浅谈太阳能制冷技术的发展及应用.pdf

100 制冷与空调 2007年第1期 浅谈太阳能制冷技术的发展及应用 王默晗 姚易先 郝红宇 山东科技大学 青岛 266510 摘 要 太阳能制冷是近几年发展起来的一种新型太阳能利用技术 利用太阳能进行制冷可以有效降低常 规制冷方法而带来的巨额能源消耗 并减轻由于燃烧化石能源发电所带来的环境污染 目前太阳 能制冷技术研究的热点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 关键词 太阳能吸收式制冷 吸附式制冷 喷射式制冷 Superficial Discussing Development and Application of The Solar Refrigeration WangMo Han Yao Yi Xian Hao Hong Yu Shan Dong University of Science and Technology Qingdao 266510 Abstract Solar refrigeration is a sort of new solar using technology developing near several years The solar refrigeration can effectively reduce mint consume of energy sources owing to general equipment of refrigeration and it can alleviate the environment pollution due to burning the fossil energy sources Now the hot topic of the solar refrigeration is about the solar absorption refrigeration and the solar adsorption refrigeration as well as the eject refrigeration Key words Solar absorption refrigeration Adsorption refrigeration Eject refrigeration 王默晗 男 1970 年出生 山东科技大学机电学院热能与动力工程系讲师 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 2007 年第 1 期 制冷与空调 101 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 102 制冷与空调 2007年第1期 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 2007 年第 1 期 制冷与空调 103 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 下转第 32 页 32 制冷与空调 2007 年第 1 期 液体雾化是农业 能源和环境工程中一个关键 性多相流与传热传质学课题 而喷嘴的雾化效果又 是喷水室的关键 其雾化效果决定着喷水室对空气 的热湿处理效果 笔者将在本文的研究基础上进一 步用激光全息及图像处理技术 研究超声波喷嘴的 雾化性能参数 建立雾化的数学模型 优化喷排结 构 使这一新技术能够尽快在纺织 烟草 矿山等 行业中推广应用 参考文献 1 Faeth G M Spray Combustion A Review In Proc of the 2nd International Conference on Multiphase Flow Kyoto Japan 1995 2 Malvern Instruments LTD User s Guide for Malvern Particle Sizer UK 3 Helmut Paschold Wen Whai Li Hugo Morales John Walton Laboratory study of the impact of evaporative coolers on indoor PM concentrations J Atmospheric Environment 2003 37 8 1075 1086 4 Wen Whai Li Helmut Paschold Hugo Morales Julian Chianelli Correlations between short term indoor and outdoor PM concentrations at residences with evaporative coolers J Atmospheric Environment 2003 37 8 2691 2703 5 李刚 黄翔 流体动力式超声喷水室治理 煤灰纱 研 究 A 棉纺织技术 2005 33 7 20 22 6 张小艳 微细水雾除尘系统设计及实验研究 J 工业 安全与环保 2001 27 8 1 4 7 曹建明 喷雾学