| 寒夜 | 2011-03-31 10:13 |
太阳能制冷技术的发展及应用关键词：太阳能吸收式制冷；吸附式制冷；喷射式制冷 1.引言 利用可再生能源和其它余热可有效缓解世界范围内的能源紧张和环境污染问题，太阳能是一种清洁、可再生能源，长期以来一直受到科技界的重视。利用太阳能制冷与空气调节是太阳能应用的一个重要方面，是一个极具发展前景的领域，也是当今制冷界技术研究的热点。时至今日，制冷研究者已在太阳能制冷这一领域进行了大量的研究工作，提出了各种不同的制冷方法并取得了初步进展，实现太阳能制冷有两条途径：一是太阳能光电转换，以电制冷，如光电制冷，热电制冷；二是光热转换，以热制冷，如吸收式制冷、喷射式制冷、吸附式制冷；光电转换的制冷方法由于成本较高所以研究较多实际推广应用较少，而以热制冷由于它的廉价备受青睐。以热制冷的方向有三种：分别是太阳能吸收式制冷、太阳能喷射式制冷和太阳能吸附式制冷，这三种制冷方法都已分别进入试验和应用阶段。 太阳能制冷之所以能成为制冷技术研究的热点是因为它具有自己独特的优点。首先是节能，国际上用于民用空调所耗电能占民用总电耗的50%，而太阳能是取之不尽，用之不竭的，太阳能制冷用于空调，将大大的减小电力消耗，节约能源；其次是环保，根据《蒙特利尔议定书》，目前压缩式制冷机主要使用的CFC 类工质因为对大气臭氧层有破坏作用应停止使用，太阳能制冷一般采用非氟烃类的物质作为制冷剂，臭氧层破坏系数和温室效应系数均为零，适合当前环保要求，同时减少燃烧化石能源发电带来的环境污染。 2.各种形式的太阳能制冷技术 2.1.太阳能吸收式制冷技术 2.1.1.太阳能吸收式制冷原理和特点 吸收式制冷是利用溶液浓度的变化来获取冷量的装置，即制冷剂在一定压力下蒸发吸热,再利用吸收剂吸收制冷剂蒸汽。系统简图如图1 所示。自蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器并被吸收剂强烈吸收，吸收过程中放出的热量被冷却水带走，形成的浓溶液由泵送入发生器中被热源加热后蒸发产生高压蒸汽进入冷凝器冷却，而稀溶液减压回流到吸收器完成一个循环。它相当于用吸收器和发生器代替压缩机，消耗的是热能。热源可以利用太阳能、低压蒸汽、热水、燃气等多种形式。 吸收式制冷系统的特点与所使用的制冷剂有关,常用于吸收式制冷机中的制冷剂大致可分为水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四个大类。水系工质对是目前研究最热门的课题之一，对它的研究主要是针对现今大量生产的商用LiBr 吸收式制冷机依然存在的易结晶、腐蚀性强及蒸发温度只能在零度以上等缺陷。氨系工质对中包括了最为古老的氨水工质对和近期开始受重视的以甲氨为制冷剂的工质对，由于氨水工质对具有互溶极强、液氨蒸发潜热大等优点,它至今仍被广泛用于各类吸收式制冷机。人们对氨水工质对的研究主要是针对它的一些致命的缺陷，如：COP 较溴化锂小、工作压力高、具有一定的危险性、有毒、氨和水之间沸点相差不够大、需要精馏等。吸收式空调采用溴化锂或氨水制冷机方案，虽然技术相对成熟,但系统成本比压缩式高，主要用于大型空调，如中央空调等。  图 1 太阳能吸收式制冷系统图  图 2 太阳能单效单吸式制冷系统图 2.1.2.太阳能吸收式制冷的研究现状及发展 太阳能吸收式制冷是最早发展起来的，起源于1932 年，但因成本高，效率低，没什么商业价值。后来随着科技的进步，吸收式制冷研究逐渐得到了发展。由于 1992 年世界性能源危机的影响，吸收制冷受到了发达国家的重视，吸收式制冷产业也得到了普及和发展。 太阳能吸收式制冷由于利用太阳能，所以其发生温度低，即便采用特殊的集热器，也只有 100℃多一些。因此，其制冷循环方式都是采用单效方式。再细分下去，有单效单级和单效双级两种。迄今为止，国外的太阳能制冷空调系统通常都采用热水型单级吸收式溴化锂制冷机。该类制冷机在热源温度足够高及冷却水温度比较低的场合，性能良好；若热源温度降低而冷却水温度较高，它的效率将大大下降，甚至不能正常制冷。因此国外太阳能空调制冷系统普遍采用高温运行的方式，有的甚至在 120℃—130℃下运行，需要采用聚光式集热器，这就影响了太阳能制冷空调的推广使用。单级吸收式制冷机还有一个很大的缺点，就是热源的可利用温差小，一般只有6℃—8℃，为了适应低温余热和太阳能的利用，W.B.Ma 等人对双级溴化锂—水吸收式制冷机进行了理论分析和初步的实验研究，指出双级溴化锂—水吸收式制冷机可有效利用太阳能，有着广阔的市场前景。这种新型的两级吸收式制冷机有两个显著的特点：一是所要求的热源温度低，在75℃到 85℃之间都可运行，当冷凝水温为 32℃时，COP 值可达到0.38；二是热源的可利用温差大，热源出口温度低至 64℃时。此系统对热源温度有较宽的适应范围，有利于制冷机在较低的太阳辐射强度和不稳定的太阳能输入情况下，适应其引起的温度波动，实现稳定的运行。 陈滢等人提出了一种新型的单效双级吸收式制冷循环，该循环采用增大热源温差的思路，增加了一个发生器和一个换热器。模拟计算表明，其COP 值可达到 0.42—0.62 之间，热源出口温度可降到 55℃。采用单效双级制冷循环虽然COP 值高，但其系统复杂，初投资高。因此陈光明等人又提出了采用热变器原理的单效单级循环。新循环比传统循环多了一个压缩机。其系统循环如图2 所示：从发生器出来的制冷剂蒸汽分为两路，一路送入冷凝器，一路经压缩机压缩后，又回到发生器换热，再进入冷凝器。这里压缩机实际上起到了热变换器的作用。由于进入冷凝器和发生器的热负荷降低，所以系统的 COP 值增加了。这个循环虽然巧妙，但在实际应用中难以保证压缩机的正常运行。 2.2.太阳能吸附式制冷技术 2.2.1.吸附式制冷原理和特点 吸附式制冷系统由吸附床、冷凝器、蒸发器和节流阀等构成，如图3 所示：工作过程由热解吸和冷却吸附组成，基本循环过程是利用太阳能或者其他热源,使吸附剂和吸附质形成的混合物(或络合物)在吸附床中发生解吸，放出高温高压的制冷剂气体进入冷凝器，冷凝出来的制冷剂液体由节流阀进入蒸发器。制冷剂蒸发时吸收热量，产生制冷效果,蒸发出来的制冷剂气体进入吸附发生器，被吸附后形成新的混合物(或络合物)，从而完成一次吸附制冷循环过程。基本循环是一个间歇式的过程，循环周期长，COP 值低，一般可以用两个吸附床实现交替连续制冷，通过切换集热器的工作状态及相应的外部加热冷却状态来实现循环连续工作。  图 3 太阳能吸附式制冷系统图 吸附式制冷具有结构简单、一次投资少、运行费用低、使用寿命长、无噪音、无环境污染、能有效利用低品位热源等一系列优点。与吸收式制冷系统相比,吸附式制冷不存在结晶问题和分馏问题且能用于振动、倾颠或旋转的场所。一个设计良好的固体吸附式制冷系统，其价格效用比可优于蒸汽压缩式制冷系统。国内外都在开展对固体吸附式制冷和热泵的研究工作。从吸附工质对的性能、吸附床的传热、传质和系统循环及结构等方面推动了吸附制冷的发展。但与吸收式制冷相比吸附式制冷还很不成熟。主要问题在于：固体吸附剂为多微孔介质、比表面大、导热性能很低，因而吸附/解吸所需时间长；单位质量吸附剂的制冷功率较小，使得吸附制冷机尺寸较大；吸附制冷虽然可以采用回热，然而仍有大量的热量损失，使得系统制冷性能系数(COP)值不够高。 2.2.2.太阳能吸附式制冷的研究现状及发展 吸附式制冷依靠固体吸附剂在白天吸收太阳能解吸，晚上则吸附制冷。目前对吸附式制冷技术的研究主要包括以下几个方面：（1）吸附剂—制冷剂工质对的性能，各种循环方式的热力性能和发生器（吸附床）性能。对吸附剂—制冷剂工质对的性能研究已从工质对本身特性的研究发展到放在整个系统中进行。研究的多为沸石—水、活性炭—甲醇和氯化钙—氨为工质对。另外，硅胶—水、活性炭—乙醇等也被用于吸附式制冷系统中。活性炭—甲醇应用最广，但甲醇有毒，影响了它的使用。沸石—水的温度解吸范围广，在70℃—250℃之间，但它只能用于0℃以上的工况，限制了它的进一步应用。因此对吸附式制冷工质对的研究有必要继续深入。（2）吸附式制冷循环方式的研究有基本型、连续型、连续回热型、热波型和对流热波型，前三种已有样机研制成功，后两种尚处在理论模拟和实验室阶段。最简单的连续型循环是采用双床结构，一个床吸附，同时另一个床解吸，这样就得到了连续制冷，避免了传统吸附式制冷白天解吸，夜间吸附的间歇性制冷的缺点。在热波循环中，吸附床被看作由一系列能独立进行热交换的小吸附床组成，两个吸附床反向运行，各自只有一小部分进行热交换，另一部分保持其温度，这样就有效地减少了热损失，提高了COP 值。实验表明其 COP 值可达0.9—1.0 之间。对流热波循环则是一种采用吸附床内强迫对流循环方式，它使吸附床内形成良好的传热传质条件。（3）吸附床的研究主要是强化它的传热，方法有采用高导热性能的复合吸附剂。如沸石粉与聚苯胺复合吸附剂的导热性能和吸附性能均远优于沸石颗粒。如果将颗粒状的吸附剂嵌入膨化的石墨板中，会得到更高的导热系数。（4）由于现今国际上的太阳能吸附制冷装置大多以水或甲醇等低饱和蒸汽压液体作为制冷剂，如何长期保证系统较高的真空度是太阳能吸附制冷技术走向应用的一个难题。针对这个问题，刘震炎等人研制了一种新型非金属太阳能制冷管。其壳体采用高透过率的玻璃管，一根冷管即为一个制冷单元。冷管的上端为吸附床段，其内填充中空圆柱型复合吸附剂块；中部为冷凝段，外接水箱利用水的自然对流进行冷却；下端的蒸发器内填充制冷剂。冷管型太阳能制冷系统具有下述优点：因吸附床直接吸收太阳能，减少了换热的中间环节，有利于提高制冷系统对太阳能的利用率；冷管壳体采用玻璃管，易于密封及长期维持较高的真空度；实现了加热与制冷在一根管子上进行，结构简单，易于模块化。这些使冷管型太阳能制冷系统具有良好的实用性。 2.3.太阳能喷射式制冷技术 2.3.1.喷射式制冷原理和特点 喷射式制冷系统的原理如图 3 所示。制冷剂在换热器中吸热后汽化、增压，产生饱和蒸汽，蒸汽进入喷射器，经过喷嘴高速喷出膨胀，在喷嘴附近产生真空，将蒸发器中的低压蒸汽吸入喷射器，经过喷射器出来的混合气体进入冷凝器放热、凝结，然后冷凝液的一部分通过节流阀进入蒸发器吸收热量后汽化，这部分工质完成的循环是制冷循环。另一部分通过循环泵升压后进入换热器，重新吸热汽化，他们所做的循环称为动力循环。  图 4 太阳能喷射式制冷系统图  图 5 太阳能吸收—喷射式复合制冷系统图 喷射式制冷系统中循环泵是运动部件，系统设置比吸收式制冷系统简单，运行稳定，可靠性较高等优点。缺点是性能系数较低。 2.3.2.太阳能喷射式制冷研究现状及发展 喷射式制冷是太阳能经集热器产生一定压力的蒸汽来完成喷射制冷。喷射式制冷系统简单，但制冷系数较低，因而Sokolov 针对其COP 较低的缺点，设计了增压喷射循环和压缩喷射混合循环两种解决方案以消耗少量电能为代价，换取系统性能系数的大幅提高。Sokolov 的工作促进了太阳能喷射式制冷系统的研究，将喷射器与其他系统结合使用，可以有效的改进工艺过程、降低能耗或者在不增加系统复杂性的基础上产生出新的更高效的制冷系统。据此思想，人们提出了喷射—压缩和喷射—吸收等混合系统。方承超对太阳能为热源的增强型喷射式制冷系统进行了热力学分析，初步实验表明系统的COP 值比传统的纯喷射制冷循环的COP值提高50%。除此之外，S.B.R 提出了一种非常新颖的制冷系统—热管喷射式制冷系统。基本的热管喷射式制冷系统有热管、喷射器、蒸发器节流阀或毛细管组成，发生段的工质吸收太阳能蒸发，通过喷嘴成为高速气流，吸引来自蒸发段的蒸汽，混合升压到冷凝段凝结成液体，一部分通过毛细作用流向发生段，一部分通过节流阀到蒸发段，整个装置依靠工质在蒸发段蒸发吸热达到制冷效果。现在常常把喷射式制冷与吸收式和吸附式制冷结合起来，以得到更好的制冷系统。有一种新的太阳能吸收—喷射复合制冷系统如图5 所示，它把吸收式制冷和喷射式制冷两者合二为一，既保持单效吸收式制冷系统流程简单的特点，又弥补了喷射式制冷效率低的缺点。它在吸收循环基础上，增加气、液喷射器，打破了吸收循环的制约关系，使发生器浓度和吸收器浓度成为两个可以选择的参量，在热源温度不变时，比单一吸收循环效率显著提高。 另外把吸附与喷射相结合，又可得到太阳能吸附—喷射联合制冷系统。它利用了吸附制冷和喷射制冷对太阳能需求的时间差而实现系统的连续制冷。并且对吸附热的有效回收和制冷系数的提高有一定作用。 3.太阳能制冷技术的展望 与蒸汽压缩式制冷相比,太阳能制冷技术目前不是很成熟,但是因为其环保节能的特点,决定其具有良好的发展前景。目前，制约其广泛应用的主要原因是成本较高。太阳能制冷要降低成本，一方大力开发高效太阳能集热板,提高热力学性能。另一方面，走产业化发展的道路。为此，可以与热水器的应用相结合(如太阳能冰箱-热水合机)，太阳能制冷与太阳能热水器结合，实行联产。太阳能热水器的热销可以看出太阳能的广阔前景。2000 年我国太阳能热水器的年产量达到640 万平方米，比1999 年增长率40%，太阳能热水器的累计拥有量超过2600 万平方米，而户用比例只有3%，与日本的20%、以色列的80%相比，市场发展潜力巨大。同时家用空调和冰箱的需求也是一个巨大的市场，美国家庭家用空调的持有量为40%，我国还远没有达到，尤其中小城镇和农村地区，太阳能资源丰富，利用方便，随着人们生活水平的提高，对制冷空调的需求越来越多，太阳能制冷将会大有用武之地，必定会为广大制冷企业带来无限的商机。 4.结论 太阳能吸收式制冷系统庞大，运行复杂。吸附式制冷则停留在实验室阶段，因此对吸收式制冷的小型化和吸附式制冷的实用化是研究的热点。太阳能是取之不尽用之不竭的绿色能源，提高太阳能的利用效率和太阳能制冷技术的实用化是今后重点研究的方向。随着绿色建筑的兴起，与其相结合的太阳能吸附式制冷、吸附—喷射式制冷、新型的喷射式制冷如热管喷射式制冷技术必然会有迅速的发展。 参考文献 [1] 方承超,赵军等.太阳能增强型喷射式制冷系统的研究. 太阳能学报,1994,2.1 [2] 罗振涛.我国的太阳热水器产业太阳能.2001,4:8～11. 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