民用型太阳能制冰机的研究

1　引　言
　　国外，太阳能冰箱已进行了商业化的应用，并被联合国教科文组织推荐为边远地区进行医疗疫苗保存的绿色节能产品［1－3］。国内，众多单位和学者进行了研究，但仅给出实验样机的一些典型结果，未见商业化及产业化的实质进展［4－6］。上海交通大学近年来对太阳能固体吸附式制冷机进行了深入的机理研究及大量的实验研究［7－10］，积累了丰富的实践经验，于2001年构建了整体无阀结构的太阳能冰箱，通过对整体无阀结构太阳能冰箱大量的室外实验研究，摸索了系统的实际运行规律。在此基础上，对系统各部件如吸附床、蒸发器、冷凝器等按产业化生产的要求进行了设计，并到相关制冷空调生产厂家按生产加工工序的要求进行了两台样机的生产，以检验技术成熟性及样机的性能。试验结果有效地支持了新产品开发，所制造出的太阳能冰箱性能稳定，在接受外界能量输入工况下能稳定对外制冰，从而迈出了太阳能冰箱民用化进程的实质步伐，为太阳能制冰机的真正应用走出了关键一步。
2　太阳能制冰机的工作原理及性能指标
2．1　太阳能制冰机工作原理
　　图1为太阳能固体吸附式制冰机简图。其工作原理简述如下：
　　在正常运行的条件下，吸附床内的吸附剂已吸饱制冷剂。循环从早上开始，吸附床被太阳能加热，当吸附床内吸附剂被加热到一定的温度时，制冷剂在吸附床内开始蒸发，吸附床内的压力升高，制冷剂蒸气沿着管道流入冷凝器，在冷凝器中冷凝，冷凝下来的液体进入蒸发器。这一过程称为解吸。
　　夜晚，吸附床内吸附剂随太阳日照的消失逐渐冷却，当相应吸附床内制冷剂压力下降到低于蒸发温度下制冷剂工质的饱和压力后，蒸发器中的制冷剂液体因压力减小而沸腾，制冷剂由液态变为气态，吸附床内吸附剂吸附蒸发器内制冷剂，该过程称为吸附。吸附过程中由于制冷剂发生相变，因而需要从外界吸收热量，也就是通常所说的吸附制冷过程。将吸附制冷过程所产生的冷量通过绝缘箱体对水传递，并形成冰。

　　由以上分析可见，太阳能吸附式制冷系统的循环过程是间歇式的。系统运行时，白天为加热解吸过程，晚上为吸附制冷过程，晚上制成的冰块在白天供用户使用。
2．2　太阳能制冰机性能指标
　　为对太阳能制冰机系统性能作出评价，需引入制冷量、太阳能制冷效率COPsolar评价指标。
　　制冷剂在相变过程中所产生的蒸发制冷量Qref如下：

式中：Le———制冷剂的气化潜热；
　　　Δx———解吸过程中吸附剂对制冷剂吸附率的变化量；
　　　Ma———吸附剂的质量；
　　　ΔxMa——吸附床在整个加热过程中的吸附剂对制冷剂的解吸量，即制冷剂的循环量。
　　制冷剂从冷凝温度Tc冷却到蒸发温度Te时，放出的显热为

　　太阳能冰箱所产生的制冷效率COPsolar则可按下式计算：

式中：i（t）———太阳能辐射强度；
　
辐射总能量，并可用太阳能辐射仪来测量。
　　系统对外的制冷量则根据每天实测而得出。
3　系统各子部件设计
　　吸附床部件：国内外有关的吸附床设计的研究报道很多，有圆管式、板壳式等。圆管式吸附床虽然具有较好的加工工艺，但装填的吸附剂量较少，因而制冷量较小。对民用型冰箱而言，为保证一定的日制冰量，在保证焊接工艺的前提下，仍采用板壳式吸附床结构。将吸附剂活性炭堆放于板壳之中，并在活性炭层中放置传热肋片，加强传热效率。近期研究表明，以活性炭—甲醇为制冷工质对的太阳能吸附式制冷循环中，若解吸温度高于110℃，制冷剂甲醇气体容易分解，并容易和铝板金属壳体发生化学反应，产生不凝气体而影响系统性能［11－12］，因而，吸附床壳体的设计采用1 mm不锈钢板较为理想。为保证较好的传质通道，在活性炭层的底部留出一定空间收集制冷剂气体。吸附床制作好后并经抽真空检查不漏后，在吸附床的上吸热表面涂太阳能选择性涂层，加强太阳能量的接收，而在吸附床的四周及下底部加保温材料隔热，以保证吸附具有较高的集热效率。
　　冷凝器：在本设计中，采用铜管铝翅片作为冷凝器。经计算及前期试验，对集热面积为1 m2的太阳能冰箱，采用3 m2左右的冷凝换热面积具有较好的冷凝效果。具体制作时，采用总面积为3 m2的铝翅片平行叠加、并留出一定的翅间距后与铜管涨接，而在上下两端通过收集管道将冷凝器分别与吸附床和蒸发器相连接。
　　蒸发器：吸附床吸附制冷剂时产生的冷量通过蒸发器传出，因而，蒸发器需要有足够的换热面积与外界进行冷量交换，同时，还必须有足够的空间收集存储制冷剂液体。本设计中，采用传统太阳能制冰机的梯状结构的形式，兼顾了传热面积和储存制冷剂的特点。
　　整体构建：在以上三大部件制作完成并分别抽真空检验气密性之后，进行系统连接。对于产业化商品而言，各部件之间连接采用铜管钎焊连接，冷凝器下端布置一传统针阀，该针阀兼作系统抽真空和灌注制冷剂之用。此外，整个系统再无阀门，整个系统结构紧凑，无运动部件，亦无需大量的阀门与卡箍连接，对于生产制造、运输以及实际运行非常有利。整个系统装配后的实物图像见图2。

4　实验结果
　　在系统进行实验之前，先抽真空，检验系统密封性。在确保系统真空性能保持稳定后，对制冷剂进行活化，以便提高单位质量活性炭的制冷功率。活化过程如下：对吸附发生器进行加热。当吸附剂温度达到较高温度时，启动真空泵，对系统抽真空，将吸附剂内水分和不凝性气体抽出。一般在高温、低真空状况下，对吸附床进行30 h的活化后可以获得较为满意的效果。活性炭活化过程完成以后，灌注制冷剂液体，吸附床首次吸附制冷剂将对外产生制冷效果。
　　实验结果见表1所示。表中的制冰量为实测值，COPsolar为根据公式（1）至（3）的计算值。由实验结果可知，系统在接受外界辐射能量输入16．0～20．0 MJ／m2情况下，能稳定地对外提供4．0～6．0 kg的冰块，系统运行性能稳定，操作简便，无阀门切换的过程，仅需早晨取冰及加水而已。

5　结　论
　　经优化设计及制冷专业生产厂家制造的太阳能冰箱，采用无阀结构连接，操作简便，结构紧凑，性能稳定。经过几年的研究开发，太阳能冰箱完全具备了批量生产的条件。太阳能冰箱完全适合于太阳能资源丰富的地方运行，特别适合于中国西部的广大地区。