太阳能吸附式制冷机的运行特性仿真与控制系统研制

摘要

吸附式制冷不仅可以由低品位热能驱动，而且一般可以采用氨、甲醇、氢、水等天然制冷剂，这些制冷剂的臭氧层破坏指数(ODP)和温室效应指数(GWP)均为零。相比吸收式制冷系统，吸附式制冷系统没有溴化锂系统中存在的结晶、腐蚀问题和氨水系统中存在的精馏问题，在太阳能利用和发动机余热回收等低品位能源利用方面具有较大优势。由于这些热源通常是变化的非稳定热源，而吸附式制冷系统对驱动热源温度的变化又比较敏感，因此，变化热源驱动下吸附式制冷系统的动态运行特性和运行控制策略研究是吸附式制冷实用化研究的重要内容。
　　 在总结和吸收前人对吸附式制冷研究的基础上，采用集总参数法建立了硅胶。水吸附式制冷机的动态数学模型，以Matlab-Simulink为仿真平台对硅胶-水吸附式制冷机在太阳能工况时的动态运行特性进行了数值仿真。研究了循环周期、回质时间、热水箱容积和开机热水温度对制冷机性能的影响，同时，对比分析了制冷机在太阳能驱动下和稳定热源驱动下的运行特性。通过对数值仿真结果的分析认为，太阳能驱动下，太阳能辐照强度良好时，较小的热水箱容积有利于提高制冷机的制冷量和性能系数(COP)；另外，热水箱容积较大时，制冷机关机时热水箱中的热水温度仍然可以继续驱动制冷机工作，如果适当延长制冷机的工作时间，将有助于制冷机综合性能的提高。
　　 在研究各个运行参数对制冷机性能影响的基础上，针对硅胶-水吸附式制冷机在太阳能驱动下的运行特性，提出了较为合理的运行控制方案，并研制出了相应的控制系统。该控制系统以单片机为核心，还包括辅助继电器、数据采集芯片和串口通信芯片等元器件，实现了吸附式制冷机的温度、压力和流量等信号的采集和运行控制功能。同时，提出了一种太阳能驱动下制冷机的优化运行控制策略--变循环周期运行控制方案，并进行了初步的理论研究。研究结果发现，变循环周期的运行控制方案在一定程度上优于固定循环周期的控制方案，可以使太阳能吸附式制冷机的平均制冷功率提高5.4％。