潘權(quán)穩(wěn)，王如竹

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

四通閥對回熱型吸附式制冷系統(tǒng)熱量損失的影響

潘權(quán)穩(wěn)*，王如竹

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

采用2個四通閥和2個三通閥是實現(xiàn)串聯(lián)式回熱型吸附式制冷系統(tǒng)的最簡單形式，但采用四通閥會造成一定的熱量損失，從而對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。本文搭建了一個采用四通閥的回熱型硅膠-水吸附式制冷實驗裝置，并對四通閥的影響進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明：在四通閥不動作時，冷熱流體之間的換熱不明顯，熱量損失較??；在四通閥動作時，熱水向冷卻水摻入量為0.29 kg/s，而冷卻水向熱水摻入量為2.14 kg/s，造成熱源側(cè)5,157 kJ的熱量損失，相當于加熱量的8.09%。因此要選用切換時間較短的四通閥，以減小冷卻水向熱水的摻入量。

四通閥；回熱；吸附式制冷；硅膠-水

0 引言

吸附式制冷是一種有效利用低品位熱能且對環(huán)境沒有破壞作用的制冷技術(shù)[1]，同時具有抗振性好、噪聲小和維護方便等優(yōu)點，因此其在太陽能制冷、工業(yè)余熱回收及車船發(fā)動機余熱利用等應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊的前景[2]。

目前吸附式制冷的研究主要集中于吸附材料（工質(zhì)對）、傳熱傳質(zhì)和系統(tǒng)循環(huán)等方面。在吸附材料方面，主要是材料的改性和新工質(zhì)對的研制，例如李娜等[3]、吳琦等[4]和SEILER等[5]分別對改性活性炭-甲醇、改性活性炭-異丁烷和NaY-乙二醇溶液工質(zhì)對的吸附性能進行研究。在傳熱傳質(zhì)方面，集中在吸附床傳熱傳質(zhì)性能的強化，LI等[6]研制的涂層吸附床相比于傳統(tǒng)填充吸附床，傳熱和傳質(zhì)性能分別提高了3.4～4.6倍和1.5～2倍。系統(tǒng)循環(huán)方面，主要是循環(huán)的改進和新型循環(huán)的開發(fā)，例如熱波循環(huán)[7]、回熱循環(huán)[8]、回質(zhì)循環(huán)[9]、多級循環(huán)[10]和再吸附循環(huán)[11]。由于實施比較容易和性能提升明顯的優(yōu)點[12]，回熱循環(huán)被經(jīng)常采用，形成回熱型吸附式制冷系統(tǒng)?；責岬姆绞接卸喾N，PAN等[8]對比分析了3種回熱方式（循環(huán)式、串聯(lián)式和被動式），并指出串聯(lián)式回熱為最優(yōu)的回熱方式。

回熱型吸附式制冷系統(tǒng)模式（如吸附、解吸和回熱等模式）的切換需要切換閥門來實現(xiàn)。這些切換閥門可以為單向閥、兩通閥、三通閥或四通閥等類型。本文作者研制了一臺采用四通切換閥的回熱型硅膠-水吸附式制冷系統(tǒng)，回熱方式為串聯(lián)式。通過實驗研究來分析四通切換閥對吸附式制冷系統(tǒng)的影響。

1 串聯(lián)式回熱的閥門實現(xiàn)形式

在吸附式制冷系統(tǒng)中，實現(xiàn)串聯(lián)式回熱可以有多種形式。根據(jù)切換閥門的數(shù)量及類型不同，可以分為以下3種形式。

1.1 實現(xiàn)形式1

劉艷玲等[13]研制的吸附式制冷系統(tǒng)采用了如圖1所示的串聯(lián)式回熱的閥門實現(xiàn)形式，稱之為實現(xiàn)形式1。該系統(tǒng)采用了13個兩通切換閥，使得系統(tǒng)較為復(fù)雜。同時由于切換閥需要頻繁動作，長期使用會容易出現(xiàn)損壞和更換維護問題，因此閥門較多會導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。

圖1 串聯(lián)式回熱實現(xiàn)形式1

1.2 實現(xiàn)形式2

為了減少閥門的數(shù)量，GONG等[14]研制的吸附式制冷系統(tǒng)采用了如圖2所示的閥門實現(xiàn)形式，稱之為實現(xiàn)形式2。該系統(tǒng)采用了6個三通切換閥和1個單向閥。相比于實現(xiàn)形式1，實現(xiàn)形式2大大地減少閥門數(shù)量，使得系統(tǒng)更加緊湊和可靠。

1.3 實現(xiàn)形式3

為了進一步減少閥門的數(shù)量，PAN 等[15]研制的吸附式制冷機采用了如圖3所示的閥門實現(xiàn)形式，稱之為實現(xiàn)形式3。該系統(tǒng)僅采用了2個四通切換閥和2個三通切換閥，便實現(xiàn)了串聯(lián)式回熱，進一步簡化系統(tǒng)且提高系統(tǒng)可靠性。但從圖中可看出，系統(tǒng)最上部的四通切換閥，會同時通入熱流體和冷卻流體，會存在一定的熱量損失。同時，在閥門切換過程，熱流體和冷卻流體會發(fā)生摻混，造成熱量的損失。

圖2 串聯(lián)式回熱實現(xiàn)形式2

圖3 串聯(lián)式回熱實現(xiàn)形式3

2 實驗裝置

為了研究上述的串聯(lián)式回熱實現(xiàn)形式 3，分析采用四通切換閥對回熱型吸附式制冷系統(tǒng)的影響，特別是其造成的熱量損失情況，本文搭建了一個回熱型吸附式制冷實驗裝置，采用串聯(lián)回熱實現(xiàn)形式3，如圖4所示。該實驗裝置以硅膠-水為工質(zhì)對，采用100 ℃的熱水驅(qū)動，通過冷卻塔進行冷卻，輸出空調(diào)所需的冷凍水。實驗裝置中所選用切換閥為電動閥門，裝置配置了1個電控箱來實現(xiàn)系統(tǒng)的自動運行和控制。實驗過程中，熱水、冷卻水和冷凍水的流量分別設(shè)定為 24.70 m3/h、37.71 m3/h和9.35 m3/h。前期文獻[15]已經(jīng)對該實驗裝置的制冷性能進行研究，在 86 ℃熱水進口溫度、30 ℃冷卻水進口溫度和 11 ℃冷凍水出口溫度條件下，制冷量和能效系數(shù)分別為42.8 kW和0.51。

回熱型吸附式制冷實驗裝置運行過程中，最上部的四通切換閥有兩個狀態(tài)，如圖5所示。狀態(tài)1：熱水進與通道1連通，熱水從通道1流出閥門，冷卻水進與通道2連通，冷卻水從通道2流進閥門。狀態(tài)2：熱水進與通道2連通，熱水從通道2流出閥門，冷卻水進與通道1連通，冷卻水從通道1流出閥門。

圖4 回熱型吸附式制冷實驗裝置

圖5 四通閥的運行狀態(tài)

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度變化

當回熱時間為40 s時，四通閥的各個通道的溫度變化如圖6所示。在圖6(a)當前的制冷模式下，四通閥處于狀態(tài)2，冷卻水出口和通道1的溫度處于較低的水平，熱水進口和通道2的溫度處于較高的水平。此時冷卻水出口與通道1的溫度幾乎一樣，同時熱水進口和通道2的溫度也幾乎一樣。說明在四通閥內(nèi)，熱水向冷卻水傳遞的熱量非常小，以致無法通過常規(guī)的溫度傳感器來測量。當制冷系統(tǒng)進入回熱模式時，由于串聯(lián)式回熱是通過冷卻水回路將兩個吸附床串聯(lián)起來，從而進行兩床的回熱，所以冷卻水出口和通道1的溫度會急劇升高而熱水進口和通道2的溫度急劇下降。當回熱結(jié)束之后，四通閥會進行狀態(tài)的切換，切換時間為30 s，從而使得制冷系統(tǒng)進入下個制冷模式。

從圖6(b)可看出，在回熱和四通閥狀態(tài)切換的過程，冷卻水出口的溫度會出現(xiàn)一個峰值，約為45 ℃。熱水出口的溫度會出現(xiàn)一個谷值，約為55 ℃。通道1的溫度從30 ℃一直升至80 ℃左右，而通道2的溫度從85 ℃一直降至35 ℃左右。在回熱階段，冷卻水出口與通道1的溫度幾乎一樣，熱水進口和通道2的溫度也幾乎一樣。一旦進入四通閥狀態(tài)切換的階段，冷卻水出口溫度會低于通道 1的溫度，熱水出口溫度會高于通道2的溫度。當四通閥狀態(tài)切換完成之后，溫度較低的兩個流道（冷卻水出口和通道 2）的溫度會迅速接近，而溫度較高的兩個流道（熱水進口和通道 1）的溫度需要較長的時間才能趨向一致。造成這種現(xiàn)象的原因可能有：1）閥門和管道本身的熱容以及系統(tǒng)向環(huán)境的散熱，造成熱量的損失；2）熱水回路殘留較多的低溫水。熱水中混入較多的冷卻水，而冷卻水中混入的熱水較少；3）冷卻水流速較快，混合速度較快，而熱水流速較低，混合速度較慢；4）熱水的流道較復(fù)雜，可能會存在流體的短暫滯留，而冷卻水的流道較簡單。

圖6 四通閥各通道的溫度變化

3.2 熱量損失

不考慮系統(tǒng)向環(huán)境散熱情況下，根據(jù)能量守恒定律，可建立熱水和冷卻水的能量守恒方程，分別如式1和2所示。

式中：

Qh、QL——熱水和冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s；

x、y ——熱水和冷卻水的流出質(zhì)量，kg/s；

Th1、Th2——熱水進出口溫度，℃；

mm——閥門和管道金屬的質(zhì)量，kg；

Cm——金屬比熱容，kJ/(kg·℃)；

ΔT——金屬的溫升，℃；

t ——閥門切換時間，s；

Cw——水比熱容，kJ/(kg·℃)；

TL1、TL2——冷卻水進出口溫度，℃。

通過式(1)和式(2)對圖 6(b)四通閥切換過程進行計算，可得：x = 0.29 kg/s，y = 2.14 kg/s。因此熱水從冷卻水獲得凈流入的質(zhì)量，相當于對熱水回路進行了補水。由于補充的水溫度較低，為了讓這部分水達到所需的溫度要求（85 ℃），需要熱源額外提供更多熱量，所以造成熱源側(cè)熱量的損失。損失的熱量可通過式(3)來計算。

式中：

q ——熱量損失，kW；

Th——所需的熱水溫度，℃。

通過式(3)的計算，可得q = 5157 kJ，即四通閥每切換一次會造成熱源側(cè)5,157 kJ的熱量損失。由于四通閥每 760秒切換 1次，故會造成熱源側(cè)約6.8 kW的熱量損失，相當于制冷系統(tǒng)整體加熱量的8.09%。因此選用四通閥時，注意選用切換時間較短的閥，減小冷卻水向熱水的流入量。

4 結(jié)論

本文對吸附式制冷系統(tǒng)串聯(lián)式回熱多種實現(xiàn)形式進行分析，可知采用四通閥的實現(xiàn)形式是使用閥門最少的方案。接著建立一個采用四通閥的串聯(lián)式回熱型吸附式制冷實驗裝置，通過實驗研究，得到以下結(jié)論：

1) 四通閥在不動作時，冷熱流體之間的換熱不明顯，熱量損失較??；

2) 四通閥在動作時，熱水摻入較多的冷卻水，導(dǎo)致在熱源端有較大的熱量損失；

3) 四通閥的切換時間較為重要，切換時間越短，冷卻水向熱水的摻混量越少，熱量損失越少。

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Impact of Four-way Valve on Heat Loss for Heat Regenerative Adsorption Refrigeration System

PAN Quanwen*, WANG Ruzhu
(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Using two four-way valves and two three-way valves is the simplest way to realize serial heat recovery in an adsorption refrigeration system. But the use of four-way valves causes extra heat loss and lowers the system performance. An experimental setup for the heat regenerative silica gel-water adsorption refrigeration using four-way valves is established, and the impact of four-way valves is experimentally studied. The results show that, when the four-way valve does not operate, the heat transfer rate between hot water and cool water is small and the heat loss is little; while when the four-way valve operates, the cool water circuit is mixed with 0.29 kg/s hot water, and the hot water circuit is mixed with 2.14 kg/s cool water, causing 5,157 kJ heat loss on the heat source side. And this heat loss is equivalent of 8.09% heat input. Hence, four-way valves with less operation time is required to reduce the flux of mixed cool water.

Four-way valves; Heat regenerative; Adsorption refrigeration; Silica gel-water

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.04.102

*潘權(quán)穩(wěn)（1987-），男，博士后，博士。研究方向：吸附式制冷。聯(lián)系地址：上海市東川路800號中意樓206室，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206309。E-mail：sailote@sjtu.edu.cn。

上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目（No.15DZ1201802）。