四通阀对回热型吸附式制冷系统热量损失的影响

潘权稳，王如竹

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

四通阀对回热型吸附式制冷系统热量损失的影响

潘权稳*，王如竹

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

采用2个四通阀和2个三通阀是实现串联式回热型吸附式制冷系统的最简单形式，但采用四通阀会造成一定的热量损失，从而对系统性能产生影响。本文搭建了一个采用四通阀的回热型硅胶-水吸附式制冷实验装置，并对四通阀的影响进行了实验研究。实验结果表明：在四通阀不动作时，冷热流体之间的换热不明显，热量损失较小；在四通阀动作时，热水向冷却水掺入量为0.29 kg/s，而冷却水向热水掺入量为2.14 kg/s，造成热源侧5,157 kJ的热量损失，相当于加热量的8.09%。因此要选用切换时间较短的四通阀，以减小冷却水向热水的掺入量。

四通阀；回热；吸附式制冷；硅胶-水

0 引言

吸附式制冷是一种有效利用低品位热能且对环境没有破坏作用的制冷技术[1]，同时具有抗振性好、噪声小和维护方便等优点，因此其在太阳能制冷、工业余热回收及车船发动机余热利用等应用领域有着广阔的前景[2]。

目前吸附式制冷的研究主要集中于吸附材料（工质对）、传热传质和系统循环等方面。在吸附材料方面，主要是材料的改性和新工质对的研制，例如李娜等[3]、吴琦等[4]和SEILER等[5]分别对改性活性炭-甲醇、改性活性炭-异丁烷和NaY-乙二醇溶液工质对的吸附性能进行研究。在传热传质方面，集中在吸附床传热传质性能的强化，LI等[6]研制的涂层吸附床相比于传统填充吸附床，传热和传质性能分别提高了3.4～4.6倍和1.5～2倍。系统循环方面，主要是循环的改进和新型循环的开发，例如热波循环[7]、回热循环[8]、回质循环[9]、多级循环[10]和再吸附循环[11]。由于实施比较容易和性能提升明显的优点[12]，回热循环被经常采用，形成回热型吸附式制冷系统。回热的方式有多种，PAN等[8]对比分析了3种回热方式（循环式、串联式和被动式），并指出串联式回热为最优的回热方式。

回热型吸附式制冷系统模式（如吸附、解吸和回热等模式）的切换需要切换阀门来实现。这些切换阀门可以为单向阀、两通阀、三通阀或四通阀等类型。本文作者研制了一台采用四通切换阀的回热型硅胶-水吸附式制冷系统，回热方式为串联式。通过实验研究来分析四通切换阀对吸附式制冷系统的影响。

1 串联式回热的阀门实现形式

在吸附式制冷系统中，实现串联式回热可以有多种形式。根据切换阀门的数量及类型不同，可以分为以下3种形式。

1.1 实现形式1

刘艳玲等[13]研制的吸附式制冷系统采用了如图1所示的串联式回热的阀门实现形式，称之为实现形式1。该系统采用了13个两通切换阀，使得系统较为复杂。同时由于切换阀需要频繁动作，长期使用会容易出现损坏和更换维护问题，因此阀门较多会导致系统可靠性降低。

图1 串联式回热实现形式1

1.2 实现形式2

为了减少阀门的数量，GONG等[14]研制的吸附式制冷系统采用了如图2所示的阀门实现形式，称之为实现形式2。该系统采用了6个三通切换阀和1个单向阀。相比于实现形式1，实现形式2大大地减少阀门数量，使得系统更加紧凑和可靠。

1.3 实现形式3

为了进一步减少阀门的数量，PAN 等[15]研制的吸附式制冷机采用了如图3所示的阀门实现形式，称之为实现形式3。该系统仅采用了2个四通切换阀和2个三通切换阀，便实现了串联式回热，进一步简化系统且提高系统可靠性。但从图中可看出，系统最上部的四通切换阀，会同时通入热流体和冷却流体，会存在一定的热量损失。同时，在阀门切换过程，热流体和冷却流体会发生掺混，造成热量的损失。

图2 串联式回热实现形式2

图3 串联式回热实现形式3

2 实验装置

为了研究上述的串联式回热实现形式 3，分析采用四通切换阀对回热型吸附式制冷系统的影响，特别是其造成的热量损失情况，本文搭建了一个回热型吸附式制冷实验装置，采用串联回热实现形式3，如图4所示。该实验装置以硅胶-水为工质对，采用100 ℃的热水驱动，通过冷却塔进行冷却，输出空调所需的冷冻水。实验装置中所选用切换阀为电动阀门，装置配置了1个电控箱来实现系统的自动运行和控制。实验过程中，热水、冷却水和冷冻水的流量分别设定为 24.70 m3/h、37.71 m3/h和9.35 m3/h。前期文献[15]已经对该实验装置的制冷性能进行研究，在 86 ℃热水进口温度、30 ℃冷却水进口温度和 11 ℃冷冻水出口温度条件下，制冷量和能效系数分别为42.8 kW和0.51。

回热型吸附式制冷实验装置运行过程中，最上部的四通切换阀有两个状态，如图5所示。状态1：热水进与通道1连通，热水从通道1流出阀门，冷却水进与通道2连通，冷却水从通道2流进阀门。状态2：热水进与通道2连通，热水从通道2流出阀门，冷却水进与通道1连通，冷却水从通道1流出阀门。

图4 回热型吸附式制冷实验装置

图5 四通阀的运行状态

3 结果与讨论

3.1 温度变化

当回热时间为40 s时，四通阀的各个通道的温度变化如图6所示。在图6(a)当前的制冷模式下，四通阀处于状态2，冷却水出口和通道1的温度处于较低的水平，热水进口和通道2的温度处于较高的水平。此时冷却水出口与通道1的温度几乎一样，同时热水进口和通道2的温度也几乎一样。说明在四通阀内，热水向冷却水传递的热量非常小，以致无法通过常规的温度传感器来测量。当制冷系统进入回热模式时，由于串联式回热是通过冷却水回路将两个吸附床串联起来，从而进行两床的回热，所以冷却水出口和通道1的温度会急剧升高而热水进口和通道2的温度急剧下降。当回热结束之后，四通阀会进行状态的切换，切换时间为30 s，从而使得制冷系统进入下个制冷模式。

从图6(b)可看出，在回热和四通阀状态切换的过程，冷却水出口的温度会出现一个峰值，约为45 ℃。热水出口的温度会出现一个谷值，约为55 ℃。通道1的温度从30 ℃一直升至80 ℃左右，而通道2的温度从85 ℃一直降至35 ℃左右。在回热阶段，冷却水出口与通道1的温度几乎一样，热水进口和通道2的温度也几乎一样。一旦进入四通阀状态切换的阶段，冷却水出口温度会低于通道 1的温度，热水出口温度会高于通道2的温度。当四通阀状态切换完成之后，温度较低的两个流道（冷却水出口和通道 2）的温度会迅速接近，而温度较高的两个流道（热水进口和通道 1）的温度需要较长的时间才能趋向一致。造成这种现象的原因可能有：1）阀门和管道本身的热容以及系统向环境的散热，造成热量的损失；2）热水回路残留较多的低温水。热水中混入较多的冷却水，而冷却水中混入的热水较少；3）冷却水流速较快，混合速度较快，而热水流速较低，混合速度较慢；4）热水的流道较复杂，可能会存在流体的短暂滞留，而冷却水的流道较简单。

图6 四通阀各通道的温度变化

3.2 热量损失

不考虑系统向环境散热情况下，根据能量守恒定律，可建立热水和冷却水的能量守恒方程，分别如式1和2所示。

式中：

Qh、QL——热水和冷却水的质量流量，kg/s；

x、y ——热水和冷却水的流出质量，kg/s；

Th1、Th2——热水进出口温度，℃；

mm——阀门和管道金属的质量，kg；

Cm——金属比热容，kJ/(kg·℃)；

ΔT——金属的温升，℃；

t ——阀门切换时间，s；

Cw——水比热容，kJ/(kg·℃)；

TL1、TL2——冷却水进出口温度，℃。

通过式(1)和式(2)对图 6(b)四通阀切换过程进行计算，可得：x = 0.29 kg/s，y = 2.14 kg/s。因此热水从冷却水获得净流入的质量，相当于对热水回路进行了补水。由于补充的水温度较低，为了让这部分水达到所需的温度要求（85 ℃），需要热源额外提供更多热量，所以造成热源侧热量的损失。损失的热量可通过式(3)来计算。

式中：

q ——热量损失，kW；

Th——所需的热水温度，℃。

通过式(3)的计算，可得q = 5157 kJ，即四通阀每切换一次会造成热源侧5,157 kJ的热量损失。由于四通阀每 760秒切换 1次，故会造成热源侧约6.8 kW的热量损失，相当于制冷系统整体加热量的8.09%。因此选用四通阀时，注意选用切换时间较短的阀，减小冷却水向热水的流入量。

4 结论

本文对吸附式制冷系统串联式回热多种实现形式进行分析，可知采用四通阀的实现形式是使用阀门最少的方案。接着建立一个采用四通阀的串联式回热型吸附式制冷实验装置，通过实验研究，得到以下结论：

1) 四通阀在不动作时，冷热流体之间的换热不明显，热量损失较小；

2) 四通阀在动作时，热水掺入较多的冷却水，导致在热源端有较大的热量损失；

3) 四通阀的切换时间较为重要，切换时间越短，冷却水向热水的掺混量越少，热量损失越少。

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[3]李娜, 李成祥, 王德昌. 改性活性炭-甲醇工质对吸附性能的研究[J]. 制冷技术, 2015, 35(4): 6-10, 46.

[4]吴琦, 马列军, 万意, 等. 改性活性炭-异丁烷吸附制冷性能研究[J]. 制冷技术, 2015, 35(2): 34-38.

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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

*潘权稳（1987-），男，博士后，博士。研究方向：吸附式制冷。联系地址：上海市东川路800号中意楼206室，邮编：200240。联系电话：021-34206309。E-mail：sailote@sjtu.edu.cn。

上海市科学技术委员会科研计划项目（No.15DZ1201802）。