CN101561202A - 一种用于太阳能制冷装置的吸附器 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决现有太阳能固体吸附器的换热性能、能量损失等所存在的缺陷，提供了一种转轮式吸附器。包括一个转轮、冷却装置及转动装置，其特征是，转轮包括与转动装置连接的转轮外壳、轮体和固定在轮体两端面的前、后挡板；轮体包括转轴及其上的轮毂，轮毂上设有沿周向成辐射状的契形吸附床，每两个相邻契形吸附床之间留有契形传质通道，契形吸附床的辐射状末端圆周紧密固定在转轮外壳的内壁上；轮体两端面与转轮外壳形成圆凹，前、后盖板内侧分别设置有与所述圆凹直径相同的圆台，该圆台上设有V型隔板及轴承座，并且相向嵌入转轮外壳的圆凹内，将轮体的两端面分隔为上、下两个区域。

Description

一种用于太阳能制冷装置的吸附器

技术领域

本发明涉及一种制冷装置的吸附器，特别涉及一种以太阳能为动力的固体吸附式制冷装置的吸附器。

背景技术

固体吸附式制冷是通过微孔固体吸附剂在较低温度下吸附制冷剂，在较高温度下解吸制冷剂的吸附-解吸循环来实现的。相对于同样利用热能驱动的吸收式制冷而言，在热源温度比较低或冷凝温度比较高的条件下，采用合适的制冷工质对，吸附式制冷具有更高的效率。因此，吸附式制冷在低品位热源，如太阳能的利用方面极具优越性。

通常吸附式制冷系统包括有两个或两个以上吸附器，通过切换工作，反复加热和冷却，因而导致了部分能量以显热的方式损失。近几年国内、外关于吸附器结构及传热性能方面的研究成果可以归结为：

(1)翅片管式吸附床。这种吸附床的优点是结构简单、造价低廉，但换热系数较低(约为10～20W/m²℃)，且温度分布不均匀，操作亦不方便。

(2)板式、螺旋板式吸附床。这类吸附床的优点是换热面积大、热损失小、温度分布均匀、传热传质性能较好，但压降情况尚待研究，其缺点是加工比较复杂，造价比较高。

(3)连续回热型吸附式制冷。这种系统是针对连续回热型循环设计的，系统包括有两个以上吸附器、蒸发器、冷凝器以及回热装置，其结构非常紧凑，热损失小、热力系数较高、操作比较方便，很适合于在宇航事业中应用。但因其压力损失、制冷量控制比较困难，加工工艺十分复杂，在民用制冷方面经济性较差。

发明内容

本发明针对现有的太阳能固体吸附器所存在的换热性能较差、能量损失较大或结构复杂造价高等缺陷，提供了一种适合于在太阳能等低品位热能为动力的固体吸附式制冷装置中应用的转轮式吸附器。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种用于太阳能制冷装置的吸附器，包括一个转轮及转动装置，所述转轮的轴向两端面连接有被固定的前、后盖板，其特征是，所述转轮包括与转动装置连接的转轮外壳、轮体和固定在轮体两端面的前、后挡板；所述轮体包括转轴及其上的轮毂，该轮毂上设有沿周向成辐射状的契形吸附床，其楔型前端指向轮毂的中心；每两个相邻契形吸附床之间留有传质通道，契形吸附床的辐射状末端圆周紧密固定在转轮外壳的内壁上，轮体两端面与转轮外壳形成圆凹，所述前、后盖板内侧分别设置有与所述圆凹直径相同的圆台，该圆台上设有V型隔板及轴承座，并且相向嵌入转轮外壳的圆凹内，将轮体的两端面分隔为上、下两个区域；所述轮体的转轴固定在前、后盖板内侧圆台的轴承座内；在所述前、后盖板的V型隔板的上、下部分对应开有一个上管道孔、一个下管道孔分别连通制冷装置相应的蒸气管道。

上述方案中，所述的每个楔型吸附床为活性炭纤维毡制成的楔型块状结构，并紧固在沿转轮轮毂周向呈辐射状的两个金属网架之间，每两块楔型吸附床之间通过金属网架留有楔形传质通道；所述的两个区域中的上区域为脱附区，占转轮圆截面的2/5，下区域为吸附区，占转轮圆截面的3/5；所述的圆台侧面至少设有一个密封槽及密封圈；所述的传动装置包括链条和变频电机，链条通过与变频电机轴连接的链轮套在转轮外壳的链条槽中；所述冷却装置设有沿转轮外壳水平直径方向对称布置的鸭嘴形冷却水喷管。

与现有技术相比，本发明的转轮式吸附器的优点是：

(1)实现了连续制冷过程。现有的吸附式制冷装置系统包括有两个吸附器，由于吸附器需要反复加热和冷却，不但导致了部分能量以显热的方式损失现象，而且会因为切换损失产生间歇式制冷过程。采用本发明转轮式吸附器不但可以回收冷却阶段释放的热量，充分利用吸附热，而且可以实现连续制冷过程。

(2)本发明转轮外壳伸出轮体端面形成圆凹的特殊设计以及前、后盖板上密封圆台、轴承座、V型密封隔板的特殊结构，使其能完全嵌入转轮外壳，并使轮体及转轮外壳与前、后盖板紧密地配合在一起。V型绝热隔板密封圆台侧面上特殊的密封结构，与高光洁度的转轮外壳内表面的滑动配合，避免了吸附器内、外气体泄漏；转轮轮体两端表面光滑的多孔型金属挡板与表面同样光滑的V型密封隔板的紧密配合，使转轮缓慢转动时，静止的前、后盖板及V型密封隔板将转轮的两端面分隔为上、下两个密闭的区域，避免了吸附器内部气体泄漏，冷、热气流混合损失，从而解决了转轮式吸附床气密性问题。

(3)改善了制冷剂在吸附器中的传热、传质特性，提高了吸附、解吸速度。采用活性炭纤维成型吸附剂技术，不但从根本上解决了颗粒吸附剂接触热阻问题，而且由于辐射状排列的楔型活性碳吸附床，减少了吸附剂厚度，增大了吸附换热面积，同时在结构上设置了利于扩散、渗透和对流等传质作用的楔形传质通道，从而强化了传热、传质特性，提高了吸附-解吸速度。

(4)综合利用高级制冷循环，很大程度提高了循环效率。这种由辐射状排列的活性碳纤维材料构成的转轮式吸附器，可以被看成是由一系列能独立进行热质交换的小吸附床所组成的，在转轮缓慢的旋转过程中，各个小吸附床沿流体流程存在很大的温度梯度。随着转轮的旋转运动，上、下两部分吸附床反向运行，回热、回质过程迅速地在吸附、脱附的分界线上连续进行，最大限度地利用了吸附过程放出的热量，实现了吸附终了气体的回质过程。所以本发明吸附器的转轮式结构综合利用了连续回热型循环、热波循环、对流热波循环、回质循环等高级制冷循环，明显提高了循环效率。

(5)转轮式吸附器的上2/5区域为脱附吸热过程，下3/5区域为吸附放热过程。本发明冷却水槽内特殊结构的冷却水喷管，沿转轮水平直径方向两侧对转轮外壳喷射冷却水，使转轮外壳的下1/2表面上形成一层水膜，从而带走了转轮下3/5区域内的部分吸附热，强化了转轮吸附侧的传热传质过程，解决了转轮式吸附床吸附侧冷却的问题。

(6)本发明吸附器改进了传统固体吸附式制冷系统的循环方式。即以制冷剂本身作为加热介质，不但避免了换热损失，而且最大限度地回收了吸附热，提高了整个制冷系统循环效率。此外，本发明配以气体循环泵的应用，增加了吸附床的吸附压力，提高了吸附床的脱附速度，实现了强迫对流过程，增强了吸附床传热传质性能，同时降低了高压部分制冷剂向低压部分泄漏的机会，进一步提高了系统循环效率。

附图说明

图1为本发明基于转轮式吸附器的太阳能制冷装置的工作原理图。其中，1.太阳能加热器；2.旁通阀；3.主阀门；4.辅助加热器；5.转轮式吸附器；6.高温气体循环泵；7.冷凝器；8.节流阀；9.蒸发器；10.低温气体循环泵。

图2为本发明转轮式吸附器整体外形图。

图3为图2的侧视图。

图4为本发明转轮式吸附器的分解结构图。

图5为图4中轮体的结构图。

图6为图5轮体中单个契形吸附床安装示意图。

图7为图4中的前、后盖板正视图。

图8为图7前、后盖板的侧视图。

图9为图7中的C部放大图。

在图2到图9中，11.轮体；12.楔型吸附床；13.楔型传质通道；14.圆凹；15.链条槽；16.链条；17.变频电机；18.金属网架；19.转轴；20.轮毂；21.前挡板；22.后挡板；23.V型隔板；24.前、后盖板；25.转轮外壳；26.轴承座；27.密封圆台；28.密封槽；29.O型密封圈；30.上管道孔；31.下管道孔；32.吸附器支架；33.固定螺栓；34.冷却水槽；35.冷却水喷管；36.冷却水进水管；37.冷却水出水管。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示。一种基于本发明转轮式吸附器的太阳能制冷装置，包括转轮式吸附器5，其一侧设置有太阳能加热器1、主阀门3、旁通阀2和辅助加热器4，另一侧设置有冷凝器7、节流阀8、蒸发器9、高温气体循环泵6、低温气体循环泵10，该装置由制冷剂管道连接成一个密闭的循环系统。

如图2、图3所示，一种用于太阳能制冷装置的吸附器，包括一个吸附器支架32、转轮式吸附器和一个冷却水槽34，转轮式吸附器的前后盖板24固定在吸附器支架32上，吸附器支架32固定在冷却水槽34上，冷却水槽34带有四个鸭嘴形喷嘴的冷却水喷管35沿转轮外壳25直径方向两侧对称喷射冷却水；

吸附器支架32由角钢用螺栓连接而成，其两端面沿转轮轴向两侧用螺栓33固定着转轮前盖板和后盖板24，并使转轮外壳25与前、后盖板24严密地配合在一起，将转轮外壳25完全封闭起来；所述支架顶部固定着变频电机17，通过传动链条带动转轮缓慢转动。冷却水槽34设置在吸附器支架32下方，冷却水槽34上设置有带鸭嘴形喷嘴的冷却水喷管35，并沿转轮外壳直径方向两侧对称各布置两个，其可向转轮外壳25喷射冷却水，在转轮外壳25的下1/2表面上形成一层水膜，以带走转轮下3/5区域内的部分吸附热，从而强化转轮吸附侧的传热传质过程；所述冷却水槽34上设有冷却水进、出水管36、37，可与冷却水循环系统并联在一起。

如图4至图6所示，转轮式吸附器由带有转轴19的轮体11、前、后挡板21、22、转轮外壳25、前后、盖板24以及转动装置组成。转轴19两端分别固定在前、后盖板24内侧的轴承座26内。前、后盖板24沿水平轴方向分别用螺栓33固定在吸附器支架32上；所述转轴19上设有轮毂20，轮毂20上设有沿周向呈辐射状的楔型吸附床12，每个楔型吸附床12为活性炭纤维毡制成的楔型块状结构，楔型前端指向轮毂20的中心；每个楔型吸附床12被紧固在沿轮毂20周向呈辐射状的两个金属网架18之间，每两块楔型吸附床12之间通过金属网架18留有楔形传质通道13。

所述呈辐射状排列的楔型吸附床12组成的圆柱形轮体11的两端面上分别配置一个多孔型金属前挡板21和后挡板22，所述前、后挡板21、22由不锈钢板制作，表面沿径向方向设置有许多气流孔；该前、后挡板21、22与轮体11的两个端面紧密配合，挡板中心孔通过销钉固定在转轴19上，圆周点焊在转轮外壳25的内壁面上；转轮外壳25的两端伸出轮体11的两个端面形成圆凹14，该转轮外壳25由无缝钢管制作，转轮外壳25的外表面上设置有链条槽15，通过链条16连接一个变频电机17。

如图7至图9所示，前盖板和后盖板24的内侧相对转轮外壳25分别设置一个密封圆台27、一个轴承座26和一对V型密封隔板23；密封圆台27的直径与圆凹14的直径相同，密封圆台27的侧面上设有2圈密封槽28，该密封槽28的横截面呈“U”字形，密封槽28内填装着“O”型橡胶密封圈29；所述轴承座26和V型密封隔板23设置在密封圆台27相应的位置上，轴承座26与密封圆台27同心，V型密封隔板23的一端与轴承座26固定在一起，另一端端面上贴敷着橡胶密封垫，V型密封隔板23的长度与密封圆台27的边缘平齐；所述轴承座26与V型密封隔板23的厚度平齐，V型密封隔板23的厚度加上密封圆台27的厚度以及轮体挡板21、22的厚度正好等于转轮外壳25伸出轮体11端面圆凹14的宽度，从而使轴承座26和V型密封隔板23以及密封圆台27相向地完全嵌入转轮外壳25内。所述挡板21、22、V型密封隔板23、密封圆台27以及转轮外壳25的两端与密封圆台27相配合的部分，其表面要求光滑平整，表面平均粗糙度不大1.25。当转轮外壳25带动转轮缓慢地沿密封圆台27旋转运动时，静止的前、后盖板24及V型密封隔板23紧密地与转轮外壳25以及轮体11两端的多孔型金属挡板21、22滑动配合在一起；所述V型密封隔板23将轮体11的两端面分隔为上、下两个区域；上边脱附区域占转轮圆截面的2/5，下边吸附区域占转轮圆截面的3/5。在所述前后盖板24的V型密封隔板23的上、下部分对应开有一个上管道孔30、一个下管道孔31分别连通制冷装置相应的蒸气管道。

转轮式吸附器的转动装置主要由链条16和变频电机17组成，变频电机17固定在吸附器支架32的顶部，链条16套在转轮外壳14的链条槽15中，通过变频电机17，可以自动调节转轮11的转速(4～8rad/h)，以得到不同的吸附效率，从而控制加热蒸气量，调节吸附-解吸平衡。

本发明转轮式吸附器的工作原理：

轮体11在转动装置的驱动下，以缓慢的速度旋转，来自蒸发器9的低温低压制冷剂蒸气由低温气体循环泵10通过吸附器后盖板24(图4轮体的右侧)的下管道孔31引入轮体11下部3/5吸附区域，首先使吸附区域内的吸附床12温度下降，继而被吸附床12的活性炭纤维所吸附，吸附过程中放出的吸附热，被未被吸附的制冷剂蒸气穿过楔形传质通道13，通过吸附器前盖板24(图4轮体的左侧)的下管道孔31进入太阳能加热器1，在太阳能加热器1中吸热升温，压力提高后再通过吸附器前盖板24的上管道孔30进入轮体11上部2/5脱附区域，遇到旋转上来的吸满了制冷剂的楔型吸附床12，由于受到高温制冷剂蒸气加热，被吸附床12吸附的那部分制冷剂便从活性炭纤维中解吸出来，通过吸附器后盖板24的上管道孔30，由高温气体循环泵6导入冷凝器7，在冷凝器7中，高温制冷剂蒸气被冷却水冷却，凝结为液态制冷剂，液态制冷剂经节流阀8节流降压后，进入蒸发器9，在蒸发器9内，低压制冷剂液体吸收被冷却介质的热量，在低压下气化为制冷剂蒸气，被冷却介质因失去热量，温度降低产生制冷效应。低温低压制冷剂蒸气再次由低温气体循环泵10导入轮体11下部3/5吸附区域，开始下一轮的吸附-解吸-制冷过程，如此循环，从而达到连续制冷的目的。

由于流经轮体11上部2/5脱附区域的是高温高压制冷剂蒸气，流经下部3/5吸附区域的是低温低压制冷剂蒸气，为了避免高压部分制冷剂向低压部分泄漏，同时为了增加吸附压力，减小脱附压力，提高吸附-脱附效率，应使脱附状态的制冷剂蒸气处于高温气体循环泵6的吸入段，而使吸附状态的制冷剂蒸气处于低温气体循环泵10的压出段。

由于吸附床在吸附制冷剂蒸气的过程中放出了大量的吸附热，虽然被未被吸附的制冷剂蒸气带走了部分吸附热量，但仍然会因为吸附热量的积聚而影响吸附效率。利用冷却水喷管35，沿转轮壳体25水平直径方向两侧对转轮外壳25喷射冷却水，使转轮外壳的下1/2表面上形成一层水膜，从而带走转轮下3/5区域内的部分吸附热，降低吸附区域温度，强化转轮吸附侧的传热传质过程。

当阴雨天没有太阳的时候，在图1所示制冷装置中，可以关闭主阀门3，打开旁通阀2，使制冷剂蒸气进入辅助加热器4，完成加热升温过程。

本发明转轮式吸附器5在连续制冷循环过程中，利用每半个循环将要结束时，脱附状态的吸附床12处于高温高压状态，吸附状态的吸附床12处于低温低压状态，随着轮体11的旋转运动，使前者脱附的部分制冷剂蒸气迅速扩散到后者而被吸收，达到前者部分降温降压而后者部分升温升压的目的。由于内部蒸气回收利用过程非常迅速，从而使轮体11的传热、传质性能大大提高。

本发明以辐射状排列的活性碳纤维楔型吸附床12以及楔形传质通道13构成的轮体11为核心部件，明显改善了吸附器内解吸和吸附的传热、传质过程；加之制冷过程的可连续性，避免了切换损失，从而使制冷装置具制冷速度快，热力系数高，无噪声，不污染大气环境，对人体无害等优点。同时由于转轮式吸附器结构简单，因此制冷装置的制造成本可大幅降低。

当太阳能提供辐射的能量达到0.06kW，太阳能集热器1接受的峰值辐射强度为1000W/m²时，对于直径为400mm，长度为200mm，转速为6rad/h的转轮式吸附器，采用活性碳纤维-乙醇为工质对，制冷量为3.18kW时，系统性能系数COP可达0.36。

Claims (6)

1.一种用于太阳能制冷装置的吸附器，包括一个转轮、冷却装置及转动装置，所述转轮的轴向两端面连接有被固定的前、后盖板，其特征是，所述转轮包括与转动装置连接的转轮外壳、轮体和固定在轮体两端面的前、后挡板；所述轮体包括转轴及其上的轮毂，该轮毂上设有沿周向成辐射状的契形吸附床，其楔型前端指向轮毂的中心，每两个相邻契形吸附床之间留有传质通道，所有契形吸附床的辐射状末端圆周紧密固定在转轮外壳的内壁上；所述轮体两端面与转轮外壳形成圆凹，所述前、后盖板内侧分别设置有与所述圆凹直径相同的圆台，该圆台上设有V型隔板及轴承座，并且相向嵌入转轮外壳的圆凹内，将轮体的两端面分隔为上、下两个区域；所述轮体的转轴固定在前、后盖板内侧圆台的轴承座内；在所述前、后盖板的V型隔板的上、下部分对应开有一个上管道孔、一个下管道孔分别连通制冷装置相应的蒸气管道。

2.根据权利要求1所述的用于太阳能制冷装置的吸附器，其特征是，所述的每个楔型吸附床为活性炭纤维毡制成的楔型块状结构，并紧固于沿转轮轮毂周向呈辐射状的两金属网架之间，每两块楔型吸附床之间通过金属网架留有楔形传质通道。

3.根据权利要求1或2所述的用于太阳能制冷装置的吸附器，其特征是，所述的两个区域中的上区域为脱附区，占转轮圆截面的2/5，下区域为吸附区，占转轮圆截面的3/5。

4.根据权利要求3所述的用于太阳能制冷装置的吸附器，其特征是，所述的圆台侧面至少设有一个密封槽及密封圈。

5.根据权利要求1所述的用于太阳能制冷装置的吸附器，其特征是，所述的转动装置包括链条和变频电机，链条通过与变频电机轴连接的链轮套在转轮外壳的链条槽中。

6.根据权利要求1所述的用于太阳能制冷装置的吸附器，其特征是，所述冷却装置设有沿转轮外壳水平直径方向对称布置的鸭嘴形冷却水喷管。

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