專利名稱：一種用于太陽能制冷裝置的吸附器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種制冷裝置的吸附器，特別涉及一種以太陽能為動力的固體吸附式制冷裝置的吸附器。
背景技術：
固體吸附式制冷是通過微孔固體吸附劑在較低溫度下吸附制冷劑，在較高溫度下解吸制冷劑的吸附-解吸循環來實現的。相對于同樣利用熱能驅動的吸收式制冷而言，在熱源溫度比較低或冷凝溫度比較高的條件下，采用合適的制冷工質對，吸附式制冷具有更高的效率。因此，吸附式制冷在低品位熱源，如太陽能的利用方面極具優越性。
通常吸附式制冷系統包括有兩個或兩個以上吸附器，通過切換工作，反復加熱和冷卻，因而導致了部分能量以顯熱的方式損失。近幾年國內、外關于吸附器結構及傳熱性能方面的研究成果可以歸結為(1)翅片管式吸附床。這種吸附床的優點是結構簡單、造價低廉，但換熱系數較低(約為10～20W/m2℃)，且溫度分布不均勻，操作亦不方便。
(2)板式、螺旋板式吸附床。這類吸附床的優點是換熱面積大、熱損失小、溫度分布均勻、傳熱傳質性能較好，但壓降情況尚待研究，其缺點是加工比較復雜，造價比較高。
(3)連續回熱型吸附式制冷。這種系統是針對連續回熱型循環設計的，系統包括有兩個以上吸附器、蒸發器、冷凝器以及回熱裝置，其結構非常緊湊，熱損失小、熱力系數較高、操作比較方便，很適合于在宇航事業中應用。但因其壓力損失、制冷量控制比較困難，加工工藝十分復雜，在民用制冷方面經濟性較差。
發明內容
本發明針對現有的太陽能固體吸附器所存在的換熱性能較差、能量損失較大或結構復雜造價高等缺陷，提供了一種適合于在太陽能等低品位熱能為動力的固體吸附式制冷裝置中應用的轉輪式吸附器。
為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的一種用于太陽能制冷裝置的吸附器，包括一個轉輪及轉動裝置，所述轉輪的軸向兩端面連接有被固定的前、后蓋板，其特征是，所述轉輪包括與轉動裝置連接的轉輪外殼、輪體和固定在輪體兩端面的前、后擋板；所述輪體包括轉軸及其上的輪轂，該輪轂上設有沿周向成輻射狀的契形吸附床，其楔型前端指向輪轂的中心；每兩個相鄰契形吸附床之間留有傳質通道，契形吸附床的輻射狀末端圓周緊密固定在轉輪外殼的內壁上，輪體兩端面與轉輪外殼形成圓凹，所述前、后蓋板內側分別設置有與所述圓凹直徑相同的圓臺，該圓臺上設有V型隔板及軸承座，并且相向嵌入轉輪外殼的圓凹內，將輪體的兩端面分隔為上、下兩個區域；所述輪體的轉軸固定在前、后蓋板內側圓臺的軸承座內；在所述前、后蓋板的V型隔板的上、下部分對應開有一個上管道孔、一個下管道孔分別連通制冷裝置相應的蒸氣管道。
上述方案中，所述的每個楔型吸附床為活性炭纖維氈制成的楔型塊狀結構，并緊固在沿轉輪輪轂周向呈輻射狀的兩個金屬網架之間，每兩塊楔型吸附床之間通過金屬網架留有楔形傳質通道；所述的兩個區域中的上區域為脫附區，占轉輪圓截面的2/5，下區域為吸附區，占轉輪圓截面的3/5；所述的圓臺側面至少設有一個密封槽及密封圈；所述的傳動裝置包括鏈條和變頻電機，鏈條通過與變頻電機軸連接的鏈輪套在轉輪外殼的鏈條槽中；所述冷卻裝置設有沿轉輪外殼水平直徑方向對稱布置的鴨嘴形冷卻水噴管。
與現有技術相比，本發明的轉輪式吸附器的優點是(1)實現了連續制冷過程。現有的吸附式制冷裝置系統包括有兩個吸附器，由于吸附器需要反復加熱和冷卻，不但導致了部分能量以顯熱的方式損失現象，而且會因為切換損失產生間歇式制冷過程。采用本發明轉輪式吸附器不但可以回收冷卻階段釋放的熱量，充分利用吸附熱，而且可以實現連續制冷過程。
(2)本發明轉輪外殼伸出輪體端面形成圓凹的特殊設計以及前、后蓋板上密封圓臺、軸承座、V型密封隔板的特殊結構，使其能完全嵌入轉輪外殼，并使輪體及轉輪外殼與前、后蓋板緊密地配合在一起。V型絕熱隔板密封圓臺側面上特殊的密封結構，與高光潔度的轉輪外殼內表面的滑動配合，避免了吸附器內、外氣體泄漏；轉輪輪體兩端表面光滑的多孔型金屬擋板與表面同樣光滑的V型密封隔板的緊密配合，使轉輪緩慢轉動時，靜止的前、后蓋板及V型密封隔板將轉輪的兩端面分隔為上、下兩個密閉的區域，避免了吸附器內部氣體泄漏，冷、熱氣流混合損失，從而解決了轉輪式吸附床氣密性問題。
(3)改善了制冷劑在吸附器中的傳熱、傳質特性，提高了吸附、解吸速度。采用活性炭纖維成型吸附劑技術，不但從根本上解決了顆粒吸附劑接觸熱阻問題，而且由于輻射狀排列的楔型活性碳吸附床，減少了吸附劑厚度，增大了吸附換熱面積，同時在結構上設置了利于擴散、滲透和對流等傳質作用的楔形傳質通道，從而強化了傳熱、傳質特性，提高了吸附-解吸速度。
(4)綜合利用高級制冷循環，很大程度提高了循環效率。這種由輻射狀排列的活性碳纖維材料構成的轉輪式吸附器，可以被看成是由一系列能獨立進行熱質交換的小吸附床所組成的，在轉輪緩慢的旋轉過程中，各個小吸附床沿流體流程存在很大的溫度梯度。隨著轉輪的旋轉運動，上、下兩部分吸附床反向運行，回熱、回質過程迅速地在吸附、脫附的分界線上連續進行，最大限度地利用了吸附過程放出的熱量，實現了吸附終了氣體的回質過程。所以本發明吸附器的轉輪式結構綜合利用了連續回熱型循環、熱波循環、對流熱波循環、回質循環等高級制冷循環，明顯提高了循環效率。
(5)轉輪式吸附器的上2/5區域為脫附吸熱過程，下3/5區域為吸附放熱過程。本發明冷卻水槽內特殊結構的冷卻水噴管，沿轉輪水平直徑方向兩側對轉輪外殼噴射冷卻水，使轉輪外殼的下1/2表面上形成一層水膜，從而帶走了轉輪下3/5區域內的部分吸附熱，強化了轉輪吸附側的傳熱傳質過程，解決了轉輪式吸附床吸附側冷卻的問題。
(6)本發明吸附器改進了傳統固體吸附式制冷系統的循環方式。即以制冷劑本身作為加熱介質，不但避免了換熱損失，而且最大限度地回收了吸附熱，提高了整個制冷系統循環效率。此外，本發明配以氣體循環泵的應用，增加了吸附床的吸附壓力，提高了吸附床的脫附速度，實現了強迫對流過程，增強了吸附床傳熱傳質性能，同時降低了高壓部分制冷劑向低壓部分泄漏的機會，進一步提高了系統循環效率。
圖1為本發明基于轉輪式吸附器的太陽能制冷裝置的工作原理圖。其中，1.太陽能加熱器；2.旁通閥；3.主閥門；4.輔助加熱器；5.轉輪式吸附器；6.高溫氣體循環泵；7.冷凝器；8.節流閥；9.蒸發器；10.低溫氣體循環泵。
圖2為本發明轉輪式吸附器整體外形圖。
圖3為圖2的側視圖。
圖4為本發明轉輪式吸附器的分解結構圖。
圖5為圖4中輪體的結構圖。
圖6為圖5輪體中單個契形吸附床安裝示意圖。
圖7為圖4中的前、后蓋板正視圖。
圖8為圖7前、后蓋板的側視圖。
圖9為圖7中的C部放大圖。
在圖2到圖9中，11.輪體；12.楔型吸附床；13.楔型傳質通道；14.圓凹；15.鏈條槽；16.鏈條；17.變頻電機；18.金屬網架；19.轉軸；20.輪轂；21.前擋板；22.后擋板；23.V型隔板；24.前、后蓋板；25.轉輪外殼；26.軸承座；27.密封圓臺；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.冷卻水槽；35.冷卻水噴管；36.冷卻水進水管；37.冷卻水出水管。
具體實施例方式
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細說明。
如圖1所示。一種基于本發明轉輪式吸附器的太陽能制冷裝置，包括轉輪式吸附器5，其一側設置有太陽能加熱器1、主閥門3、旁通閥2和輔助加熱器4，另一側設置有冷凝器7、節流閥8、蒸發器9、高溫氣體循環泵6、低溫氣體循環泵10，該裝置由制冷劑管道連接成一個密閉的循環系統。
如圖2、圖3所示，一種用于太陽能制冷裝置的吸附器，包括一個吸附器支架32、轉輪式吸附器和一個冷卻水槽34，轉輪式吸附器的前后蓋板24固定在吸附器支架32上，吸附器支架32固定在冷卻水槽34上，冷卻水槽34帶有四個鴨嘴形噴嘴的冷卻水噴管35沿轉輪外殼25直徑方向兩側對稱噴射冷卻水；吸附器支架32由角鋼用螺栓連接而成，其兩端面沿轉輪軸向兩側用螺栓33固定著轉輪前蓋板和后蓋板24，并使轉輪外殼25與前、后蓋板24嚴密地配合在一起，將轉輪外殼25完全封閉起來；所述支架頂部固定著變頻電機17，通過傳動鏈條帶動轉輪緩慢轉動。冷卻水槽34設置在吸附器支架32下方，冷卻水槽34上設置有帶鴨嘴形噴嘴的冷卻水噴管35，并沿轉輪外殼直徑方向兩側對稱各布置兩個，其可向轉輪外殼25噴射冷卻水，在轉輪外殼25的下1/2表面上形成一層水膜，以帶走轉輪下3/5區域內的部分吸附熱，從而強化轉輪吸附側的傳熱傳質過程；所述冷卻水槽34上設有冷卻水進、出水管36、37，可與冷卻水循環系統并聯在一起。
如圖4至圖6所示，轉輪式吸附器由帶有轉軸19的輪體11、前、后擋板21、22、轉輪外殼25、前后、蓋板24以及轉動裝置組成。轉軸19兩端分別固定在前、后蓋板24內側的軸承座26內。前、后蓋板24沿水平軸方向分別用螺栓33固定在吸附器支架32上；所述轉軸19上設有輪轂20，輪轂20上設有沿周向呈輻射狀的楔型吸附床12，每個楔型吸附床12為活性炭纖維氈制成的楔型塊狀結構，楔型前端指向輪轂20的中心；每個楔型吸附床12被緊固在沿輪轂20周向呈輻射狀的兩個金屬網架18之間，每兩塊楔型吸附床12之間通過金屬網架18留有楔形傳質通道13。
所述呈輻射狀排列的楔型吸附床12組成的圓柱形輪體11的兩端面上分別配置一個多孔型金屬前擋板21和后擋板22，所述前、后擋板21、22由不銹鋼板制作，表面沿徑向方向設置有許多氣流孔；該前、后擋板21、22與輪體11的兩個端面緊密配合，擋板中心孔通過銷釘固定在轉軸19上，圓周點焊在轉輪外殼25的內壁面上；轉輪外殼25的兩端伸出輪體11的兩個端面形成圓凹14，該轉輪外殼25由無縫鋼管制作，轉輪外殼25的外表面上設置有鏈條槽15，通過鏈條16連接一個變頻電機17。
如圖7至圖9所示，前蓋板和后蓋板24的內側相對轉輪外殼25分別設置一個密封圓臺27、一個軸承座26和一對V型密封隔板23；密封圓臺27的直徑與圓凹14的直徑相同，密封圓臺27的側面上設有2圈密封槽28，該密封槽28的橫截面呈“U”字形，密封槽28內填裝著“O”型橡膠密封圈29；所述軸承座26和V型密封隔板23設置在密封圓臺27相應的位置上，軸承座26與密封圓臺27同心，V型密封隔板23的一端與軸承座26固定在一起，另一端端面上貼敷著橡膠密封墊，V型密封隔板23的長度與密封圓臺27的邊緣平齊；所述軸承座26與V型密封隔板23的厚度平齊，V型密封隔板23的厚度加上密封圓臺27的厚度以及輪體擋板21、22的厚度正好等于轉輪外殼25伸出輪體11端面圓凹14的寬度，從而使軸承座26和V型密封隔板23以及密封圓臺27相向地完全嵌入轉輪外殼25內。所述擋板21、22、V型密封隔板23、密封圓臺27以及轉輪外殼25的兩端與密封圓臺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。當轉輪外殼25帶動轉輪緩慢地沿密封圓臺27旋轉運動時，靜止的前、后蓋板24及V型密封隔板23緊密地與轉輪外殼25以及輪體11兩端的多孔型金屬擋板21、22滑動配合在一起；所述V型密封隔板23將輪體11的兩端面分隔為上、下兩個區域；上邊脫附區域占轉輪圓截面的2/5，下邊吸附區域占轉輪圓截面的3/5。在所述前后蓋板24的V型密封隔板23的上、下部分對應開有一個上管道孔30、一個下管道孔31分別連通制冷裝置相應的蒸氣管道。
轉輪式吸附器的轉動裝置主要由鏈條16和變頻電機17組成，變頻電機17固定在吸附器支架32的頂部，鏈條16套在轉輪外殼14的鏈條槽15中，通過變頻電機17，可以自動調節轉輪11的轉速(4～8rad/h)，以得到不同的吸附效率，從而控制加熱蒸氣量，調節吸附-解吸平衡。
本發明轉輪式吸附器的工作原理輪體11在轉動裝置的驅動下，以緩慢的速度旋轉，來自蒸發器9的低溫低壓制冷劑蒸氣由低溫氣體循環泵10通過吸附器后蓋板24(圖4輪體的右側)的下管道孔31引入輪體11下部3/5吸附區域，首先使吸附區域內的吸附床12溫度下降，繼而被吸附床12的活性炭纖維所吸附，吸附過程中放出的吸附熱，被未被吸附的制冷劑蒸氣穿過楔形傳質通道13，通過吸附器前蓋板24(圖4輪體的左側)的下管道孔31進入太陽能加熱器1，在太陽能加熱器1中吸熱升溫，壓力提高后再通過吸附器前蓋板24的上管道孔30進入輪體11上部2/5脫附區域，遇到旋轉上來的吸滿了制冷劑的楔型吸附床12，由于受到高溫制冷劑蒸氣加熱，被吸附床12吸附的那部分制冷劑便從活性炭纖維中解吸出來，通過吸附器后蓋板24的上管道孔30，由高溫氣體循環泵6導入冷凝器7，在冷凝器7中，高溫制冷劑蒸氣被冷卻水冷卻，凝結為液態制冷劑，液態制冷劑經節流閥8節流降壓后，進入蒸發器9，在蒸發器9內，低壓制冷劑液體吸收被冷卻介質的熱量，在低壓下氣化為制冷劑蒸氣，被冷卻介質因失去熱量，溫度降低產生制冷效應。低溫低壓制冷劑蒸氣再次由低溫氣體循環泵10導入輪體11下部3/5吸附區域，開始下一輪的吸附-解吸-制冷過程，如此循環，從而達到連續制冷的目的。
由于流經輪體11上部2/5脫附區域的是高溫高壓制冷劑蒸氣，流經下部3/5吸附區域的是低溫低壓制冷劑蒸氣，為了避免高壓部分制冷劑向低壓部分泄漏，同時為了增加吸附壓力，減小脫附壓力，提高吸附-脫附效率，應使脫附狀態的制冷劑蒸氣處于高溫氣體循環泵6的吸入段，而使吸附狀態的制冷劑蒸氣處于低溫氣體循環泵10的壓出段。
由于吸附床在吸附制冷劑蒸氣的過程中放出了大量的吸附熱，雖然被未被吸附的制冷劑蒸氣帶走了部分吸附熱量，但仍然會因為吸附熱量的積聚而影響吸附效率。利用冷卻水噴管35，沿轉輪殼體25水平直徑方向兩側對轉輪外殼25噴射冷卻水，使轉輪外殼的下1/2表面上形成一層水膜，從而帶走轉輪下3/5區域內的部分吸附熱，降低吸附區域溫度，強化轉輪吸附側的傳熱傳質過程。
當陰雨天沒有太陽的時候，在圖1所示制冷裝置中，可以關閉主閥門3，打開旁通閥2，使制冷劑蒸氣進入輔助加熱器4，完成加熱升溫過程。
本發明轉輪式吸附器5在連續制冷循環過程中，利用每半個循環將要結束時，脫附狀態的吸附床12處于高溫高壓狀態，吸附狀態的吸附床12處于低溫低壓狀態，隨著輪體11的旋轉運動，使前者脫附的部分制冷劑蒸氣迅速擴散到后者而被吸收，達到前者部分降溫降壓而后者部分升溫升壓的目的。由于內部蒸氣回收利用過程非常迅速，從而使輪體11的傳熱、傳質性能大大提高。
本發明以輻射狀排列的活性碳纖維楔型吸附床12以及楔形傳質通道13構成的輪體11為核心部件，明顯改善了吸附器內解吸和吸附的傳熱、傳質過程；加之制冷過程的可連續性，避免了切換損失，從而使制冷裝置具制冷速度快，熱力系數高，無噪聲，不污染大氣環境，對人體無害等優點。同時由于轉輪式吸附器結構簡單，因此制冷裝置的制造成本可大幅降低。
當太陽能提供輻射的能量達到0.06kW，太陽能集熱器1接受的峰值輻射強度為1000W/m2時，對于直徑為400mm，長度為200mm，轉速為6rad/h的轉輪式吸附器，采用活性碳纖維—乙醇為工質對，制冷量為3.18kW時，系統性能系數COP可達0.36。
權利要求
1.一種用于太陽能制冷裝置的吸附器，包括一個轉輪、冷卻裝置及轉動裝置，所述轉輪的軸向兩端面連接有被固定的前、后蓋板，其特征是，所述轉輪包括與轉動裝置連接的轉輪外殼、輪體和固定在輪體兩端面的前、后擋板；所述輪體包括轉軸及其上的輪轂，該輪轂上設有沿周向成輻射狀的契形吸附床，其楔型前端指向輪轂的中心，每兩個相鄰契形吸附床之間留有傳質通道，所有契形吸附床的輻射狀末端圓周緊密固定在轉輪外殼的內壁上；所述輪體兩端面與轉輪外殼形成圓凹，所述前、后蓋板內側分別設置有與所述圓凹直徑相同的圓臺，該圓臺上設有V型隔板及軸承座，并且相向嵌入轉輪外殼的圓凹內，將輪體的兩端面分隔為上、下兩個區域；所述輪體的轉軸固定在前、后蓋板內側圓臺的軸承座內；在所述前、后蓋板的V型隔板的上、下部分對應開有一個上管道孔、一個下管道孔分別連通制冷裝置相應的蒸氣管道。
2.根據權利要求1所述的用于太陽能制冷裝置的吸附器，其特征是，所述的每個楔型吸附床為活性炭纖維氈制成的楔型塊狀結構，并緊固于沿轉輪輪轂周向呈輻射狀的兩金屬網架之間，每兩塊楔型吸附床之間通過金屬網架留有楔形傳質通道。
3.根據權利要求1或2所述的用于太陽能制冷裝置的吸附器，其特征是，所述的兩個區域中的上區域為脫附區，占轉輪圓截面的2/5，下區域為吸附區，占轉輪圓截面的3/5。
4.根據權利要求3所述的用于太陽能制冷裝置的吸附器，其特征是，所述的圓臺側面至少設有一個密封槽及密封圈。
5.根據權利要求1所述的用于太陽能制冷裝置的吸附器，其特征是，所述的轉動裝置包括鏈條和變頻電機，鏈條通過與變頻電機軸連接的鏈輪套在轉輪外殼的鏈條槽中。
6.根據權利要求1所述的用于太陽能制冷裝置的吸附器，其特征是，所述冷卻裝置設有沿轉輪外殼水平直徑方向對稱布置的鴨嘴形冷卻水噴管。
全文摘要
本發明為了解決現有太陽能固體吸附器的換熱性能、能量損失等所存在的缺陷，提供了一種轉輪式吸附器。包括一個轉輪、冷卻裝置及轉動裝置，其特征是，轉輪包括與轉動裝置連接的轉輪外殼、輪體和固定在輪體兩端面的前、后擋板；輪體包括轉軸及其上的輪轂，輪轂上設有沿周向成輻射狀的契形吸附床，每兩個相鄰契形吸附床之間留有契形傳質通道，契形吸附床的輻射狀末端圓周緊密固定在轉輪外殼的內壁上；輪體兩端面與轉輪外殼形成圓凹，前、后蓋板內側分別設置有與所述圓凹直徑相同的圓臺，該圓臺上設有V型隔板及軸承座，并且相向嵌入轉輪外殼的圓凹內，將輪體的兩端面分隔為上、下兩個區域。
文檔編號F25B37/00GK101038112SQ20071001761
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月3日 優先權日2007年4月3日
發明者鄭愛平 申請人:長安大學