太陽(yáng)能吸收式制冷

1、太陽(yáng)能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的研究進(jìn)展姓名 王欣 學(xué)號(hào) 2009020230摘要：太陽(yáng)能作為一種清潔能源，應(yīng)該大力的發(fā)展和研究，對(duì)于在建筑方面的應(yīng)用上，如果可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)太陽(yáng)能為能源，來(lái)提供供暖和制冷的話，效率則會(huì)大大的提高各種各樣的太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是以太陽(yáng)能為能源的空調(diào)系統(tǒng)，直到近些年才出現(xiàn)相關(guān)的研究。以下將介紹近些年來(lái)，太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的研究方向及相關(guān)進(jìn)展。1 引言利用可再生能源和其它余熱可有效緩解世界范圍內(nèi)的能源緊張和環(huán)境污染問(wèn)題，太陽(yáng)能是一種清潔、可再生能源，長(zhǎng)期以來(lái)一直受到科技界的重視。利用太陽(yáng)能制冷與空氣調(diào)節(jié)是太陽(yáng)能應(yīng)用的一個(gè)重要方面，是一個(gè)極具發(fā)展前景的領(lǐng)

2、域，也是當(dāng)今制冷界技術(shù)研究的熱點(diǎn)。時(shí)至今日，制冷研究者已在太陽(yáng)能制冷這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作，提出了各種不同的制冷方法并取得了初步進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能制冷有兩條途徑：一是太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換，以電制冷，如光電制冷，熱電制冷；二是光熱轉(zhuǎn)換，以熱制冷，如吸收式制冷、吸附式制冷；光電轉(zhuǎn)換的制冷方法由于成本較高所以研究較多實(shí)際推廣應(yīng)用較少，而以熱制冷由于它的廉價(jià)備受青睞。以熱制冷的方向有三種：分別是太陽(yáng)能吸收式制冷和太陽(yáng)能吸附式制冷，這兩種制冷方法都已分別進(jìn)入試驗(yàn)和應(yīng)用階段。 太陽(yáng)能制冷之所以能成為制冷技術(shù)研究的熱點(diǎn)是因?yàn)樗哂凶约邯?dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先是節(jié)能，太陽(yáng)能是取之不盡，用之不竭的，太陽(yáng)能制冷用于空調(diào)，將

3、大大的減小電力消耗，節(jié)約能源；其次是環(huán)保，目前壓縮式制冷機(jī)主要使用CFC類工質(zhì)因?yàn)閷?duì)大氣臭氧層有破壞作用應(yīng)停止使用，太陽(yáng)能制冷一般采用非氟烴類的物質(zhì)作為制冷劑，臭氧層破壞系數(shù)和溫室效應(yīng)系數(shù)均為零，適合當(dāng)前環(huán)保要求，同時(shí)減少燃燒化石能源發(fā)電帶來(lái)的環(huán)境污染。2 太陽(yáng)能吸收式制冷原理和特點(diǎn)吸收式制冷是利用溶液濃度的變化來(lái)獲取冷量的裝置，即制冷劑在一定壓力下蒸發(fā)吸熱,再利用吸收劑吸收制冷劑蒸汽。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。自蒸發(fā)器出來(lái)的低壓蒸汽進(jìn)入吸收器并被吸收劑強(qiáng)烈吸收，吸收過(guò)程中放出的熱量被冷卻水帶走，形成的濃溶液由泵送入發(fā)生器中被熱源加熱后蒸發(fā)產(chǎn)生高壓蒸汽進(jìn)入冷凝器冷卻，而稀溶液減壓回流到吸收器完成一

4、個(gè)循環(huán)。它相當(dāng)于用吸收器和發(fā)生器代替壓縮機(jī)，消耗的是熱能。熱源可以利用太陽(yáng)能、低壓蒸汽、熱水、燃?xì)獾榷喾N形式。吸收式制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)與所使用的制冷劑有關(guān),常用于吸收式制冷機(jī)中的制冷劑大致可分為水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四個(gè)大類。水系工質(zhì)對(duì)是目前研究最熱門的課題之一，對(duì)它的研究主要是針對(duì)現(xiàn)今大量生產(chǎn)的商用LiBr吸收式制冷機(jī)依然存在的易結(jié)晶、腐蝕性強(qiáng)及蒸發(fā)溫度只能在零度以上等缺陷。氨系工質(zhì)對(duì)中包括了最為古老的氨水工質(zhì)對(duì)和近期開始受重視的以甲氨為制冷劑的工質(zhì)對(duì)，由于氨水工質(zhì)對(duì)具有互溶極強(qiáng)、液氨蒸發(fā)潛熱大等優(yōu)點(diǎn),它至今仍被廣泛用于各類吸收式制冷機(jī)。人們對(duì)氨水工質(zhì)對(duì)的研究主要是針對(duì)它的一些致命的缺陷，

5、如：COP較溴化鋰小、工作壓力高、具有一定的危險(xiǎn)性、有毒、氨和水之間沸點(diǎn)相差不夠大、需要精餾等。吸收式空調(diào)采用溴化鋰或氨水制冷機(jī)方案，雖然技術(shù)相對(duì)成熟,但系統(tǒng)成本比壓縮式高，主要用于大型空調(diào)，如中央空調(diào)等。圖 1 太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)圖圖 2 太陽(yáng)能單效單吸式制冷系統(tǒng)圖太陽(yáng)能吸收式制冷由于利用太陽(yáng)能，所以其發(fā)生溫度低，即便采用特殊的集熱器，也只有100多一些。因此，其制冷循環(huán)方式都是采用單效方式。再細(xì)分下去，有單效單級(jí)和單效雙級(jí)兩種。迄今為止，太陽(yáng)能制冷空調(diào)系統(tǒng)通常都采用熱水型單級(jí)吸收式溴化鋰制冷機(jī)。該類制冷機(jī)在熱源溫度足夠高及冷卻水溫度比較低的場(chǎng)合，性能良好；若熱源溫度降低而冷卻水溫度較高，

6、它的效率將大大下降，甚至不能正常制冷。因此當(dāng)前的太陽(yáng)能空調(diào)制冷系統(tǒng)普遍采用高溫運(yùn)行的方式，有的甚至在 120130下運(yùn)行，需要采用聚光式集熱器，這就影響了太陽(yáng)能制冷空調(diào)的推廣使用。單級(jí)吸收式制冷機(jī)還有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是熱源的可利用溫差小，一般只有68水吸收式制冷機(jī)進(jìn)行了理論分析和初步的實(shí)驗(yàn)研究，指出雙級(jí)溴化鋰水吸收式制冷機(jī)可有效利用太陽(yáng)能，有著廣闊的市場(chǎng)前景。這種新型的兩級(jí)吸收式制冷機(jī)有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是所要求的熱源溫度低，在75到 85之間都可運(yùn)行，當(dāng)冷凝水溫為 32時(shí)，COP 值可達(dá)到0.38；二是熱源的可利用溫差大，熱源出口溫度低至 64時(shí)。此系統(tǒng)對(duì)熱源溫度有較寬的適應(yīng)范圍，有利于制

7、冷機(jī)在較低的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和不穩(wěn)定的太陽(yáng)能輸入情況下，適應(yīng)其引起的溫度波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。Wilbur等人提出了一種新型的單效雙級(jí)吸收式制冷循環(huán)，該循環(huán)采用增大熱源溫差的思路，增加了一個(gè)發(fā)生器和一個(gè)換熱器。模擬計(jì)算表明，其COP值可達(dá)到0.420.62 之間，熱源出口溫度可降到 55。采用單效雙級(jí)制冷循環(huán)雖然COP 值高，但其系統(tǒng)復(fù)雜，初投資高。因此Mancini等人又提出了采用熱變器原理的單效單級(jí)循環(huán)。新循環(huán)比傳統(tǒng)循環(huán)多了一個(gè)壓縮機(jī)。其系統(tǒng)循環(huán)如圖2 所示：從發(fā)生器出來(lái)的制冷劑蒸汽分為兩路，一路送入冷凝器，一路經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，又回到發(fā)生器換熱，再進(jìn)入冷凝器。這里壓縮機(jī)實(shí)際上起到了熱變換器的作

8、用。由于進(jìn)入冷凝器和發(fā)生器的熱負(fù)荷降低，所以系統(tǒng)的 COP值增加了。這個(gè)循環(huán)雖然巧妙，但在實(shí)際應(yīng)用中難以保證壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。3 傳統(tǒng)型平板集熱器和真空管集熱器平板式集熱器由于其成本較低，一般應(yīng)用于太陽(yáng)能溴化鋰-水吸收式空調(diào)系統(tǒng)，通常裝配兩到三個(gè)玻璃罩或是抑制對(duì)流裝置，從而獲得較高的集熱溫度。真空管太陽(yáng)集熱器是在平板型太陽(yáng)集熱器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型太陽(yáng)能集熱裝置。構(gòu)成這種集熱器的核心部件是真空管, 它主要由內(nèi)部的吸熱體和外層的玻璃管所組成。吸熱體表面通過(guò)各種方式沉積有光譜選擇性吸收涂層。由于吸熱體與玻璃管之間的夾層保持高真空度, 可有效地抑制真空管內(nèi)空氣的傳導(dǎo)和對(duì)流熱損失; 再由于選擇性吸收涂

9、層具有低的紅外發(fā)射率, 可明顯地降低吸熱板的輻射熱損失。這些都使真空管集熱器可以最大限度地利用太陽(yáng)能, 即使在高工作溫度和低環(huán)境溫度的條件下仍具有優(yōu)良的熱性能。Wardetal指出真空管太陽(yáng)能集熱器可以獲取太陽(yáng)輻射率較低的情況下太陽(yáng)能（等效對(duì)應(yīng)于真空管 0.14 kW/m2 vs 0.25±0.30 kW/m2平板集熱器），從而可以對(duì)清晨和傍晚?xiàng)l件下的太陽(yáng)能加以收集和利用，增強(qiáng)其使用周期更好的滿足冷熱負(fù)荷需求。另外，圓管的強(qiáng)度和硬度都要優(yōu)于平管，所以真空管集熱器的使用可以更好的對(duì)抗大風(fēng)冰雹等惡劣的外界因素，增加其安裝使用的范圍及安全穩(wěn)定性。同時(shí)由于真空管的表面溫度較低，從而使得風(fēng)等外

10、界條件對(duì)于其太陽(yáng)能吸收效率的影響也較低。Wilbur and Mancini指出相對(duì)于傳統(tǒng)的平板式集熱器，真空管集熱器的效率可提高10%-30%。按吸熱體的材料分類, 有玻璃吸熱體真空管(或稱全玻璃真空管) 和金屬吸熱體真空管(或稱玻璃金屬真空管) 兩大類。金屬吸熱體真空管有各種不同的形式,但無(wú)論哪種形式, 由于吸熱體采用金屬材料, 而且真空管之間也都用金屬件連接, 所以用這些真空管組成的集熱器具有以下共同的優(yōu)點(diǎn):工作溫度高，承壓能力大，耐熱沖擊性好。同樣 真空管存在著缺點(diǎn)和不足。Dan Ward 和 John Ward指出真空管太陽(yáng)能集熱器不能維持平衡溫度，屬于其存在的潛在缺點(diǎn)。對(duì)于在真空管

11、中平行流動(dòng)的液體，一些微小的變化就會(huì)引發(fā)沸騰。真空管安裝在有些冬季寒冷多雪的地區(qū)時(shí)，積雪問(wèn)題同樣屬于其短板。因?yàn)楫?dāng)大雪覆蓋集熱器時(shí)，雪的自然溶化清除主要受幾何形狀以及熱管的設(shè)計(jì)布局有關(guān)，相比于傳統(tǒng)平板集熱器，真空管集熱器的積雪清除更加困難。Wardetal在文中指出當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為769 W/m2時(shí)，真空管的臨界吸收溫度為2800C，這就要求太陽(yáng)能加熱冷卻系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要格外注意。這要求控制系統(tǒng)可以合理控制防止集熱器中液體的沸騰，破壞集熱器回路，降低或損壞集熱器及其組成部分，避免高壓蒸汽排放時(shí)的危害等。太陽(yáng)能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，較低的發(fā)生溫度是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@將直接影響集熱器的

12、工作效率。例如，發(fā)生溫度為700C的集熱器其集熱效率就是發(fā)生溫度為900C同類型集熱器的兩倍，所以在較低溫度條件吸收儲(chǔ)存熱量可以有效地提高系統(tǒng)效率。雖然也可以使用聚光集熱器，但是由于其只可以吸收太陽(yáng)能的直射光能部分，所以對(duì)于它的應(yīng)用受到地理?xiàng)l件的限制，而且聚光集熱器需要常規(guī)動(dòng)能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。4 太陽(yáng)能池將廉價(jià)的太陽(yáng)能池與傳統(tǒng)的吸收式冷卻系統(tǒng)聯(lián)用，從而成為一個(gè)太陽(yáng)能冷卻裝置是具有可行性的。下圖給出了裝置的工作原理。太陽(yáng)池的底部對(duì)流區(qū)向吸收冷去裝置的發(fā)生器提供高溫的鹵水，同時(shí)上部對(duì)流區(qū)向制冷裝置的吸收器和冷凝器提供低溫水，這樣一來(lái)，便省去了冷卻塔。鹵水在制冷系統(tǒng)中的流動(dòng)速度一般不超過(guò)1m/s。從圖中可以看出上部對(duì)流區(qū)回水經(jīng)過(guò)冷凝器和吸收器之后會(huì)在上部形成一個(gè)相對(duì)的高溫區(qū)，同理下不對(duì)流區(qū)回水會(huì)在下部形成一個(gè)相對(duì)的低溫區(qū)，這樣一來(lái)，對(duì)于底部低溫區(qū)可以降低太陽(yáng)池同固體地面的熱交換，對(duì)于上部高溫區(qū)可以增強(qiáng)同環(huán)境的熱交換，兩個(gè)溫區(qū)對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)，都有著積極意義。制約大型的太陽(yáng)能池冷卻系統(tǒng)建造因素在于高效的高溫集熱器成本較高，但是太陽(yáng)能池的單價(jià)能量比要高于單獨(dú)的平板式集熱器以及