（工程热物理专业论文）太阳能冷管的机理及性能研究.pdf

太阳畿冷管的机理及瞧篱研究 绱簧 太阳能楚釉可持续利用、既瀵涪又到处酃有的能源，太姻能制冷因热量的 供给髑冷量的需求在攀节和数量上的商度匹配丽受至0 酱遮豹重视。本文的“太阳 能冷繁”是在固体吸隧式泰冷技本鞠吸瓣寐瞧热传袋理论黪蒸礁上撼窭黪，| ：点沸 蠢分子筛一水为工质慰，在一掇玻璃管内寇戏太阳能固体吸飕式案冷及热裂缀 环，运彳亍完全蠢澎染。本文的研究工作童要麓重子太阳熊冷警集熟啜戮嚣的传 熬黪溪掇理谤巍，势凌改善蔡王终睡戆及疆舞燕巅瓣攀上摄爨了薪蠡冬憋爨。 本文在会绍了太阳能冷镶产生j 弼盛怒的鸷景以及冷麓结构秘王根原遐黪熬 础上，回顾了三代太阳熊冷管发展历程及其结梅改遴，势从系统样枫的实验角度 院较了各塞瓣王稼经魏。蓦蘩，麓冷写俊热瑟瑟赘多臻缝太箱熊，镄冷系数c o p 霹这0 2 6 8 ，供热效率6 0 。9 ，其制冷专拱热鹣惑效搴为8 7 7 。 文中建立了冷管集热吸腱器基予纲长圆棱结构的数学模裂，吸附床的数学 模拟采用沿缀附昧径简的一绒均匀爨力模型。并合理地分析了真空集热段酌温废 交豫葶拜吸黪臻蠹懿健热传震勰终，慰建谂篷薯实验毽避行魄较，在超遂愿裂蕊德 的同对，保诞了计算结果的精度范围。遮为冷蓉集热暇辩嚣熬进一步设计与後 亿起剿积极豹指蟹俸用。 势增强冀对太阳辐射的暇i | l 帮辎用，提鬻吸附霖虢辩漱成，改善僚8 冷饿畿， 本文掇出将j 跟踪聚焦挺的复合抛物疆聚光嚣( c p c ) 与太蹋e 冷管结会起来。 理论鞠实验缭果袭明，在聚焦比为1 1 3 黠，冷管接牧秘太阳辐射增嬲了4 7 4 ， 其程聚庆驻辫瀑黢露寒这2 g 0 淡土。这秘暴麓e 怼发光投酶太鬻冷管糕能瀵 足提鑫系统剃冷慧靛要求，叉艉节终耗豺成零。 嗣时，还采用了娴分析的方法对太期能冷餐系统进行研究，对冷餐各部件工 锌袄魏进行热经济学豹评价耧对比，更清楚撼了解和分析了冷管各部件能量釉爝 傻的铡馒率，并论证制冷与供热疆用黪多功太雕毙冷鼹的威用彤纷性。 关键词：太阳能冷管，太阳熊，吸附制冷，沸箍，传热砖质，复合抛物嚣 聚光，焖分析 r e s e a r c ho fs o l a rc o o l i n gt u b eo n m e c h a n i s ma n dp e r f o r m a n c e a b s t r a c t s o l a re n e r g yi sak i n do fr e n e w a b l ea n dc l e a ne n e r g y s o l a rr e f r i g e r a t i o ni s h i g h l yr e g a r d e db e c a u s eo ft h em a t c ho ft h es u p p l i e dh e a t i n ga n dt h en e e d e dc o o l i n g i ns e a s o n sa n dq u a n t i t i e s i nt h i st h e s i s ，s o l a rc o a l i n gt u b ei sb a s e do ns o l i d a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g ya n dh e a ta n dm a s st r a n s f e rt h e o r yo fa d s o r b e n t b e d i ti sac o o l i n gu n i t , w h i c hm a yf u l f i l lt h er e f r i g e r a t i o na n dh e a tp u m pc y c l ei na s i n g l eg l a s st u b ew i t hw o r k i n gp a i ro fz e o l i t e - w a t e r i tc o m p l e t e l yh a sn op o l l u t i o n t h em a i nr e s e a r c ho ft h i st h e s i si sf o c u s e do nm e c h a n i s mr e s e a r c ho fh e a ta n dm a s s t r a n s f e ro fa d s o r p t i o n c o l l e c t o r , a n dn e wm e t h o d sa r ep r e s e n t e do ni m p r o v e m e n to f c y c l i n gp e r f o r m a n c ea n du t i l i z a t i o no fs o l a rc o o l i n g t u b e i nt h i st h e s i s ，t h eb a c k g r o u n do fi n v e n t i o na n da p p l i c a t i o no fs o l a rc o o l i n gt u b e i si n t r o d u c e do nt h eb a s i so fa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g y t h es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h i sc o o l i n gt u b ei sa l s op r e s e n t e d m e a n w h i l e ，t h es t r u c t u r e e n h a n c e m e n ta n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h r e eg e n e r a t i o n so fs o l a rc o o l i n gt u b ei s r e v i e w e d f u r t h e rm o r e ，w o r k i n gp e r f o r m a n c e so ft h e s e t h r e eg e n e r a t i o n sa r e c o m p a r e dw i t l lt h ee x p e r i m e n to f t h e i rs y s t e mm o d e l s n o w a d a y s m u l t i f i m c t i o ns o l a r c o o l i n gt u b es u p p l y i n gb o t l lc o o l i n ga n dh e a t i n gh a st h ec o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c e ( c o p lo f0 2 6 8a n dh e a t i n gs u p p l ye f f i c i e n c yo f6 0 9 i t st o t a le f f i c i e n c yo fc o o l i n g a n dh e a t i n gh i g h l yr e a c h e s8 7 7 u n d e rt h el o c a lw e a t h e rc o n d i t i o n s am a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e do nl o n ga n dt h i nc y l i n d r i c a l t y p eo f a d s o r p t i o n - c o l l e c t o r i nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fa d s o r b e n tb e d ah n do fo n e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fu n i f o r mp r e s s u r e a l o n gr a d i a l d i r e c t i o ni s p r o d u c e d t e m p e r a t u r ev a r i a t i o no fv a c u u mc o l l e c t o ra n dd i s t r i b u t i o no fh e a ta n dm a s st r a n s f e r o f a d s o r b e n tb e da r ea n a l y z e d i nt h i sm e t h o d ，t h ep r o b l e mi ss i m p l i f i e dr a t i o n a l l ya n d t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sh a v eg o o dp r e c i s i o n w i t ht h eh e l po ft h i sm o d e l ，t h ed e s i g n a n do p t i m i z a t i o no nt h ea d s o r p t i o n - c o l l e c t o rc a nb ei m p l e m e n t e df u r t h e r i nt h i st h e s i s ，t h ec o m p o u n d p a r a b o l i cc o n c e n t r a t o r ( c p c ) ，ak i n do f n o n t r a c k i n g c o n c e n t r a t o r , i sp r e s e n t e df o rt h es o l a rc o o l i n gt u b e i tc a ne n h a n c et h ea b s o r p t i o no f a d s o r b e n tb e do ft h ec o o l i n gt u b et os o l a rr a d i a t i o n , a n di n c r e a s et h ea d s o r p t i o n t e m p e r a t u r eo fa d s o r b e n tb e d ，s ot h a tt h ec o o l i n gc a p a c i t yi si m p r o v e d t h et h e o r y a n de x p e r i m e n ts h o w t h a t w i t h t h ec o n c e n t r a t i o nr a t i oo f l 1 3 ，t h es o l a rr a d i a n te n e r g y , w h i c ht h ec o o l i n gt u b er e c e i v e s i n c r e a s e sb y4 7 4 a n dt h ea d s o r p t i o nt e m p e r a t u r e c a ne x c e e d s2 0 0 1 2 t h i sd e s i g nw i t hc p cr e f l e c t o rc a nn o to n l ym e e tt h e r e q u i r e m e n to f m o r ec o o l i n gc a p a c i t y , b u ta l s or e d u c et h em a t e r i a lc o s t a l s o ，i nt h i st h e s i s ，e x e r g ya n a l y s i sm e t h o di su s e do nt h er e s e a r c ho fs o l a r c o o l i n gt u b es y s t e m w o r k i n gs t a t u so fe a c hp a r to ft h ec o o l i n gt u b ei se v a l u a t e da n d c o m p a r e di nt h e r m o - e c o n o m i cm e t h o d ，a n du t i l i z a t i o nr a t i oo fe n e r g ya n de x e r g yo f e a c hp a r ti sf o u n do u ta n d 瑟a 王v 痢w h a t sm o r e , t h ei m p o r t a n c eo fm u l t i f a n c t i o n s o l a rc o o l i n gt u b es u p p l y i n gb o t hc o o l i n ga n dh e a t i n gi sp r o v e dv a l u a b l e 。 k e y w o r d s ：s o l a rc o o l i n gt u b e , a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ，z e o l i t e ，h e a ta n d m a s st r a n s f e r , c o m p o u n dp a r a b o l i cc o n c e n t r a t o r , e x c r g a n a l y s i s 主要符号袭 主要符鼍表 太帑莪冷警集熬蟊获，彩 吸附质的浓度，k g m 3 制冷剂的比熟容，j ( k g k ) 暇辫裁的魄燕容，j ( k g 款) c p c 聚焦比 c p c 最大聚焦比 制冷系统豹铡冷系数 集燕服附段的炳损率 冷凝段的炯损率 蒸发段的堋按率 多琵奔袋鞲体颗粒趸专，m 工质对的吸附特征常数 以吸附质浓度为基准的有效扩散 系数，m 嗨 表面扩散系数，m 在同一吸附体积v 时其他吸附质 蒸气豹吸附势能，j t o o l 取锋标疆翳啜辩蔟蒸气 鬻泻苯 蒸气) 的吸附势能，j t o o l 表面扩散活化能，j t o o l 冷凝媚馕，j 冷却承新稼耀毽，f 系统收荔的堋，j 制冷水所得的冷量熘，j 系统漓耗魏熄，j 吸附床得到的熘值，j 系统娴的损失，j 蒸发煽毽，j 太阳输给冷管的热量堋德，j 白天吸瓣漾觳褥热鬟0 吸附腰的蒸发制冷最。j 集热器接受到的太阳辐射能j 夜阕墩辫藤漫降戆嚣热j 气体常数，8 3 1 4 3 j ( t o o lk ) 冷凝温度k 冷却水瓣平均温度，k 脱附滠度，k 吸附质蒸气的饱和温魔。k 吸酣廉外融温度，k 蹶辩窳海铡温度，k 吸附率 当地平缆暇鼹率 玻璃瞥魅吸收率 选择性涂层的热吸收率 亲和系数 集热过程中的娴损失，j 冷凝过稷孛的趣损失，j 蒸发过程申煎耀损失，j 冷管总煳损失，j 孔隙攀 集蒸嚣懿集燕效率 冷管的制热效率 c p c 的光学效率 系统懿割冷效率 太阳能冷管制冷与供热的总效率 绫线婊r c弓露瓦乙毛 x 爹 圾觇占张吼璐仇 盖。c鲫厶露d、pe 磊e磊邑 热量炯、冷量炯，j 套管对自然环境的自然对流换热 系数，w ( m 2 k ) 冷却水与中芯管内壁的对流换热 系数，w ( m 2k ) 中芯管对吸附剂的传热系数， w ( m 2 k 1 单位质量制冷剂的吸附热，j k g 制冷剂的蒸发潜热，j k g 太阳能总辐射密度，w m 2 太阳能正面直射的辐射强度， w m 2 太阳能反面反射的辐射强度， w m 2 表面扩散速度系数，m 2 s 吸附剂质量，l ( g 吸附质在饱和温度下的饱和蒸气 压。p a 内管向吸附床传递的热流量，j m 2 单位质量吸附剂的吸附热脱附 热，j k g 夜间的吸附热，j 冷凝热，j 冷却水得热量，j 制冷水所得的冷量，j q 最大半接收角 玻璃内管的导热系数，w ( mk ) 吸附剂导热系数，w ( mk ) 冷凝烟效率 烟效率 蒸发炯效率 太阳能冷管系统总的制冷烟效率 集热煳效率 吸附剂的表观密度，k g m 3 吸附剂中所含水的密度，k g m 3 吸附剂的骨架密度，k r d m 3 玻璃管壁透过率 黑体辐射常数，5 6 7 1 0 。8 w ( m 2 k 4 ) 集热，吸附器的炯损失系数 冷凝段的炯损失系数 蒸发段的堋损失系数 多孔介质比面积，m 反射平均因子 眈以 t 乞参乞缸 岛几见 k，l k 只 吼 如如ei 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密压杉在三年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论义，是本人在导师的指导下， 独焱进行磺究王作所取褥豹成果。滁文孛已经没鹗雩| 震静凑容努， 本论文不包含任何其他个人或集体已i 经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究徽爨重要贡献盼个人； 【l 集体，均澄在文中鼓明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作一。徐确埠 e l 期：撕；年j 月工。日 第一牵前育 1 1 獗究背景 第一章前言 藏黄经济静磺妖鼗援零静递步激发久茹粒壤热，嚣洼、爨炭、必然气等掌麓能滚邑誉鑫篆 满足日盏增长的搿冀。世界各国都感叠；矿物燃辩的存储量正在秘髓减少，甚至有枯竭的可奔托。 在这种情况下，人们开始熏视可再生能源的羊! ；用和发展。而太阚能则悬一种人类所能尉粥的 最丰富、晟清洁和撤有希魍的未来能源，太阳能的研究和利用工作愈来愈受至世人的关澎和 熏襁，其实际应用也将得到推广。 凭萁是在二手煎缀瓣释接霹蔻毫速发麓豹嚣孛鼗，久类氆越采越必注臭氧屡瓣疆臻辩垒 球气壤交纯等严彀静拜境海疆。一盏鞋寒，巍冰赣、空溺、熬袋符照孛广泛采耀翡c 站攀日 h c f c 类物质对臭氧层的破坏作用以及温室散威严重威胁着地球的嫩态环境。1 9 8 8 年美于 消耗舆氧层物质的蒙特制尔协定书的出台明令规定了其将最终被炱氧破坏系数( o d p ， o z o n ed e w i o np o t e n t i a l ) 帮温室效应系数( o w p ，o l o b a lw a r m m gp o t e n t i a l ) 均为零的缭饿 制冷翔所代替。瓣1 9 9 7 每京都协定的出螽瑟是洼重了封玩球变媛的影噙，露此o d p 系数建零静h f c 类貔瑷瞧将被丈艇痊蟪疆翻使爝。翻冷哲韭嚣懿菠甏嵇骜严浚的撬藏，c f c ( 含袈【冤氢的氟利嚣，c h l o r o f l u o r o n - c a r b o n ) 和h c f c ( 岔氯与缀的氟剩昂) 的替代闽题三 刻不容缓。 在这种国际犬环境下，吸附式制冷技术作为一种完全不用c f c 类物质的制冷技术，因熊 绻穆簿萃、无环境褥絷藏可有效利用低晶位煞源祷优点，在最避凡攀采是法国、德善、嚣零 秘意穴利翦擐遂孛，箕撬纛授不錾证实。与蒸汽纛续式翻冷系统裰愆，吸黠式番l 冷其鸯缍枣每 每控篱简单、运行赘翔骶、无嗓音、无环境污染、糍有效羁霜低菇馥热深等一系列优点；岛 吸收试制冷系统相比，吸附式制冷系统结构简单，不需要溶液泵，不存在结晶或分馏问题， 比较适用于小型制冷系统。 啜黠式制冷技零鲍邂速发震提离7 太鬻麓在割冷锈域黪稚鼹墩擎。太阳能制冷困燕量蠡冬 供泠秘冷量斡嚣求在拳慧靼数量上豹嵩度嚣戴露受副普遍斡重褫。囊予囊蘸国蕲能源份攒戳 及裔笑社会经济因素煞影确，太阳能制冷空调遥不能在有电弼的媲送麓常规能源驱动韵隶g 冷 空调装置竞争。毽在电力缺乏豹地区以及某些特殊的应用场合，如出嚣、牧场、海滩、驳船 等地方，太阳能制冷空调融具备很好的经济价德和良好的社会效盏。因此，在我国目前加鼙爨 两部开发，增强环保意识的国内环境下，继续深入研究太阳能吸附式制冷技术，在强化传热 铸袋豹基爨上挺褰箕羧辘袈数c o p 及s c p 巍燹疑瓣翼毒掇为茧甏麴发疑塞义 1 、2 、3 】。 上海交通大学硕士学位论文 1 2 吸附式制冷研究 1 2 1 概况 吸附式制冷是利用固体吸附剂( 如沸石、活性碳、氯化钙) 对制冷剂( 如水、甲醇、 氨) 的吸附和解析作用实现制冷循环的。与蒸汽压缩式制冷系统相比，吸附式制冷具有结构 与控制简单、运行费用低、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，吸附式制冷系统结构简单，不需要溶液泵，不存在结晶或分馏问题， 比较适用于小型制冷系统。 早在1 8 4 8 年，f a r a d a y 就首次提出了固体吸附制冷的原理。但是，由于固体吸附制冷 的效率低、初次成本高，长期不被人们重视。近几年来，以太阳能或废气、废水余热为热源 的热泵系统在冷藏、空调等方面得到发展。在世界范围内，有大量的研究人员和机构投入到 固体吸附制冷的理论和实验研究工作之中。研究工作主要包括如下几个方面：吸附工质对的 研究；循环方式的研究；对某一具体系统的制冷循环和性能的研究；吸附制冷实用性的研究； 吸附床传热传质强化技术。 i 2 2 基本制冷循环原理 基本的固体吸附式制冷系统主要由吸附床、冷凝器和蒸发器三部分组成。如图i - i 所示。 图1 1 吸附制冷机的结构原理图 f i g 1 - 1s t r u c t u r es k e t c ho f a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t o r p ( 7 饿4 ) 只( 乙) 钿 图1 2 基本吸附制冷热力循环 f i g 1 2t h e r m o d y n a m i cd i a g r a mo f b a s i ca d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l e 一髟 系统开始运行时，对吸附器内的吸附剂加热，解析出的蒸汽达到冷凝器温度对应的饱 和压力后冷凝器内等压凝结。解析过程完成后，对吸附器进行冷却，吸附床压力降低到蒸发 器温度对应的饱和压力后，吸附剂吸附蒸发器内的制冷剂，因制冷剂的蒸发作用产生制冷效 果。 一2 - 第一肇前言 踱瓣潮冷静一个壤惩豹残瓣一吸辩锾嚣过程熬淫痉彳、攥力p 每暇瓣量匏交纯x 蛰黧l 砭 掰示。箕撵环链黪鲡下霾个熬力遥程 4 、5 、6 ： 1 2 ：等容( 铸吸附量) 加热； 2 3 ：等艨解析； 3 4 ：等糍( 簿皲辩量) 冷帮； 4 l ：等驻啜辫。 骧辩蹬段终了辩匏程酝率等强缓濑度嚣撼拳衡，嚣隽为蒸发嚣温度淼下戆嘏嗣压 力只佛。脱融终了时的吸附率肋与脱驸滠度7 褶平衡，臌力为冷凝温度下的饱和压 力只，。最太吸驸麓与最小吸附量之麓f 4 善确嘞j 即为辩嫩予单位质量吸附剂的制冷 剂循环质量。 1 2 。3 豢薅蔽辫爨疑毅瓣王蒺髯孝 根据吸附制冷循环的基本原理，通常对固体吸附剂的拦浆肖 7 ，8 、9 3 ： ( 1 ) t t 袋掰粳大，内部其宥弼络结构的微孔通道 ( 2 ) 吸驸容鬣大 ( 3 ) 啜瓣力，l 、。孬生涯壤繇，减少话琵嚣骧瓣鐾戆残余爨 ( 4 ) 暇辩热小，循环的经济性嵩 ( 5 ) 与吸跗物之间无破坏性作用，即吸附剂与吸附质接触愿，吸附剂奉身描橹不遭 破坏 ( 6 ) 吸附速度快，较易达到吸附平德 ( 7 ) 院熬夺，热簧导挂好，胃秘逮吸黠帮瓣瓣过程 ( 8 辩攥、瓣蜜，瞳臻孛不产生羚寒，专承接魅詹誉骏骋 ( 9 ) 气流阻力小 ( i o ) 能掰嫩和多次使用 ( 1 1 ) 来澈宽慰 ( 1 2 ) 价格馁寂，经济性好 琵对于教辩矮( 镧冷裁) ，劐要求：翠链髂积蒸发潜热火；念适豹冰纛；逶当戆锪鞫 蒸汽压；无毒：不w 燃；无腐蚀性，育良好的热稳定性。 为了选择符食遂然要求的制冷体系至今尚未找到。哥前，从吸附荆的实用性来看，还 仅限于沸石、活饿炭、硅胶、氯化钙体系等。目前研究较多的吸附工质对主要有：活性炭一 甲酵、沸石一承、醭腔一农( 物理吸附) 耧氯健钙一氨( 纯学骥醛) 等等。薤其中又数翦秀 耱煞痘蠲最多。 一 1 2 3 i 活性炭体系 3 上海交通大学硕士学位论文 活性炭结构特点是具有非极性的表面，为疏水性和亲有机物质的吸附剂。因有利于从 气体或液体混合物中吸附回收有机物，故为非极性吸附剂。活性炭的特点是吸附容量大，抗 酸耐碱化学稳定性好，解吸容易，在较高温度下解吸再生其晶体结构没有什么变化，热稳定 性高，经多次吸附和解吸操作，仍保持原有的吸附性能。 活性炭一甲醇工质对因甲醇分子直径小，易于吸附，在活性炭上的吸附容量较大；吸 附量对温度变化比较敏感，解吸温度较低，一般为7 0 一1 5 0 。同时，甲醇的汽化潜热较大 ( 1 1 7 3 k j k j ) ，冰点低( - 9 3 3 c ) ，不腐蚀设备。因而，活性炭一甲醇被认为是最具实用化 的几种工质对之一。活性炭一甲醇的最高解吸温度不能超过1 5 0 c ，否则活性炭将促进甲醇 的分解，所以活性炭一甲醇吸附式制冷适用于温升( 吸附温度与蒸发温度之差) 小于4 0 ( 2 的场合，如利用太阳能制冰机或回收低温余热( 1 0 0 左右) 的低温制冷系统。 关于活性炭一甲醇吸附式制冷研究非常活跃。国内外学者的研究报道很多，目前已进 入试验样机研究及其商业开发的阶段。因甲醇在6 5 ( 2 以下的蒸发压力低于大气压，要求制 冷系统在负压下运行，对系统的密封性要求较高。然而更致命的缺点是甲醇蒸气剧毒，人吸 入一定量会导致失明，如有泄漏，极其危险，故开发其民用产品应非常谨慎。 1 2 3 2 沸石体系 沸石是一种含水架状结构硅铝盐，能大量吸附多种制冷剂，如水、氨、甲醇等。其吸 附量随吸附质蒸气压变化是非线性的，超过一定压力后，吸附量随压力变化不大，这表明在 压力较低情况下吸附量就可能接近饱和，因而制冷系统在较低压力运行时，吸附能力并不下 降，不影响制冷效果；或者说，提高冷凝温度对制冷量和系统c o p 影响不大，能使吸附制冷 系统在较大温度范围内冷凝散热而保持高性能，对环境的适应能力强。但它的解吸温度较高， 可达2 5 0 一3 0 0 。 沸石水工质对中，水的汽化潜热大，可达2 4 0 0 2 5 0 0 k j k g ，这是该制冷体系的最大 优点。沸石一水能在较大温升情况下使用( 7 0 c 以上) ，可放宽对吸附温度要求，有利于提 高吸附温度缩短循环时间和增加单位吸附剂制冷功率。故沸石一水体系被认为是几种较理想 工质对之一。然而，因水在沸石上的吸附等温线对温度变化不太敏感，需要在较高温度下脱 附，限制了它在低温热源方面的应用；又因水在低于0 时易结冰，低温下水的蒸汽压很低， 对制冷系统的真空度要求较高。 国内外学者对以沸石一水为工质对的吸附制冷系统进行了较为深入的研究。不少学者 对沸石分子筛1 3 x 一水的制冷特性及其制冷热泵性能进行大量实验研究表明：在通常工况 下，吸附床适宜的加热解吸温度为1 5 0 左右。在国外，美国沸石动力公司采用沸石一水为 工质对，已成功地进行了商业开发，推出了以太阳能为动力的制冰机和建筑物的空气调节装 置。 1 2 3 3 硅胶体系 - 4 一 第一章前言 硅胶是一种具有无定形链状和网状结构的硅聚合物，是一种亲水的极性吸附剂，很容 易吸附水蒸气，吸附性能稳定，在室温下可吸附水蒸气至其干质量的3 5 左右开始解吸；易 脱水，从5 0 c 开始脱水至1 2 0 。c 可以完全脱水。而水的汽化潜热大，因而硅胶一水就很自然 地被人们用作为吸附式制冷工质对。 硅胶一水吸附式制冷系统在7 0 1 2 左右的热源温度下运行，可获得良好的性能参数。因 在低压下，水在硅胶上的吸附量较小，限制了硅胶一水吸附式制冷的蒸发温度，所以硅胶一 水吸附式制冷常用于大循环量的空调和冷藏系统。对于硅胶一水吸附式制冷的研究比较深 入，从理论到商业产品开发均达到一定水平。硅胶一水吸附式制冷机具有良好的工业应用前 景，但作为民用空调的应用尚有设备体积大等问题。 1 2 3 4 氯化钙体系 将氯化钙在一定的条件下与氨、醇进行络合和解离反应用于制冷；以氯化钙为吸附剂， 氨等为制冷剂，采用太阳能或低温余热为动力的吸附式制冷热泵是吸附制冷领域的又一热 点。其中氯化钙一氧、氯化钙一甲醇工质对颇具实用化开发前景。 氯化钙和氨有良好的亲合性，l m o l 的c a c l 。可与8 m o l 的s 发生反应生成c a c l 2 8 n i h ，在 不同的温度和压力下，c a c l ：s n i 能分别脱去4 n i l 3 、6 n t t a 、8 。生成c a c l ：4 n i h 、c a c l 2 , 2 n i t 。、 c a c l z ，同时放出热量，而氨的沸点低，所以国内外不少学者将c a c l z 硼。工质对用于吸附式 制冷热泵系统。然而，氯化钙经多次吸附、再生循环后，吸附性能会有所下降。同时使用 氨为制冷剂，系统工作压力较高，对太阳能集热器要求高。因此，在实用化进程中还有许多 问题有待解决。 1 , 2 3 5 复合吸附剂 由于固体吸附剂的导热系数小。导致吸附剂与换热壁面之间接触热阻大，阻碍了吸附床 内传熟传质，限制了吸附解吸速率，严重影响吸附制冷效率。所以，近年来许多学者致力于 吸附剂导热性能的强化研究；一些加工成型的复合型吸附剂得以呈现。国外学者首先就导热 性能良好的铝粉和石墨加入吸附介质中，增强导热性能，随后有的学者将吸附剂与金属片混 合，或加入泡沫铜复合( 但单位重量吸附床的吸附量会减小) ，或将一些材料复合加工成块 状，增加吸附容量，使吸附介质和吸附换热表面紧密接触，降低接触热阻。国内有学者将导 热良好的高分子材料聚苯胺加入沸石中制成复合吸附剂，其导热系数比沸石提高四倍：经加 工成型吸附剂的导热系数比颗粒状吸附剂提高3 0 。还有人研究了压力对沸石聚苯胺硅酸 钠复合吸附剂与铜表面接触热阻的影响，实验表明只有维持一定的压力，保证吸附剂与换热 面紧密接触，才能有效降低热阻，强化传热。 - 5 - 上海交通大学硕毒学位论文 1 2 4 沸石一水工质吸附制冷技术的研究进展 1 2 4 1 沸石一承工质对的分析研究 沸石是天然绒人工合成的铝醚酸盐晶体，冀化学通式为： 酝2 p + 瓜；，r z i 0 2 m h 2 0 其中x 是金属离子膨”的价数。基本结构魑硅氧四面体和铝氧四面体。沸石具有优越 的w 逆吸驸脱附性能、离子交换悭能，能大量暇黠多种制冷翅，如永、氨和鸯机制冷麴， 冀等瀑疆辩线弱予b t u n a u e r 势粪弱第 墅，买餐筠显的 线链，在撮低蘸裁冷蒸气压条伟 下。吸附量接近饱和，超过一定压力后，吸附爨随压力变化并不大。因而，制冷系统在较低 的臌力下，吸附能力并不下降，从而具有较好的制冷效果。 瓣石一承豹啜瓣等涅绫鞍菇平缝，星承黪浅纯潜热大，熬楚该裁冷薛系瓣簸丈优点。 沸稻水能在较大温升情况下使用( 7 0 以上) ，可放宽对吸附温度要求，有利于提高吸附 温度缩短循环时间和增加单位吸附荆制冷功率。故沸石一水体系被认为是几种较理想工质对 之一。然嚣，因水在潴石上的吸鼢等湿线对温度嶷纯不太敏感，瓣要在较高温度下我酣，限 裁7 它在低温热滚方垂的应瑁；x 魏承在低子0 c 瓣荔结馥，低滋下承的蒸汽聪穰低，对截 冷系统的真空度鬻求较高。所以沸石一水体系比较适合于以高温热源为动力而蒸技温度高于 0 的制冷系统，如空调等。 嚣蠹 学者瓣较漭嚣一永为王瀵瓣豹暇錾澍冷系统遴孬了鞍势深入熬磅究。在蓬蠹严爱 珍等人的研究表明：n a y 分子筛吸附水的循环量可达0 1 8 5 4 k g k g ，制冷量为4 1 8 k j k g 。另 外，还有不少学者对沸石分子筛1 3 x - 水的制冷特性及其制冷热泵性能进行火量实验研究 袭明：在通常工况下，吸射藤适爨的加热解吸温度毙1 5 0 ，超过1 5 0 c ，继续疆嵩鳃吸滠 瘦，系统静c o p 臻绷不明显，显嚣簧更大的代价。僵可减少吸附裁填充量，鼠面减，、吸辩床 尺寸。 暇附制冷过程只在其吸附过稔中发生，因此多是间歇性的。这种系统能否得到巍业应用， 在镶犬翟寝上玫凌予褒用魏工纛霹，鏊蘸黠摹l 冷曩蔗糖牲麓懿磅宠基零上都是穷撬在锤环霹 究和系统研究之中。在描述吸附剂的吸附性能时，大多数运用i ) u i m b i n 的微孔填充理论和吸 附辫理论，采用赛验测试与理论参数拟合的方法，得出描述吸附性能的方程。 1 2 4 2 沸石水量质吸附制冷系统的研究进展 7 0 年代的能源危机为沸石吸附式制冷技术的发展提供了契机，促使吸附式制冷首先在 太期能应用的领域获得发展。1 9 7 8 年，美国的d 玉t c h e r n e v 援据沸石独特的 # 线性等温 啜辩经震，成功蜓建立了房震建缓空调帮取暖系统竣及太掰熊琢箱样辊。鑫获蚤j t c h e r n e v 采用天然沸石一水的制冷系统实验成功的报告发表后，各国学者在圈体吸附式制 一6 - 第一章前言 冷蠢委开震。7 广泛靛疆究。1 9 8 2 每法鹫麴d o p o n t 等建造了游舔1 3 x 一拳割冷系统磐东蒙特 利埃速疗了测试，该裂缝赣冷蕤努寄1 0 k g 天，箕太聚箍c o p 凳0 1 5 。g r e n i e r 等也惩1 3 x 建立了一个冷席，制冷量为4 5 盯天，c o p 为0 。1 。这些研究工作使吸附式制冷的基零机理 和理论得到初步亮罄朔发展，并筛选出糖性能较好的工质对如沸石一水、沸石乙醇等， 建立一些太阳能法籀和太鼯能翩溶祝样机。鞠时，在研究过穗中发瑗基于基本循环的吸附式 制冷系统存在蟹制冷过程不连续、效率低、功率小、周翘长等照陶题，需要胰工质慰性能、 镖环方式及蔽瓣臻瓣褥热传矮特攥等考嚣避行改进。嚣瑟，冀瓣豹疆究工终主娶鬻绕这麓阔 题的解决丽震_ 歼。9 0 年代保护环境的呼声和强扰传统的蒸气聪编溅制冷技术酌c f c s 问题再 次为吸f ! 式制冷技术提供了良好的发展机会。吸附式制冷技术农太阳能冰箱、废热热袭铸方 面的应用得到了广泛的研究，同时由于无运动部件、无噪声、抗振性好等优点在船舶伟4 冷、 汽车空调、列攀象调方蟊得裂了较多鳃成爆。 翟肉匏蔽瓣斌麓冷系统戮专耩文熬为童。在“狡辩式翻冷搬”专巅中，采掰分予瓣捧啜 辩裁、套管式暇辩臻、臻气疆动，矫鬻毫熊不超过嚣- $ j j 冷羹聪镶式制冷规耗电箍释1 3 0 ： 但文献没有提供该制冷机c o p 等性能方面的数据。在“管状单冗式分子筛吸附制冷装置“利 用余热制冷的吸附制冷机”专利中，采用分子筛一水为工质对、肋片管式发生器，属于单床 耀环。在“吸附式涟续毒冷车用空璃装鬣”专利中，系统为辫藤赫綦本循环。 总之，墨瓣嚣海豁已寿的吸鼹式制冷系统巍处崔实验室徉搬瓣鞭究阶段，在将吸附式铡 冷技术推商市场藏弼熬过程孛，在缝擒简化、经能提高、成零掰低等方面还需要进行大溪的 研究工作。但怒，吸附式制冷研究方西己取得的丰硕成果融为这一目标的实琥奠定了爨好 的基础，并展累了广阔的前景 1 0 、1 l 、1 2 ， 1 3 太耀襞制冷的聚突遂震 1 3 1 研究背景 骧着传统的鬻娥麓深危辊霜盏淹邋，灭然资源祭稃更翔慧他，蠢瀵、天然气将崔= 十一 世纪消耗殆尽。与此阏拜重，睫考科学技术的遴步帮社会经济豹发袋，慰戆源的震袋不群扩大， 能源豹谤耗量越以凡何级数增掘。常麓能源豹大量渣费对全球环境产生了严重的危害，赢按 影响到人类的生存环境。这种严峻的形势迫使人类发动一场拼的“驻源革命”。 “能源革命”的拨心是开发利用新韵绿色能源和能源的清溜、离效利用。这将意昧着以 石油为骨干、以煤擞为基础的能源体系逐步向资源丰富的核能、水能、太阳能、。风熊、她 热能、海洋戆、艇彩壤缝、氢能餐虢型综念麓深钵系过渡，孥歉簌壤零上鼹决笺源恁飒秘餮 缓危枕。 在今后鼢3 0 每中新的可再生能源的利用会不断发震，辩太阳畿、风藐和现代的生物质 能等。但是，这蟥可樽生能源不会很快地火舰模进入能源市场，这服有技术因素也有经济因 。， 上海交通大学硕士学位论文 素。因此政府优惠的税收政策和其它激励措施将有助于新能源的利用和发展。 新的可再生能源系统投资成本一般都比矿物性燃料系统高，因为在系统运行开始时。就 需要支付相当于设备使用期内的燃料的费用。为了成功地利用新能源，应重视使用期成本问 题t 努力降低高资本投资的风险。当前人们对开发新能源的热情大部分是担心燃烧矿物性燃 料引起气候变化和对环境的污染。如果对所有不同形式的能源都坚持采用同样的环境标准， 那么使用可再生能源的外部成本要比使用常规能源的外部成本低得多。当前，在微观经济决 策时，还没有考虑这些外部成本。如果考虑这些外部成本，再设法提高能源效率，那么以可 再生能源为主的新能源在能源市场中的占有率则会大大提高。经过长期的努力，全世界最终 会在矿物性燃料，核能和可再生能源的能量供应之间达到可持续的平衡，这是在“生态驱动” 下能源消耗的最有希望的出路。 太阳能是一种可持续利用、既清洁又到处都有的能源。到达地面的太阳能远大于人类所 需的能量。虽然太阳能的能流密度低( 最大约l k w m 2 ) ，加之具有不连续及不稳定等特点， 必然会较大幅度地提高太阳能装置的一次性投资，从而为其利用带来很大困难。但它具有无 污染及运行费用低等特点，在矿物燃料已存量不多和环境污染日益严重之时，太阳能的研究 和利用工作愈来愈受到世人的关注和重视。 1 3 2 太阳能制冷的前景 一般的太阳能热利用项目，如供暖、热水等等，在需求上其实与太阳能的供给并不完全 一致：当天气越冷、人们越需要供暖的时候，太阳辐射能量的提供往往不足。从这个角度来 看，太阳能空调的应用是最合理的：当太阳辐射越强，天气越热的时候，我们需要空调的负 荷也越大。这是太阳能空调应用最有利的客观因素。另外，它也是作为一种在电力不可利用 的地区进行冷藏和降温的好方法。 近几年来，太阳能热水器在国内市场迅猛发展，全国太阳能热水器的使用量已超过1 0 0 0 万平方米，每年增长超过2 0 0 万平方米，由此可见，太阳能热水器的使用量和需求量都非常 大，市场前景非常好。同样，空调的需求也是一个巨大的市场。如果把供热与空调结合起来 将是一个非常理想的方案。这也是太阳能空调实现推广应用的市场基础。同时太阳能制冷空 调的关键技术也已经成熟。( 1 ) 在太阳能集热器方面，如真空管集热器、平板集热器等都已 经在市场上推广应用；( 2 ) 在制冷机方面，溴化锂吸收式制冷机已在九十年代大量地进入了 市场，它的热源温度低，适合于太阳能的利用：( 3 ) 在系统方面，也已经积累了丰富的经验。 因此，太阳能空调应用在技术上是可行的。 太阳能热水器的经济性问题，市场已经作了很好的说明：我国以太阳能热水器、太阳能 温室为主的太阳能热利用产品的生产企业已超过5 0 0 家，产量和应用数量已居世界首位，有 的产品已进入国际市场；太阳能产品的年产值已达几十个亿，现在还有大幅增加的趋势。太 阳能空调建立在太阳能热水应用的基础上，利用的是夏天用不完的能源。使太阳能得到充分 窖 第一章前言 的利用。增加的投资只是制冷机部分，而这部分的投资在常规空调方面也是需要的。如果能 很好的解决其这部分的成本问题，那么它也有很好的经济性。 另外，随着经济的发展和人们生活水平的提高，空调的需求量越来越大。在一般民用建 筑物，空调的能耗占了一半以上，这给能源，电力和环境带来了很大的压力。而火电的发展 同时也带来废气排放，温室效应和酸雨等环境问题；空调机的制冷剂( c f c 8 ) 还会对大气 臭氧层造成破坏。而太阳能空调用的是清洁的太阳能，制冷过程也没有污染环境的危险，系 统本身是符合环境保护要求的。另一方面也节省了电力和燃料，间接上减轻了环境的压力， 太阳能空调的应用完全符合可持续发展战略的要求 总的看来，与太阳能供热相比，目前太阳能制冷还不成熟。制冷要求热源有较高的温度， 再需经历一个制冷循环。因此传统的太阳能制冷系统设备复杂，成本较高，发展较慢。但即 使如此，人们对太阳能制冷的热情依然不减，太阳能应用于制冷具有诱人的前景，原因主要 在于： 1 日照高峰期与冷量需求的高峰期往往是一致的( 季节性) ； 2 日照丰富的地区常常对制冷空调的需求也大( 地域性) ； 3 分散、缺电而夏天炎热的地区，太阳能制冷空调更具竞争性( 特殊性) 。 加上太阳能丰富无污染的优点，可以预计太阳能制冷必将成为太阳能利用的一个重要领 域。 1 3 3 太阳能集热器的种类 如今，能用于制冷的太阳能集热器有很多种，分别简述如下 3 j ： 1 平板式太阳能集熟器 该集热器成本低，集热温度一般不超过1 0 0 c ，热效率较低。 2 真空管太阳能集热器 可利用该集热器产生9 0 以上的热水或超过1 0 0 c 的导热油作为制冷系统的热源，热效 率较高，成本适中。 3 非跟踪聚焦型太阳能集热器 如采用c p c 复合抛物面反射镜，低聚焦比，无须跟踪阳光，集热温度能达1 0 0 c 以上， 成本适中，热效率中等。 4 跟踪式旋转抛物面聚焦型太阳能集热器 该集热器聚焦比大，集熟温度高、效率高，但需二维跟踪，成本高。在聚焦区集热能产 生高温流体。 5 跟踪式线性抛物面聚焦型太阳能集热器 该集热器的聚焦比一般低于旋转抛物面，但大于c p c ，聚焦区为线型，载热流体在集热 - 9 上海交通大学硕士学位论文 管内流过能升到较