太阳能热管吸收式空调制冷系统构造及分析.docx

文章编号 1007 - 7405 (2001) 02 - 0153 - 05太阳能热管吸收式空调制冷系统构造及分析杨爱民(集美大学轮机工程学院 , 福建 厦门 361021) 摘要 分析了太阳能热管式集热管的工作特性 , 吸收式制冷系统的工作特性 , 设想以热管式真空管为集热管 , 以溴化锂2水为工质对的吸收式制冷装置 , 构成太阳能空调制冷系统 , 并进 一步探讨这一系统在工作时的性能和特点 . 以节能 、安全性为出发点 , 分析了建造太阳能热管 吸收式空调制冷系统的可行性和实用性 . 关键词 热管 ; 吸收式制冷 ; 太阳能集热器 ; 工质对 ; 系统设计 中图分类号 tb61 + 6 文献标识码 a0 引言太阳能空调制冷系统由于节能 、清洁无污染等特点 , 促使人们不断深入地对它进行研 究 . 随着太阳能集热器和制冷系统的材料 、工质 、工艺制造 、设计等应用技术的不断改进 ,太阳能空调制冷装置的应用将得到广泛的运用.利用太阳能作为能源的空调装置 , 一般可以分成三部分 : 其一是太阳能集热器. 集热器 形式多样 , 性能各异. 集热器采用真空管型最多 , 真空管型最基本的种类有三种 : 热管式真 空集热管 (简称热管) 、全玻璃真空集热管和直通式真空集热管. 热管式真空集热管是继传统平板式真空集热管之后开发出的高科技节能产品 , 它将热管技术和真空技术融为一体 , 将 太阳能集热器的工作温度从 70 提高到 120 以上 , 大大提高了集热器的热性能 , 是一种温 热利用的理想产品. 其二是制冷系统. 利用低温热源作为动力的制冷系统不同于压缩式制冷 系统 , 它必须能充分利用低温热源作为动力这一要求 , 目前以吸收式制冷技术较为成熟. 吸 收式制冷采用溴化锂2水 、氨2水等作为工质对 , 有较好的经济性 , 特别是采用溴化锂2水作为工质对 , 能满足对安全性要求很高的空调装置 , 是一种较为理想的工作对1 . 其三是自动化 控制系统 , 即对装置的各种工作参数进行控制和安全保护的控制系统.以热管为太阳能集热管 , 溴化锂2水为工质对的吸收式制冷空调系统 , 不管是作为制冷 量大的大型空调 , 还是作为家用空调都有着现实意义和发展前途 , 特别是目前人们环境保护 意识的提高 , 对环境的要求越来越高 , 无污染 、低能耗 、利用太阳能作为动力的空调将会受到人们的青睐 . 收稿日期 2000 - 12 - 11 作者简介 杨爱民 (1957 - ) , 男 , 讲师 , 从事船舶机电研究 .154 集美大学学报 (自然科学版)第 6 卷热管热管式集热管结构简图如图 1 所示. 当阳光射在真空 管内的吸热片上 , 热管内的工质受热沸腾汽化 , 蒸汽不断 冲向顶部的冷凝端 , 在冷凝端冷凝变成液体 , 冷凝的工质 沿管壁流回热管的蒸发段 , 完成一个循环 . 这种在一端吸热汽化而在另一端凝结放热 , 通过内部相变实现热量传递 的热管 , 习惯称为重力热管. 热管的内部没有吸热芯 , 凝 结的液体从凝结段回流到蒸发段是依靠凝结液自身的重 力 , 不需要外部动力而自动循环 , 这就是热管式真空管的 集热过程. 由于热管是依靠重力使工质循环的 , 在使用中必须将蒸发段置于凝结段的下方. 若蒸发段置于凝结段的上方 , 重力对凝结液的回流会起阻碍作用 , 这时没有动力使凝结液返回到蒸发段 ,1热管就不能工作. 所以热管也可以称之为单向传热的热二极管. 热管的这种特性非常适用于太阳能集热器 , 它可以将吸收的太阳能热量传送至水箱 , 将水加热 , 而反向不可逆 . 也就是说 , 白天 吸热 , 晚上不放热. 这对减少集热器的热损失 , 提高集热器的保温性能是十分有益的 .由于热管主要依靠工质相变时吸收和释放潜热以及蒸汽流动传输热量 , 而大多数工质的汽化潜热是很大的 , 因此不需要很大的蒸发量就能传递大量的热2 . 当蒸汽处于饱和状态 ,其流动和相变时的温差很小 , 而管壁又比较薄 , 故热管的表面温度梯度很小. 当热流密度很 低时 , 可以得到高度等温的表面 , 提高导热系数. 热管的安装倾角对传热性能有一定的影 响 . 对于一定的充液比 , 当倾角较小时 , 传热率随倾角的变化迅速上升 ; 当超过某一倾角 时 , 传热率的变化变得很平坦 , 倾角对传热率的影响较小 . 当倾角为 2045时 , 传热效率 最高 , 其中以 40时为最佳 . 热管安装倾角范围由当地地理纬度决定 , 而在我国境内 , 从广 州到哈尔滨的纬度为 n23n45, 倾角均在传热效率高的范围内 , 这对于热管作为集热器是 十分有利的 , 可以最大限度地提高热管的传热效率 . 热管具有启动工作温度低 、热损少 、管 内不结垢 、不炸管 、全年使用不结冻 、集热效率高 、使用寿命长等特点 .溴化锂水溶液 (libr2h2o) 吸收式制冷装置溴化锂2水溶液吸收制冷的工作原理图如图 2 所示. 当发生器中的溶液被工作蒸汽或热水加热后 , 由于水的沸点远低于溴化锂 , 因此 , 溶液中的水分就会不断地蒸发出来 , 成为制 冷剂水蒸汽 , 同时使发生器中剩余溶液的浓度增高. 制冷剂水蒸汽经分离器 ( 图中未示出)将其夹带的液滴分离后进入冷凝器 , 被冷却水冷却 , 凝结成制冷剂水 , 再经膨胀阀节流降 压 , 然后进入蒸发器中蒸发汽化 , 吸取蒸发器管中冷媒水的热量 , 使冷媒水的温度降低 , 产生冷效应. 为使水蒸汽还原成液态 , 同时也为了使发生器中由于析出了水分而浓缩的溶液(浓溶液) 能继续发挥作用 , 就需将发生器中的浓溶液和蒸发器中生成的水蒸汽部分送进吸 收器中 , 并用冷却水降低它们的温度 , 使得浓溶液具备 “吸收”水分的条件 . 于是 , 当水蒸汽与浓溶液接触时 , 水蒸汽便被吸收 , 同时使浓溶液变成为稀溶液. 然后由溶液泵加压 , 再送回发生器中加热 , 从而完成一个封闭的制冷循环.2第 2 期杨爱民 : 太阳能热管吸收式空调制冷系统构造及分析155 溴化 锂 是 一 种 无 色 粒 状 的 结 晶 盐 , 性 质 稳定 , 在 大 气 中 不 易 变 质 不 易 分 解 , 沸 点 很 高(1265 ) , 极易溶于水中 , 其水溶液具有强烈的 吸湿性 , 而且 , 在常温下饱和溴化锂水溶液的浓 度达 60 % , 浓度越大 , 温度 越 低 , 吸 湿 能 力 越 强 . 溴化锂在空气中对钢铁有很强的腐蚀作用 , 但在真空状态下加入缓蚀 剂 , 基 本 上 不 腐 蚀 金 属 . 以溴化锂2水溶液为工作对的吸收式制冷系 统主要缺点是 : 热效率低 , 冷却水消耗量大 , 设 备的密封性要求较高 , 有一定的腐蚀性. 但由于 可以直接利用低参数的热源作动力 , 是利用太阳 能低品位热源的理想的制冷装置 ; 整个机组除功 率较小的 屏 蔽 泵 外 , 无 其 它 运 动 部 件 , 运 转 安 静 , 运行时基本上没有噪音和振动 ; 以溴化锂2 水作为工质对 , 无毒 , 无臭 , 有利于满足环保要 求 ; 制冷机在真空状态下进行 , 无高压爆炸危险 ;制冷量调节范围广 ,在 20 %100 %的负荷内可进 行 制 冷 量 的 无 级 调 节 ; 对 外 界 条 件 变 化 的 适 应 性 强 , 可 在 加 热 蒸 汽 的 压 力 0 . 2 0. 8 mpa (表压力) 、冷却水温度 2035 、冷媒水出水温度 515 的范围内稳定运转 ;机组结构简单 , 对安装基础的要求低 , 无需特殊的机座 ;维护费用亦较低廉 ; 运转十分安全 .体积小 ,用地省 ,制造管理容易 ,系统构造及工作原理热管式太 阳 能 空 调 制 冷 系 统 由 太 阳 能 集 热 器 、溴化锂吸收制冷系统 、数台循环泵 、蓄热的 水箱 、辅助电加热器 、两个冷却器和连接管路等辅助器件以及控制系统组成 , 如图 3 所示. 循环 水由循环泵输入水箱 , 热管吸收太阳能在水箱加 热循环水 , 水的温度升高 , 由另一台循环泵输送 到溴化锂 吸 收 式 制 冷 装 置 的 发 生 器 ( 见 图 2) , 将热量释放给发生器 , 水返回水箱. 吸收器的冷却水由循环水泵输送到空气冷却器循环冷却 , 冷 凝器产生的热量 , 由另一台循环水泵输送到另一 个空气冷却器 ( 大型的可考虑用冷却塔) . 整个 空调系统由三个流通环路组成 , 即发生器流通环 路 、制冷水流通环路和冷却水流通环路. 各流通环路流量 、温度都由流量计与温度传感器测定. 辅助电加热器则是在夜间或集热器工作不正 常时加热水以保证制冷效果.3156 集美大学学报 (自然科学版)第 6 卷性能分析太阳能集热器是利用太阳能制冷的关键部件 , 它的集热性能好坏在很大程度上决定了系 统制冷过程总的 cop 值 . 但是 , 实用性好的太阳能集热器除了要考虑制冷过程的 cop 值 , 还要考虑工作时的稳定性 、安全性 、维护管理难度以及使用寿命等因素 . 目前 , 家用型太阳能集热器 , 很大部分采用的是全玻璃真空集热管的 , 它的突出特点是四季可用 、保温时间 长 、使用寿命长 、产量大价格低. 但是缺点也很明显 , 主要体现在真空集热管上 . 由于真空 管一端封口 , 另一端插入水箱内 , 形成冷热水均在管内自然循环 , 循环阻力相当大. 同时 , 每支真空管内容热水大 , 不能放出加以利用 , 使得其平均热效率低. 真空管的空晒温度最高 可达 270 , 如果空晒时间过长而突然加水 , 会由于温度骤变 , 将玻璃真空管炸裂 . 真空管在夏季可将水温升至 90 , 因此管内结垢严重 , 对吸热和传热影响较大 . 如果把全玻璃真 空集热管用作吸收式空调制冷装置的太阳能集热管 , 热效率低和生产的热水温度低 (一般低 于 90 ) , 将使吸收式空调制冷系统制冷效果下降甚至不能制冷. 而采用热管作为太阳能集 热管 , 虽然存在着价格相对较高 ; 冷凝端会结垢 , 需要定期清理 ; 玻璃管或热管一旦受损 , 必须整体更换等缺点3 . 但是热管内不会走水 , 冷凝端如果结垢只需采用简单措施即可去除 ; 热管内的工质很少 , 不易冻裂 , 抗冷热冲击性好 ; 生产的热水温度高以及在第 1 部份(热管) 所分析热管性能的诸多优点 , 采用热管作为太阳能集热管 , 具有较高的经济性和实 用性.太阳能热管吸收式空调制冷系统中的关键部件除了热管以外 , 冷凝器与蒸发器的性能对 系统的高效运行亦非常重要. 冷凝器的冷凝方式和结构类型是一个不容忽视的部分 , 主要的 冷凝方式为冷却水在冷凝器吸热 , 由水泵输送到外部空气冷却器放热 , 并往复循环. 对于冷 凝器 , 可以采用较大口径的高肋翅片管来强化冷却制冷剂气体 , 提高冷凝器冷凝效果. 对蒸 发器而言 , 其设计的好坏直接影响制冷效果. 必须使蒸发器具有足够的换热面积 , 保证蒸发 器与冷媒水充分换热4 .太阳能热管吸收式空调制冷系统是间歇式系统 , 不能够连续制冷 , 不能满足连续用能的需求 , 系统中加入一个辅助电加热器以保证夜间也能连续制冷 , 不过也增加能耗 , 因而系统 制冷过程总的 cop 值较低. 但是 , 与纯粹利用电能为动力的压缩式制冷系统相比 , 可以非常明显节约电耗.太阳能是典型的低品位不稳定热源 , 为保持制冷系统运行的稳定性 , 可以对吸收式制冷 循环进行改进 , 采用两级或更多级的吸收制冷循环 , 使得系统具有较强的变工况适应能力 , 但也使整个制冷装置复杂化了 , 增加了管理维护的难度 , 制造成本也相应提高了. 制冷系统只是作为空调来使用 , 采用单级吸收制冷循环还是较为实用 .吸收式制冷工质对有数十种之多 , 工质对的特性从根本上决定着制冷系统的效率和性 能 , 因而选择适合于空调制冷系统的工质对 , 是热管式太阳能空调制冷系统实用化的关键. 以溴化锂2水为工质对的吸收式制冷系统 , 由于可以直接利用太阳能低品位热源作动力而不4需使用压缩机 , 溴化锂2水 (libr2h2o) 无毒害和污染 , 没有爆炸危险 ,为热管式太阳能空调制冷系统的工质对无疑是可行的 , 并且性能优越5运行安全等特点 , 作. 相对于使用具有一定毒性的活性碳2甲醇 、氯化钙2氨为工质对的制冷系统 , 在以人为主要服务对象 、特别强调安全性的空调来说 , 作为制冷系统的工质对无疑是首选之一.第 2 期杨爱民 : 太阳能热管吸收式空调制冷系统构造及分析157 结论1) 热管式真空管技术的发展 , 为太阳能吸收式制冷系统的广泛利用奠定了坚实基础. 太阳能热管吸收式制冷系统的实用化在很大程度上取决于太阳能集热器 , 采用热管式真空管 作为集热器的具有极大优越性.2) 空调制冷系统采用溴化锂2水为工质对 , 从安全性角度分析 , 无疑最佳的 . 溴化锂吸 收式制冷系统能充分利用低温热源作为动力 , 结构简单 , 制造管理容易 , 运行时没有噪音和 振动 , 符合人们对空调性能的要求.3) 热管式太阳能空调制冷系统是间歇式系统 , 加入一个辅助电加热器可以保证夜间也 能连续制冷 , 构造不复杂 , 性能可靠 . 但稳定性较差 , 系统的 cop 值低. 提高系统的 cop值 , 实现太阳能驱动下的连续循环是空调制冷系统获得广泛应用的关键.4) 太阳能热管吸收式空调制冷系统以其环境保护的制冷手段已逐渐被人们广为接受 ,其实用化的产品开发仍在积极的探索研究中.5 参 考 文 献 王剑锋 , 蒋家明 . 太阳能驱动的吸收制冷循环研究 j .新能源 , 1999 , 21 (7) : 7211.12345潘宗羿 . 制冷技术 m .北京 : 机械工业出版社 , 1997.施锋 , 伊继东 , 张跃. 太阳能固体吸附式制冷的设计研究 j .新能源 , 1998 , 20 (11) : 5211.金苏敏 . 制冷技术及其应用 m .北京 : 机械工业出版社 , 1999.陈光明 , 陈曙辉 . 国外吸收式制冷研究进展 j . 制冷 , 1998 , (4) : 18224.construct and analysis on the solar air conditioningrefrigeration system constitution of heat pipe2 gla ss andrefrigerant2absorb