5.基于太陽(yáng)能吸附式制冷的汽車除熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(2)

1、基于太陽(yáng)能吸附式制冷的汽車除熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)者：李佳，王瑩，章旺，張昊東，蘇航，張文迪，王任偉指導(dǎo)老師：黃曉明（副教授）何國(guó)庚（教授）（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北，武漢430074）作品內(nèi)容及簡(jiǎn)介通過(guò)理論學(xué)習(xí)與研究設(shè)計(jì)一套基于太陽(yáng)能吸附式制冷的汽車除 熱系統(tǒng)。以夏季為例，在汽車停止運(yùn)行的過(guò)程中，夏季高溫會(huì)導(dǎo)致車 內(nèi)溫度驟升，同時(shí)產(chǎn)生有害氣體，通過(guò)除熱系統(tǒng)，可以預(yù)防汽車的高 溫危害，使車內(nèi)溫度保持在適宜溫度之下。參與除熱系統(tǒng)的包括集熱解析過(guò)程，冷凝過(guò)程，吸附制冷過(guò)程。通過(guò)這幾部分以及控制系統(tǒng)共同作用能高效的實(shí)現(xiàn)夏季汽車降溫，預(yù)防高溫對(duì)于汽車的性能損害。1. 設(shè)計(jì)背景及意義我國(guó)大部分

2、地區(qū)夏季白天室外溫度很高，眾多車主都有一個(gè)困擾，露天停車時(shí)，車內(nèi)溫度會(huì)升得很高，這個(gè)溫度呢一般可以到達(dá)60攝氏度。車內(nèi)高溫不僅嚴(yán)重影響乘車人員的體驗(yàn)，而且會(huì)降低車用配件的工作性能和使用壽命。然而對(duì)于汽車車載空調(diào)（使 用壓縮機(jī)制冷），這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是使用大量的電能； 二是停車后空調(diào)也停止運(yùn)行，車內(nèi)溫度迅速升高，當(dāng)乘車人員再 次回到車內(nèi)會(huì)非常不適應(yīng)，同樣也有損壞配件的問(wèn)題。針對(duì)停車 時(shí)的高溫問(wèn)題，我們一般會(huì)采取三種方法給它降溫：汽車空調(diào)， 遮陽(yáng)板，或者是制冷噴霧，但是他們各自存在一定的缺點(diǎn)，那就 是耗能，效率低，甚至有毒。但給車內(nèi)降溫這個(gè)問(wèn)題又迫在眉睫, 為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于太

3、陽(yáng)能吸附式制冷的汽車除 熱系統(tǒng)。我們采用太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)能夠有效解決這些問(wèn)題。首 先，使用太陽(yáng)能這一可再生能源能夠有效減少化石能源的消耗。 再者，與傳統(tǒng)的壓縮式制冷相比，固體吸附式制冷系統(tǒng)中幾乎沒(méi) 有運(yùn)動(dòng)部件，噪聲大為減小，整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單且運(yùn)行費(fèi)用不高, 并且系統(tǒng)使用的是自然工質(zhì)對(duì)，無(wú)污染。系統(tǒng)能夠持續(xù)運(yùn)行，始 終保持車內(nèi)溫度合適，對(duì)人對(duì)車均有很大益處。2. 設(shè)計(jì)方案木裝置主要分為太陽(yáng)集熱解吸過(guò)程，冷凝循環(huán)過(guò)程，以及吸附制 冷過(guò)程三部分組成。主要設(shè)備有集熱器，吸附床，氣體儲(chǔ)存罐，液罐, 以及蒸發(fā)器。本裝置采用完全太陽(yáng)能利用，采用清潔能源，由白天（制冷系統(tǒng) 和解吸過(guò)程）和夜間（冷凝準(zhǔn)備過(guò)程

4、）共同完成。制冷過(guò)程主要為吸 附床吸收氣態(tài)制冷劑，使蒸發(fā)器產(chǎn)生連續(xù)蒸發(fā)，在自然蒸發(fā)過(guò)程中能 夠吸收車內(nèi)的熱量，從而降低車內(nèi)溫度，防止危害的產(chǎn)生。太陽(yáng)能集熱以及吸附床的解吸制冷劑的過(guò)程是主要利用太陽(yáng)能的部分，通過(guò)太 陽(yáng)能的集熱使制冷劑轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w儲(chǔ)存，為夜間自然冷凝過(guò)程奠定基 礎(chǔ)。以上部分為除熱系統(tǒng)在太陽(yáng)能利用狀態(tài)下的白天工作部分，制冷 劑液化的工作是利用夜間的低溫狀態(tài)，使氣態(tài)制冷劑易于液化，轉(zhuǎn)為 液體進(jìn)入液罐儲(chǔ)存，為口天的蒸發(fā)器不斷提供液態(tài)制冷劑實(shí)現(xiàn)不斷蒸 發(fā)，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)的高效制冷。3. 工作原理及性能分析該系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：白天的脫附過(guò)程、口天的吸附制冷 過(guò)程、晚上的冷凝過(guò)程。在系統(tǒng)工作的

5、初始狀態(tài)，各部分都充斥著大量的制冷劑，吸附床 的吸附質(zhì)吸附著大量的制冷劑，儲(chǔ)液罐也存有大量的液態(tài)制冷劑。3. 1工作流程太陽(yáng)能吸附制冷整體系統(tǒng)原理圖首先，這是我們制冷裝置的整體圖。它由吸附床、散熱裝置、儲(chǔ) 液罐、蒸發(fā)器和儲(chǔ)氣罐所組成。整個(gè)工作循環(huán)是制冷劑在口天從吸附 床脫出，到達(dá)散熱裝置，晚上通過(guò)自然冷卻變成液體，儲(chǔ)存在液罐， 在白天需要制冷時(shí)，制冷劑解析過(guò)程停止，同時(shí)將液體抽吸到蒸發(fā)器, 吸附床吸附制冷劑氣體，利用吸附床的負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)相變制冷。3. 2工作原理在系統(tǒng)的整個(gè)工作時(shí)間段，分別有脫附、吸附制冷和冷凝三種工 作狀態(tài)。吸附床開(kāi)關(guān)氣擢B工作流程圖脫附過(guò)程：在這里我們利用的是玻璃溫室加熱吸附

6、床，此時(shí)僅吸 附床和散熱裝置工作，制冷劑從吸附床中脫出，因?yàn)榘滋斓臅r(shí)候，除 了需要制冷時(shí)，這個(gè)部分都是在工作的，所以我們可以確保制冷劑完 全從吸附床中脫出，儲(chǔ)存到散熱裝置里。在工作過(guò)程中，通過(guò)控制系 統(tǒng)控制閥門2/3/4關(guān)閉閥門1打開(kāi)，僅令吸附床和儲(chǔ)氣罐A相連工 作，在早上太陽(yáng)光照射吸附床，利用溫室效應(yīng)使吸附床升溫，吸附質(zhì) 開(kāi)始解析制冷劑，制冷劑通過(guò)管道流到儲(chǔ)氣罐A中儲(chǔ)存，以待晚上冷 凝。吸附制冷過(guò)程：這一過(guò)程是我們制冷系統(tǒng)的主要部分，此時(shí)，通 過(guò)控制系統(tǒng)控制閥門1關(guān)閉，閥門2/3/4打開(kāi)，使吸附床與散熱裝置 斷開(kāi)，玻璃溫室打開(kāi)，其他裝置全部連通工作。蒸發(fā)器利用毛細(xì)抽吸 作用將液體抽吸到毛細(xì)芯

7、，液體在毛細(xì)芯表面受熱蒸發(fā)，匯聚到集氣 腔離開(kāi)，同時(shí)，吸附床解析過(guò)程停止，由于玻璃溫室打開(kāi)，吸附床降 溫，吸附床能吸附氣態(tài)的制冷劑，從而形成負(fù)壓，使我們的蒸發(fā)能緩 慢而持續(xù)的進(jìn)行。當(dāng)吸附床達(dá)到一定的飽和，氣態(tài)制冷劑儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣 罐B中，由于毛細(xì)芯的繼續(xù)蒸發(fā)，進(jìn)而形成高壓進(jìn)一步促進(jìn)吸附床吸 附制冷劑，在制冷劑持續(xù)的蒸發(fā)相變過(guò)程中達(dá)到給汽車降溫的目的。冷凝過(guò)程：到了晚上，通過(guò)控制系統(tǒng)控制閥門1/3/4關(guān)閉閥門 2打開(kāi)，僅讓儲(chǔ)氣罐A和儲(chǔ)液罐相連，其他裝置全部斷開(kāi)。由于晚上 的自然降溫，儲(chǔ)氣罐中的液態(tài)制冷劑開(kāi)始液化并流入儲(chǔ)液罐中儲(chǔ)存以 供第二天的制冷過(guò)程使用，此時(shí)，只有冷卻部分工作。系統(tǒng)主要構(gòu)件有吸附床

8、和蒸發(fā)器。3. 3系統(tǒng)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)與原理介紹(1)吸附床的結(jié)構(gòu)和工作原理。下面的長(zhǎng)方體容器是吸附床用 來(lái)裝吸附質(zhì)，上面這個(gè)比較窄小的長(zhǎng)方體全部為玻璃材質(zhì)，在白天經(jīng) 太陽(yáng)光照射，加熱玻璃容器中的空氣形成溫室效應(yīng)，再間接地給吸附 床傳熱形成高溫開(kāi)始脫附過(guò)程。當(dāng)我們需要制冷時(shí)，可以將上方的玻 璃容器兩個(gè)側(cè)而通過(guò)控制系統(tǒng)打開(kāi)，由于玻璃容器內(nèi)外存在的溫度差 從而形成對(duì)流，來(lái)降低吸附床的溫度，使吸附床在制冷過(guò)程中吸附制 冷劑，形成系統(tǒng)低壓，產(chǎn)生持續(xù)制冷。吸附床歸構(gòu)原理圖(2)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理，蒸發(fā)器利用毛細(xì)抽吸作用將液 體抽吸到毛細(xì)芯，液體在毛細(xì)芯表面由于車內(nèi)高溫使制冷劑受熱蒸 發(fā)，制冷劑產(chǎn)生相變，

9、吸收車熱量，達(dá)到制冷的效果，同時(shí)，蒸發(fā)形 成的氣態(tài)制冷劑內(nèi)匯聚到集氣腔，通過(guò)管道進(jìn)入吸附床，實(shí)現(xiàn)持續(xù)蒸 發(fā)制冷。蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)原理圖4汽車熱負(fù)荷的計(jì)算(以武漢市為例計(jì)算)4. 1太陽(yáng)輻射熱(1) 直射輻射強(qiáng)度水平而上的直射輻射強(qiáng)度：Lsin垂直而上的直射輻射強(qiáng)度：IC=INSin COS()其中A地球表而上與太陽(yáng)光線垂直平而上的太陽(yáng)直射輻射(法線直射輻射強(qiáng)度):Ix=IOr車體一太陽(yáng)方位角，太陽(yáng)輻射線在水平面上的投影與車體法線的夾角， =Aa太陽(yáng)高度角；A太陽(yáng)方位角；a車體方位角：車體法線偏離南向的角度。太陽(yáng)高度角Sin =sin sin +cos COS COS 其中：3為時(shí)角，以中午12點(diǎn)為0

10、 ,超過(guò)中午12點(diǎn)每一小時(shí) 為 15 ,如上午 10 點(diǎn)為-30。&為赤緯角,=23.45sin(360(284+n) /365) , n為一年中從1月1日算起的天數(shù)。巾為當(dāng)?shù)氐木暥?。武漢 地區(qū)d)=30取8月1號(hào)，243。取時(shí)間為2點(diǎn)，時(shí)角=30o赤緯角 =23. 45Sin (360 (284+n ) /365) =23. 45Sin ( 360 (284+243) /365) =7. 725太陽(yáng)高度角 Sin =Sin Sin +cos COS COS =0. 8104 =54. 135COSA=(Sin B Sin -sin )cos COS =0. 53368oA=57. 740取車

11、體方位角a=0,則 =A=57. 74o o(2) 散射輻射強(qiáng)度對(duì)于水平面上的散射輻射強(qiáng)度，其值可用以下的BerIage公式計(jì)算Is. =0. 5I0sin (I-Pb) /1T.4 (InP)J垂直平而上的散射輻射強(qiáng)度Ic. =0. 5Is,s其中I0太陽(yáng)常數(shù)，I=1353Wnf;P大氣透明度，一般為0. 65 - 0. 75,考慮到一般水平取P=O. 7；m大氣質(zhì)量，m-l/sin =1. 23396Ix=IOPiI二 1353 X0. 7123396=871. 274Wm2(3) 太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度水平而上的總輻射強(qiáng)度II Is, s垂直平而上的總輻射強(qiáng)度IC=Ic =+0. 5 (I-+I

12、d)其中Io地面反射輻射強(qiáng)度，wfIS=INSin B =871. 274 0. 8104=706. 08Wm2Ic. =Insin COS =871. 274 X cos54. 135 o cos57. 74 o =272. 4222Wm2Is, =0. 5I0sin (I-PBI) /1T.4 (InP)I =O. 5 1353O. 8104 ( 1-0. 71 23396) / ( 11. 4 InO. 7) =130. 18686W m2Ic. s=0. 5Is=65. 09343Wm2水平面 I=I+I,s=706. 08+130. 18686=836. 27Wm2地而輻射 Id=O

13、. 31 =250. 881Wm2垂直而 Ic=430. 46Wm2(4) 陽(yáng)光通過(guò)玻璃的熱輻射量Qci= (L=+I=,s) s1+ (ic. 5+c. s) s2 n其中:Sl為玻璃的水平投影而積,可以在玻璃的三維數(shù)據(jù)中測(cè)得, 單位為 s?為垂直投影面積，可以在玻璃的三維數(shù)據(jù)中測(cè)得，單位 為 H為陽(yáng)光通過(guò)玻璃的透過(guò)系數(shù)，國(guó)標(biāo)3mm白玻璃的透過(guò)率稱為航向比 H, H= n =0. 889前擋風(fēng)玻璃 Ql= (IS+IcS2) =900. 975IW全玻璃 QI =2Q1=1801. 9502W4. 2車窗傳導(dǎo)熱汽車玻璃傳熱系數(shù)取Kg二3. 5Wm2. k,玻璃面積前風(fēng)擋約1. 0875f車窗

14、玻璃約1. 8164卅后風(fēng)擋o. 9285 m2,不考慮車外空氣對(duì)流對(duì)于車玻璃的溫度影響，則溫度差恒定為t=60C, S=S+S2+S3=l. 0875+1. 8164+0. 9285=3. 8324 m2根據(jù)公式 Q2=KS*t=80. 4804W總熱負(fù)荷功率：Q二Q：總+Qz=1882. 4324W5. 工質(zhì)對(duì)的計(jì)算甲醇蒸發(fā)制冷量：Qref=MCLC XLC為甲醇汽化潛熱，Mc為甲醇質(zhì)量，Qref為甲醇蒸發(fā)制冷量，X=XcOnC-XdiIo其中，Xdil為高溫脫附時(shí)活性炭對(duì)甲醇的吸附率，XCOnC為蒸發(fā)冷凝過(guò)程活性炭對(duì)甲醇的吸附率，吸附率與溫度有關(guān)。甲醇分子量32. 042溫度蒸汽壓汽化熱

15、密度熱容度毫米汞柱卡/克分子千克/升卡/克分子*攝氏度30163. 8490500. 794319. 39PS:1 卡=4. 1858JX=XOeXP-K (TTs-l) n 其中XO、K及n為吸附對(duì)的特征常數(shù),其中和XO與室溫TS相關(guān)X為溫度T下單位質(zhì)量活性炭對(duì)甲醇的吸附質(zhì)量(kg/kg)選取兩種活性炭ACFI與ACF2進(jìn)行比較，設(shè)定蒸發(fā)冷凝溫度為303K,高溫脫附溫度為363K,選取午間最熱的兩個(gè)小時(shí)Qref=P*t=1882. 4324Js*3600*2s二13553. 5kJLc=9050*4. 1858Jg二37. 881kJg根據(jù)公式二得到下表：TS (K)XO(kgkg)KnXd

16、iIXCOnCXACFI297. 20. 68210. 841. 210. 6220. 1190. 503ACF2295. 50. 66210. 941. 310. 6060. 1360. 47PS:X0為活性炭對(duì)甲醇的最大吸附量根據(jù)公式一得到下表甲醇質(zhì)量(g)甲醇體積(L)活性炭質(zhì)量(kg)活性炭體積(L)ACFI711. 3150.9001. 14362. 29ACF2761. 2590.9641. 25622. 51PS:活性炭對(duì)甲醇的吸附率為溫度為303. 15K時(shí)的吸附率，此時(shí)甲醇密度為790gL,活性炭密度為500gLo6. 創(chuàng)新點(diǎn)(1) 應(yīng)用創(chuàng)新我們的系統(tǒng)最初便是針對(duì)于汽車方面的應(yīng)用創(chuàng)新，它能夠解決汽 車停車時(shí)的降溫與制冷問(wèn)題通過(guò)太陽(yáng)能制冷裝置解決汽車停車狀態(tài) 下溫度過(guò)高的問(wèn)題，同時(shí)，避免了由于正午的太陽(yáng)暴曬導(dǎo)致汽車內(nèi)部 的咼溫造成一定的危害。(2) 新型清