利用发动机余热制冷,达到节能的目的。对一种无真空阀门的小型吸附式制冷系统进行研究,该系统腔体内只包括吸附床与蒸发/ 冷凝器,结构紧凑。在热源温度85℃、冷却温度30℃、冷冻水温度15℃的条件下,对采用翅片管型以及波纹翅片型的蒸发/ 冷凝器的样机进行了实验研究。结果表明,在实验条件下,采用翅片管型的系统能获得更高的COP,为0.25;而波纹翅片型的系统能获得更高的单位体积制冷功率,达到25W/L,比其他研究者的结果高出接近一倍。因此,该系统结构可使得吸附式制冷系统更加紧凑,有助于推广期在汽车发动机余热吸附制冷的应用。

[关键词]吸附式制冷;发动机余热;无真空阀

目前,汽车空调主要采用蒸汽压缩蒸汽制冷系统,一般消耗8%12% 的发动机动力,其中压缩机占80%85%。同时,发动机用于动力输出功率的只占燃油燃烧总热量不到50%,大于50% 以上的热量以废热的形式排出车外[1]。通过回收利用这部分废热来驱动制冷系统来降低汽车能耗,是目前世界各国研究的热点。

针对发动机的余热进行驱动吸附式制冷,科研工作者做了不少研究。Jiangzhou 等人[2] 对火车上的废热采用了沸石/ 水吸附式制冷机,样机可以产生4.5kW 的制冷功率以及COP 达到0.25,但是由于样机的重量高达300kg,不太符合实际应用。Zhang[3] 在实验室实现了利用发动机驱动吸附式制冷,尽管COP 达到了0.38,但是吸附剂单位质量制冷功率(SCP) 只有25.7W/kg,在汽车中应用是不实际的。Tamainot-Telto 等人[4] 开发出了吸附床总重量只有9kg 的活性炭/ 氨吸附制冷机,并模拟小轿车发动机(1.9L 排量) 的工况来进行实验研究,在90℃的驱动热源下COP 达到了0.23 以及输出制冷功率1.6kWVasta 等人[5] 也针对卡车的废热开发出170L60kg 的沸石/ 水吸附式制冷机,在驱动热源温度90℃下的条件下,平均制冷功率输出达2.3kW,单位吸附剂质量制冷功率(SCP)、单位体积制冷功率(VCP) 达到600kW/kg13.5kW。虽然对用于汽车发动机余热的吸附式制冷机的研究有所发展,但是还远达不到实际应用的程度。所以需要强化吸附床的传热能力提高吸附制冷性能,如掺杂高导热材料提高吸附材料的导热系[68]、开发改善吸附材料与换热壁面直接接触的涂覆型吸附床提高传热传质速率[9-11]。另外,通过优化系统结构设计,如减少真空阀门的使用来缩小系统体积[12,13]

针对发动机余热驱动的吸附式制冷机,本文开发出一种无真空阀门、蒸发器与冷凝器一体化结构的小型吸附式制冷系统,并进行了实验研究。

1 小型吸附式制冷系统的结构及原理

小型吸附式制冷系统的结构示意图如图1a)所示。通常吸附式制冷系统的结构是利用真空阀门,使发生吸附过程的吸附床只与蒸发器连接,而发生脱附过程的吸附床只与冷凝器连接,并通过阀门开闭切换吸附床与蒸发器和冷凝器的连接,从而达到制冷的效果。

而图1a)所示小型吸附制冷系统,是将吸附床与蒸发/ 冷凝器置放在同一腔体内,减少了真空阀门,降低成本以及减小系统体积,同时也降低了蒸汽传递阻力。该吸附制冷过程的原理如图1bP-T-q 图所示,脱附过程时,吸附床在热源温度TH 加热,使得吸附剂温度从(2)点到达(3)点,吸附床侧蒸汽压力将高于冷凝压力,蒸汽从吸附床往冷凝器传递,完成脱附过程(34);吸附过程时,吸附床在热源温度TM 下,使得吸附剂(4)点温度下降到(1)点时温度,此时吸附床侧的蒸汽压力将低于蒸发压力,蒸汽从蒸发器往吸附床传递,完成吸附过程(12)。通过控制进入蒸发/ 冷凝器以及吸附床的进水温度,进行吸附和脱附过程的切换,实现连续制冷效果。

小型吸附式制冷系统原理
1 小型吸附式制冷系统原理
a)结构示意图;(bP-T-q

2 小型吸附式制冷系统

2.1 吸附剂筛选

考虑到安全性的问题,以水为制冷工质。针对于发动机8090℃的低温热源,对三种吸附材料进行筛选,分别为三菱树脂公司开发的沸石FAM-01 FAM-02[14]、以及A 型硅胶。通过吸附等温线,在驱动热源温度85℃与环境热源30℃下、蒸发温度15℃温度下,可获取吸附剂在吸附与脱附过程之间的有效吸附量。以吸附材料有效吸附量的大小来决定吸附材料的选择。

根据饱和蒸汽温度对应的饱和蒸汽压力,运行吸附、脱附平衡时的相对压力值为:

φ1=p10/p30=0.40

φ2=p30/p90=0.04

通过图2 中的吸附等温线,根据运行范围的相对压力0.040.4 时的水蒸气吸附量,可获得在运行工况的有效吸附量。图2 中沸石FAM-01 FAM-02、以及A 型硅胶在运行工况时的有效吸附量分别为0.1860.19 以及0.23,其中FAM-Z02 是具有最大有效吸附量的材料。因此,选择FAM-Z02 作为吸附材料。

吸附材料吸附等温线
2 吸附材料吸附等温线

2.2 系统结构

小型吸附式制冷系统样机的示意图如图3a)所示。吸附床与蒸发/ 冷凝器装入同一个密封腔体,组成系统。系统的长、宽、高分别为233mm98mm395mm,体积为9.02L。吸附床的换热器结构采用涂覆式,吸附剂涂覆在换热器翅片上,吸附剂质量为255g。涂覆式吸附床的长、宽、高分别为200mm165mm33mm,如图3b)所示。另外,蒸发/ 冷凝器分别采用采用翅片管型以及波纹翅片型。翅片管翅片面积为1380cm2,波纹翅片面积2860cm2

小型吸附制冷系统结构示意
3 小型吸附制冷系统结构示意
a)系统结构;(b)吸附床结构

2.3 实验条件

循环时间是影响系统性能的一个重要参数,因此对不同循环时间进行了实验研究,循环时间为60240s,间隔为60s。实验利用四个恒温恒温水箱控制蒸发/ 冷凝器与吸附床在吸附以及脱附过程的进水温度,实验工况如表1 所示。

1 实验工况

2.4 数据分析

蒸发器中制冷剂蒸发吸收热量,系统的制冷功率、输入热量可根据通过蒸发器、吸附床进出水温差以及水流量获得。制冷功率Q、输入热量Qh 由下面公式计算:

式中:Cp 为水的定压比热容;mHX mad 分别为蒸发器和吸附床脱附的水流量。

VCP 是系统单位体积的制冷功率,计算公式如下。

VCP=Q/V

式中:V 为连续制冷的系统总体积。

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