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太阳能吸收式制冷系统报告,太阳能,吸收,制冷系统,报告
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太阳能吸收式制冷系统报告杨天航 1352783 自动化摘要随着化石燃料的逐渐耗尽,各国都开始着手研究新能源和可再生能源。太阳能是新能源的一种,而太阳能制冷是太阳能利用的重要组成部分。太阳能空调制冷最大特点是与季节的匹配性好,夏季越热,太阳能空调系统制冷量也越大。太阳能驱动的制冷机可分为三类:吸收式、压缩式和喷射式。该文主要介绍了以溴化锂水溶液、氨水溶液作为循环工质的吸收式制冷系统,对两类制冷系统的优缺点作了分析,希望通过该文能使读者对太阳能吸收式制冷有一个大致了解。一、 太阳能吸收式制冷系统原理及结构框图吸收式制冷系统的的工质为两种物质组成的二元溶液。由于这两种物质在同一压强条件下拥有不同的气化温度。所以在同一容器中由于蒸发的作用,溶液的浓度随温度发生变化。温度升高,低沸点物质蒸发,浓度上升,同时对气化物质吸收能力加强。气化物质经过循环后可被浓溶液吸收,溶液浓度下降,开始进行下一次循环。我们将高沸点的物质成分成为吸收剂,低沸点的物质成分称为制冷剂,在系统中循环制冷的就是制冷剂。由于是利用吸收剂质量分数的变化来完成制冷剂循环的,所以将之称为吸收式制冷。吸收式制冷系统主要有以下设备:蒸发器、冷凝器、节流阀、吸收器、发生器等。发生器的作用是加热、释放制冷剂,太阳能的利用也是体现在这一部分。蒸发器是用来吸收制冷剂蒸汽的,也是整个吸收式制冷系统制冷的部分。另有溶液热交换器是为了是平衡能量的内部利用,提高效率。二、 太阳能吸收式制冷系统特点吸收式制冷机使用的工质是2 种沸点相差较大的物质组成的二元溶液,其中沸点低的物质是制冷剂,沸点高的物质是吸收剂,因此又称其为制冷剂-吸收剂工质对。吸收式制冷机经常使用的有氨-水吸收式制冷机和溴化锂-水吸收式制冷机。两者比较如下表所列。太阳能吸收式制冷系统由于利用太阳能,所以其工作温度低,即使采用特殊的集热器,也只有100 左右。因此,其制冷循环方式一般都是采用单效方式,有单效单级和单效双级2 种。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,其性能良好;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120130 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68 6。太阳能吸收式制冷系统的应用按照温度不同可分为三类:空调(815 ),冷藏(08 ),冷冻和制冰等(低于0 )。其特点简单总结如下表所列三、 太阳能吸收式制冷系统的应用与效益(1)具备所有太阳能制冷系统的优点:节能、经济、清洁和环保。(2)由于在低温蒸发制冷部分采用压缩式制冷,使吸收制冷系统的蒸发温度无需很低,从而较大程度上提高了系统的效率。对于加热水温度的要求也降低了,从而对集热器的要求较低,可大大地节约集热器的初投资。(3)在太阳能供给充足时,由于与常规的压缩制冷系统相比,复合式系统的冷凝温度大幅降低,使系统的COP得到较大程度的提升并节约电能。(4)在太阳能供给不充足时,系统仍可高效地运行。太阳能主要用于对压缩制冷系统的制冷剂进行过冷,同时压缩制冷系统的高温高压的制冷剂可有效地使吸收制冷系统的稀溶液的温度得到提升,从而对能量进行回收。此时的系统由于有了过冷部分的存在,比起常规压缩制冷系统来说,也可节约一些能源。(5)在太阳能完全没有的情况下,此系统相当于1个普通的水冷式压缩制冷系统,较之常规空冷式制冷系统还具有高效的特点,具有极高的能效比。四、太阳能吸收式制冷系统的发展趋势过去几十年中,虽然世界范围内在太阳能吸收式制冷系统方面的研究取得了一系列成果,但是到目前为止,太阳能吸收式制冷系统的实用性还远远不能满足需求。随着地球常规资源的日益匮乏和环境污染的加剧,以及人类生活水平的提高,必然会对清洁能源的开发利用提出更高的要求。展望未来,太阳能吸收式制冷可能会在以下几个方面取得突破性进展:(1)对太阳能集热器的认识。太阳能集热器将成为建筑的一部分,这样将更有效地增大太阳能的集热量以及集热效率。目前太阳能集热系统成本居高不下,很大程度上就是受集热器的限制。(2)对太阳能吸收式制冷机的进一步优化、标准化后批量生产。优化的目的在于获得性能更好的制冷机,将大大促进太阳能吸收式制冷系统的普及推广与商品化。(3)太阳能吸收式制冷机的小型化。小型太阳能吸收式制冷机的性能受到太阳辐射强度和冷却水温度的影响,如果太阳能不能使热水达到发生器的温度要求,系统就不能运行。而目前国内空调企业生产销售的热水型溴化锂吸收式冷水机组系列产品容量较大,吸收式制冷系统庞大,运行复杂,显然不宜用作小型建筑空调系统的制冷设备;容量适宜的小型吸收式制冷机是使太阳能空调系统付诸实施的必要条件。(4)太阳能吸收式制冷和高效热泵装置以及其他清洁能源(如地热源)利用装置的结合,将会满足不同地区的气候需要。四、 结语太阳能是一种可再生的绿色能源,推广应用太阳能是建设领域节能减排的一项重要工作,也是贯彻落实科学发展观,实现经济社会可持续发展的重要举措。国内外很多同行对太阳能制冷系统已有一定的研究,并有很多应用实例,但总体来说制冷效果尚不理想,在阳光不足或没有阳光时的运行状况较差。希望越来越多的新型太阳能制冷系统克服以上缺陷,同时优化系统各零部件设计,使太阳能制冷系统得到改进并应用到实际中。参考文献【1】 宛超,刘益才,张明研,辛天龙,太阳能吸收式制冷系统概述(中南大学能源科学与工程学院)【2】 孟祥锋,周仪,太阳能吸收式制冷系统新进展(链接:/view/0fc3c3d9a58da0116c1749ea.html)【3】 太阳能溴化锂吸收式制冷系统(链接:/link?url=1-KDJr34i3iw7lUcevP8LdGbTqL0BZTCo_Fn2yXnT8Oe4EmkUzH7dbOmsWE5Y4MXbjIMiqQm88x1TKOPLhtZKD7hlNwW3j7l7BdWsw-dxXq)【4】 FAN Y,LUO L,SOUYRI B. Review of solar sorption refrigeration technologies: Development and applications J. Renewable and Sustainable Energy Reviews(链接:/science/article/pii/S1364032106000359)太阳能吸收式制冷系统概述宛超, 刘益才, 张明研, 辛天龙(中南大学能源科学与工程学院, 湖南长沙410083 )摘要: 介绍了太阳能吸收式制冷系统的发展和现状, 分析了太阳能吸收式制冷系统的特点, 并与吸附式、电动压缩式制冷系统进行了比较, 对不同的研究工作进行了归纳总结, 最后展望了太阳能吸收式制冷系统未来的发展方向。关键词: 吸收式; 太阳能; 发展方向中图分类号: TB657文献标识码: A文章编号: 1006- 7086 (2009 ) 03- 0137- 06A REVIEW FOR SOLAR ABSORPTION REFRIGERATION SYSTEMWAN Chao, LIU Yi-cai, ZHANG Ming-yan, XIN Tian-long(School of Energy Science and Engineering , Central South University,Changsha 410083, China )Abstract:A review of the development history and state of solar absorption refrigeration system is presented. Thecharacteristic of the solar absorption refrigeration system is analyzed and then compared with solar-powered adsorption andelectric compression refrigeration system. The research states of different arts are introduced and summarized, thedevelopment trend of the solar absorption refrigeration system is being anticipated in the end.Key words:absorption; solar-powered; development trend1引言利用太阳能和其他废热可有效缓解世界范围内的能源紧张和环境污染,而太阳能制冷正是太阳能利用的一个重要方面。 太阳能空调制冷最大特点是与季节的匹配性好, 夏季越热, 太阳能空调系统制冷量也越大。太阳能驱动的制冷机可分为三类:吸收式、 压缩式和喷射式。太阳能吸收式制冷技术起源于 20 世纪 30 年代,但因成本高, 效率低, 因而没有受到重视。 1960 年太阳能吸收式制冷系统开始应用于空调领域,由于上世纪 70 年代世界性能源危机的影响, 吸收制冷受到了发达国家的重视, 西方发达国家开始对太阳能吸收式制冷系统进行大规模的实验研究。到 1976 年, 美国共安装了约 500 套太阳能空调系统,其中大部分采用溴化锂吸收式制冷方式。与此同时, 日本也开始建造第一个太阳能加热和制冷系统。 该系统采用平板集热器和吸收式制冷机1。截至 2004 年, 在欧洲建立了大约 70套太阳能制冷系统, 大多数在德国和西班牙, 如图 1。其制冷量超过 6.3 MW, 太阳能集热器的面积超过 17 500 m2, 其中约 59%为太阳能吸收式制冷系统3。收稿日期: 2009- 05- 06.基金项目: 广东省教育部省部结合产学研项目 (2006D90304011 ) 资助。作者简介: 宛超 (1984-) , 男, 湖北省黄冈市人, 硕士研究生, 从事制冷与低温相关研究。真空与低温Vacuum Cryogenics第 15 卷第 3 期2009 年 9 月137真空与低温第 15 卷第 3 期我国目前对太阳能的利用主要是用太阳能热水器提供生活热水, 为了适应低温余热和太阳能的利用, 中国科学院广州能源研究所从 1982 年开始进行了新型热水型两级吸收式溴化锂制冷机的研制工作。 1997 年,在 “九五” 科技攻关项目 “太阳能空调及供热示范系统” 支持下, 研制了一台 100 kW 的两级吸收式制冷机, 并成功地应用于太阳能系统中4。 目前我国太阳能制冷系统还处于示范工程阶段。 自从 1987 年在深圳建立首个太阳能吸收式制冷系统以来, 现在至少有10 套太阳能制冷系统工程投入使用, 其中包括太阳能吸收式制冷系统和太阳能吸附式制冷系统, 其性能参数如表 1 所列。表 1中国 4 个比较有影响的太阳能吸收制冷示范工程性能参数5参数集热器类型集热器效率制冷机类型驱动热源温度/制冷机性能参数太阳能利用系数江门乳山平板真空管0.450.40吸收式75880.450.570.250.20天普北原真空管真空管0.400.42759083880.800.750.200.300.252太阳能吸收式制冷系统2.1太阳能吸收式制冷系统特点吸收式制冷机使用的工质是 2 种沸点相差较大的物质组成的二元溶液, 其中沸点低的物质是制冷剂, 沸点高的物质是吸收剂, 因此又称其为制冷剂-吸收剂工质对。 吸收式制冷机经常使用的有氨-水吸收式制冷机和溴化锂-水吸收式制冷机。两者比较如表 2 所列。表 2氨-水吸收式制冷系统与溴化锂-水吸收式制冷系统比较工作介质氨-水溴化锂-水COP 较高;工作压力较低;环境友好型介质, 无毒;制冷介质潜热大。溴化锂相对价格较高;溴化锂水溶液容易形成结晶。蒸发温度低于 0 。有一定毒性, 对人体有害;需要整流器;工作压力较高。优点缺点太阳能吸收式制冷系统由于利用太阳能, 所以其工作温度低, 即使采用特殊的集热器, 也只有 100 左右。 因此, 其制冷循环方式一般都是采用单效方式, 有单效单级和单效双级 2 种。 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, 其性能良好; 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 120130 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 68 6。太阳能吸收式制冷系统的应用按照温度不同可分为三类: 空调 (815 ) , 冷藏 (08 ) , 冷冻和制冰等 (低于 0 ) 。其特点简单总结如表 3 所列。表 3太阳能吸收制冷系统应用简单总结5制冷机性能系数太阳能利用效率1.000.3500.700.3150.450.250制冷机类型集热器类型蒸气驱动双效聚光式集热器热水驱动单效单级真空管集热器热水驱动单效双级真空管或平板集热器热源温度/日均太阳能收集效率/130358590456575551382.2太阳能吸收式制冷系统与太阳能吸附式制冷系统比较两类系统比较如表 4 所列。表 4太阳能吸收式制冷系统与太阳能吸附式制冷系统比较1系统吸收式吸附式除了阀门外没有其他的运动部件;能够获得较低的温度;与其他的余热利用系统相比, 热利用性能系数较高。系统比较笨重, 吸附剂热导率较低, 大制冷量系统可能存在运行不稳定的问题;较低的运行压力, 对气密性要求较高;对温度变化很敏感,尤其在晚上较低温度时系统一般间歇运行。仅有泵是运动部件, 小型系统可能没有运动部件;供热温度较低。COP 较低;不能达到较低的蒸发温度;系统比较复杂。优点缺点2.3太阳能吸收式制冷系统与压缩式制冷系统的比较将太阳能吸收式制冷系统与压缩式制冷系统进行比较, 可以看出太阳能吸收式制冷系统具有以下特点7:1 ) 可以利用各种太阳能驱动, 大量节约用电;2 ) 结构简单, 运动部件少, 安全可靠;3 ) 以水或氨为制冷剂, 其 ODP、 GWP 都等于零, 对环境和大气臭氧层无害;4 ) 热力系数 COP 低于压缩式制冷循环。2.4单效、 双效及三效溴化锂-水吸收式制冷系统比较如图 2 所示。单效、 双效、 三效溴化锂-水吸收制冷系统随热源温度在一定范围内改变, COP 的范围分别为 0.150.70、 0.601.20、 0.901.70。受热源温度限制, 大多数吸收式制冷系统为单效式, 多效式吸收制冷系统需要较高的热源温度。21.81.61.41.210.80.60.40.2050100150200250冷冻水温度: 7.0 冷却水温度: 30.0 卡诺循环三效单效双效供热温度/图 2单效、 双效及三效溴化锂 - 水吸收制冷机的 COP 随热源温度变化比较83国内外研究现状对太阳能吸收式制冷系统的研究手段包括实验研究和计算研究。实验研究可靠性好,但是采用实验研究的方法只能对已有的系统或部件进行性能测试, 而且费钱、 费力、 费时, 而通过建立仿真模型进行计算研究已逐渐发展成为一种有效的研究手段。 为了使研究更深入, 一般都是采用两者相结合的方式。综合世界范围内的不同研究工作, 大致可分为以下 3 个研究重点。(1 ) 以太阳能吸收式制冷系统的循环形式为研究重点宛超等: 太阳能吸收式制冷系统概述139真空与低温第 15 卷第 3 期C.O. Rivera 等9针对墨西哥等国提出了一种新型间歇性吸收式制冷系统, 如图 3 所示。 该系统比较简单,采用氨-硝酸锂为工质对。 结果表明, 当发生器温度约 120 、 冷凝温度在 4044 , 系统每天能够制取 11.8kg 冰, 系统总的性能系数随着发生器和冷凝器温度的改变在 0.15 到 0.40 之间变化。W.B.Ma10, 刘艳玲等11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 2 个显著的特点,一是所要求的热源温度低,在 75 到 86 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 。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。模拟结果和经济分析表明,这种适宜家用的小型太阳能吸收式制冷系统相对于风冷热泵和传统的双效吸收式制冷系统具有很大优势。图 4联合制冷系统流程冷凝器空气分离器精馏装置发生器太阳能集热器换热器节流阀节流阀吸收器压缩机蒸发器姜锁利等12设计了一种新型太阳能吸收式制冷系统的发生器, 利用喷嘴把溴化锂溶液切向喷射到发生器中, 通过溴化锂溶液在发生器内的旋转流动, 有效降低发生器内部压力, 达到降低溴化锂溶液蒸发温度的目的。杨启容等13为了扩大太阳能吸收式制冷系统的适用范围, 从功量补偿角度出发, 提出基于太阳能吸收式制冷与蒸气压缩制冷的联合制冷系统,如图 4 所示。从工作原理上分析了联合制冷系统的循环模式的可行性, 它可根据太阳辐射的强弱在蒸气压缩制冷与吸收式制冷之间切换和组合, 使太阳能吸收式制冷系统的适用性大大增强。万忠明14提出了一种新型高效太阳能溴化锂吸收式制冷循环, 在传统的两级吸收式循环的基础上,将高压发生器发生的溴化锂溶液与低压吸收器吸收后的溶液混合,在发生温度与压力允许的范围内,使高压吸收器的吸收剂浓度较两级吸收式循环高,从而在相同的冷凝条件下减小了压力。 与传统的两级吸收式制冷循环进行比较, 结果表明, 影响系统性能的主要因素是溶液浓度及低压发生器压力, 新型吸收式循环的发生热源温度在 7585 ,系统的热力系数最高可达 0.605,热源可利用温差最大可达33.5 , 其性能在传统循环基础上有较大提高, 效果较明显。徐士鸣等15提出以空气为携热介质的开式太阳能吸收式制冷循环系统, 如图 5 所示。 用热空气代替传统闭式循环中的加热蒸气或热水, 利用溶、 质交换140完成发生过程。 开式系统的最大好处是整个太阳能空调系统的总造价比闭式系统降低很多。 开式系统的主要缺点是技术尚未完全成熟, 要使其得到推广使用还需要做深入的研究和开发工作。 这个系统可以应用的领域广泛, 在白天太阳辐射充足时系统进行制冷, 并且将多余的溶液储存起来, 在晚间或是太阳能不足时提供制冷所需的溶液。(2 ) 以太阳能集热器为研究重点Jess Cerezo 等16探讨在低温余热驱动的吸收制冷条件下, 工作流体在平板换热器中的换热机理。 实验采用了一种具有波纹结构的平板换热器 NB51, 结果表明, 工作流体的换热效率在 2.75.4 kWm-2K-1, 同时对影响系统性能的相关重要参数进行了分析。M. Mazloumi 等17对在伊朗国家的 Ahwaz 地区的单效溴化锂-水吸收式制冷机系统进行模拟, 重点是太阳能集热器。研究结果表明, 集热器中水的质量流量大小对选择太阳能集热器的最小面积影响很小, 但是对选择适宜的热水箱容量有很大影响。所需的最小集热器面积约为 57.6 m2。F. Assilzadeh 等18针对马来西亚等国热带地区的太阳能吸收式制冷系统进行研究。 该系统包含太阳能真空管集热器和溴化锂吸收单元。基于 TRNSYS 建立了数值模型, 分析结果表明, 对于制冷量为 3.5 kW 的系统, 最优的真空管集热器换热面积为 35 m2, 倾斜度为 20。(3 ) 以太阳能吸收式制冷系统性能为研究重点M.M. Ardehali 等19针对带有辅助热源的太阳能溴化锂-水吸收式制冷系统, 研究了空气污染对太阳能系统的性能影响。 建立数学模型后, 在一定的制冷量条件下, 通过分析空气洁净度对辅助热源的影响, 发现当空气洁净度从 0.63 降到 0.52 后, 所需的辅助加热量增加了 67%, 由此可见, 空气的洁净度对太阳能吸收具有重要的影响。赵宗祥等20研究在太阳辐射动态变化的情况下, 对制冷量为 5 kW 的水冷式太阳能吸收式制冷机的性能进行了模拟, 获得了集热器出口水温随时间变化的曲线, 以及在此规律的影响下吸收式制冷机的性能曲线。模拟结果表明, 水冷式太阳能吸收式制冷机在理论上是切实可行的, 但是集热器出口水温度的变化以及冷却水温度对系统性能有较大的影响。冷却水温度越低, 系统的性能系数越高。陈金灿等21应用太阳能集热器的线性热损失模型和内可逆三热源制冷循环在线性唯象律下的基本优化关系,导出太阳能制冷系统集热器的最佳工作温度。 邹同华等22将太阳能应用于溴化锂吸收式单效和双效制冷空调系统, 对其性能参数进行了理论分析和计算, 得到了系统所需的适宜的太阳能热源温度, 结果表明, 在一定的条件下, 太阳能溴化锂吸收式制冷循环的性能系数有一最大值。对单效机而言, 达到最大值时的集热器温度在 90 左右; 而对双效机而言, 达到最大值时的集热器温度为 155 左右。4结束语过去几十年中, 虽然世界范围内在太阳能吸收式制冷系统方面的研究取得了一系列成果, 但是到目前为止,太阳能吸收式制冷系统的实用性还远远不能满足需求。随着地球常规资源的日益匮乏和环境污染的加剧, 以及人类生活水平的提高, 必然会对清洁能源的开发利用提出更高的要求。中国制定的新能源法在 2006年 1 月 1 日也正式开始执行。“十一五发展计划纲要” 中明确提出, 政府将加大包括太阳能在内的清洁能源的研究力度, 争取在实用性上取得突破进展。展望未来, 太阳能吸收式制冷可能会在以下几个方面取得突破性进展。(1 ) 对太阳能集热器的认识。太阳能集热器将成为建筑的一部分, 这样将更有效地增大太阳能的集热量以及集热效率。目前太阳能集热系统成本居高不下, 很大程度上就是受集热器的限制。(2 ) 对太阳能吸收式制冷机的进一步优化、 标准化后批量生产。 优化的目的在于获得性能更好的制冷机,将大大促进太阳能吸收式制冷系统的普及推广与商品化。(3 ) 太阳能吸收式制冷机的小型化。 小型太阳能吸收式制冷机的性能受到太阳辐射强度和冷却水温度的影响, 如果太阳能不能使热水达到发生器的温度要求, 系统就不能运行。而目前国内空调企业生产销售的热水型溴化锂吸收式冷水机组系列产品容量较大, 吸收式制冷系统庞大, 运行复杂, 显然不宜用作小型建筑的宛超等: 太阳能吸收式制冷系统概述141真空与低温第 15 卷第 3 期太阳能空调系统的制冷设备; 容量适宜的小型吸收式制冷机是使太阳能空调系统付诸实施的必要条件。(4 ) 太阳能吸收式制冷和高效热泵装置以及其他清洁能源 (如地热源 ) 利用装置的结合, 将会满足不同地区的气候需要。随着人们对太阳能等清洁能源的日益重视和绿色建筑的兴起以及太阳能制冷技术的发展, 有理由相信,太阳能吸收制冷在未来将有着巨大的发展空间。参考文献:1 FAN Y,LUO L,SOUYRI B. 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