太阳能吸附式制冷综述

太阳能吸附式制冷综述 学号 姓名 摘要 介绍了太阳能吸附式制冷的基本原理与特点 对吸附式制冷技术的研究 现状做了简要的分析 包括吸附工质对的性能 吸附床强化 系统循环与结构 在此基础上 介绍了太阳能吸附式制冷的应用 主要应用的方面有低温储粮 制冷与供热联合 吸附式空调 关键词 吸附式制冷 研究现状 应用 1 前言 随着能源与环境问题与社会经济发展矛盾的日益突出 新能源的发展越来 越受到各国的关注 对风能 水能 潮汐能的开发与研究力度不断增加 而这 些能源的利用与发展根本上说是离不开太阳的 在制冷空调领域 太阳能制冷 不仅可以减少电力消耗 同时由于没有采用氟氯烃类物质 不会对大气臭氧层 产生破坏 属于清洁能源 符合环保要求 另外 采用太阳能制冷其热量的供 给和冷量的需求在季节和数量上高度匹配 在夏季太阳辐射强 气温高 制冷 量就越大 因此 利用太阳能制冷技术对节约常规能源 保护自然环境都具有 十分重要的意义 太阳能固体吸附式制冷技术由于利用了太阳能而减少了对传统能源的使用 井通过使用天然友好的制冷剂从而避免了对环境的破坏 太阳能固体吸附式制 冷具有结构简单 初投资少 运行费用低 无运动部件 噪音小 寿命长且能 适用于振动或旋转等场所的优点 而且 太阳能在时间和地域上的分布特征与 制冷空调的用能特征具有高度的匹配性 因此 利用太阳热能驱动的固体吸附 式制冷技术的研究具有极大的潜力和优势 1 2 太阳能固体吸附式制冷基本原理 固体吸附式制冷是利用固体吸附剂 如沸石 活性炭 氯化钙 对制冷剂 如水 甲醇 氨 的吸附和解吸作用实现制冷循环的 这种吸附与解吸的过 程引起压力的变化 相当于制冷压缩机的作用 吸附剂的再生可以在65 200 下进行 这很适合于太阳能的利用 吸附式制冷具有结构简单 运行费用低 无噪音 无环境污染 基本不含动力部件 能有效利用低品味热源等一系列有 点 2 太阳辐射具有间歇性 因而太阳能吸附制冷系统都是以基本循环工作方式 运行制冷的 Critoph把太阳能固体吸附式制冷循环描述成四个阶段 即定容加 热过程 定压脱附过程 定容冷却过程 定压吸附过程 4 如图所示 表示一 个太阳能冰箱为原型的固体吸附式制冷装置 它的组成部分包括用太阳能供热 的吸附 发生器 冷凝器 蒸发器 阀门 贮液器 其工作过程简述如下 该过 程的热力循环如图所示 太阳能吸附式制冷机工作简图 热力循环图 1 循环从早上开始 关闭阀门 处于环境温度Ta2 的吸附床被太阳能集 热器加热 此时只有少量的工质脱附出来 吸附率x 表示单位质量的吸附剂对 制冷剂的吸附质量 近似为常数 吸附床内的压力不断升高 从蒸发压力Pe 升 高到冷凝压力Pc 此时吸附床温度达到Tg1 2 打开阀门 在恒压条件下吸附器中的吸附制冷剂继续受热直至温度达 到最大解吸温度Tg2 与此同时 被吸附的制冷剂不断地脱附出来 并在冷凝器 中冷凝 冷凝下来地液体进入蒸发器中 3 关闭阀门 此时已是傍晚 吸附床随太阳日照的消失逐渐冷却 相应 的内部压力下降到相当于蒸发温度下工质的饱和压力 即从Pc 下降到Pe 该过 程中吸附率也近似不变 最终温度为Ta1 4 打开阀门 蒸发器中的制冷剂液体因压力骤减而迅速汽化 实现蒸发 制冷 蒸发出来的气体进入吸附床被吸附 该过程一直进行到第二天早晨 吸 附过程放出大量的热 由冷却水或外界空气带走 吸附床最终温度为Ta2 由以上分析可见 太阳能吸附式制冷系统的工作循环过程是间歇式的 系 统运行时 白天为解析过程 晚上为吸附制冷过程 太阳能吸附式制冷主要存 在以下难点 4 1 吸附式制冷基本循环不能实现连续制冷 吸附床传热传质性能差 吸 附 解吸所需的时间长 循环周期长 系统调节滞后时间长 制冷功率低 制冷 系数小 能量利用率低 2 晚上制冷不符合空调用能规律 大大限制了太阳能吸附式制冷的应用 3 太阳能是低品位能源 且供能不连续 另外 太阳能集热技术难以保 证高温而稳定的驱动热源 因此 系统需要较低的驱动温度 这将是推广吸附 式制冷技术实用化进程所面临的最大的问题 4 吸附式制冷系统难以根据工况的变化迅速及时地做出稳定的调节 3 吸附式制冷研究现状 固体吸附制冷技术的商品化应用开发始于20世纪30年代 但在接下来大约 50年时间里 由于吸附式循环制冷机制冷效率低 一次性投资大 且当时正值 蒸汽压缩式制冷机蓬勃发展 致使吸附式制冷机的发展受到一定限制 自70年 代以来 由于全球性能源危机日益加剧 人们又重新审视这种以低品位热能为 动力的吸附式制冷技术 为提高制冷效率 降低操作费用 国内外学者做了大 量深入系统的研究 从吸附工质对性能 吸附床强化 系统循环及结构三个方 面推动吸附制冷技术的发展 5 3 13 1 吸附工质对性能吸附工质对性能 吸附制冷工质对是吸附制冷系统的核心 吸附工质对的性能对系统性能系 数 温升幅度 设备材料及系统一次性投资应用场合等影响很大 从根本上决 定固体吸附制冷系统的性能和结构 在不间的应用环境下 选用合适的工质对 不仅能大大提高制冷效率 还能节约成本 增强机制的安全性和可靠性 6 因 此 吸附制冷的关键就在于工质对的选择及性能强化 根据吸附制冷循环的基本原理 崔群 7 等人对吸附剂提出如下要求 1 吸附剂吸附容量要大 2 吸附等温线平坦 3 吸附容量对温度变化敏感 4 吸附剂与吸附质相容 对吸附质 制冷剂 要求 1 单位体积蒸发潜热大 2 合适的冰点 适当的饱和蒸汽压 3 无毒 不可燃 4 无腐蚀性 有良好的热稳定性 吸附剂可分为物理吸附剂与化学吸附剂 常用物理吸附剂大致有活性炭 硅胶 沸石 活性氧化铝和活性碳纤维等一些多孔性物质 化学吸附剂有金属 氧化物 金属氢化物 金属氧化物以氯化钙 氯化锶为最佳 8 而吸附质常用 的是氨 甲醇和水 目前常研究的吸附工质对主要有沸石一水 硅胶一水 活 性炭一甲醇 氨一氯化钙 氯化锶一氨等 沸石一水工质对的解吸温度范围较宽 70 250 使系统对环境的适应能 力强 但该系统蒸发温度大于0 不能用于制冰 另外系统是真空系统 对 真空密封性要求很高 而蒸发压力低也使得吸附过程较慢 需要在高驱动温度 下才具有较高的解吸速度 应用于太阳能制冷不是很理想 硅胶水一水的解吸温度较低 100 以下 解吸性能好 但超过120 硅胶 将被烧毁 且其吸附量较小 制冷能力较低 活性炭一甲醇是太阳能吸附制冷中应用最广的工质对 其吸附量较大 解 吸温度不高 100 左右 吸附热也较小 甲醇的熔点低 一98 使得系统 可用于制冰 但是甲醇温度超过150 将分解 另外 甲醇有毒 不利于其广 泛应用 华南理工大学的陈砺等 9 建立了化学吸附式制冷单元 对氯化锶 氨工质 对的制冷性能进行研究 实验研究结果表明 在相同的制冷工况下 氯化锶一 氨工质对的制冷量远远大于活性炭一甲醇工质对 在热源温度为100 时 他 们所用的工质对单位质量吸附剂的制冷量是活性炭一甲醇工质对的3 2倍 物理吸附过程简单 吸附多为多孔介质 接触热阻大 导热性能差 吸附 热利用率低 化学吸附过程复杂 设计质量热量传递及化学反应多个过程 影 响因素多且难以确定 吸附能力强 制冷效率高 3 23 2 吸附床强化吸附床强化 目前的吸附床大多采用平板式和圆管式结构 平板式结构单位容积内充装 的吸附剂量较大 板式吸附床制作工艺相对简单 传热传质效果好 易于添加 翅片等强化传热结构 但系统真空度较难保证 且整体比热容较大 圆管式吸 附床可在床内设置多根开有槽或孔的内插管作为吸附质的传质通道 有效减小 传质阻力 缩短吸附质进出床层的流程 减小压降 从而强化了传质 同时床 内温度场分布更均匀 内插管可直接与冷凝器管路相通 也有利于吸附质蒸汽 的合理流动 圆管式结构的传热效率高 承压能力好 因此各国研究人员多采 用圆管式吸附床结构以强化传热 从现有的理论基础和设备条件来看 增强吸附床内部的热传导无疑是提高 吸附床整体效率最便捷有效的方法 下图为无翅片 翅片和肋片 13X 水工质 对在三种床层结构下的脱附量随脱附时间的变化关系 可以看出 在相同脱附 时间下 简单二维模型脱附量最小 翅片和肋片换热型脱附量相当 但肋片换 热型脱附量更大 因此肋片换热型吸附床传热效果比较好 从结构安装上讲肋 片也比较合理的 10 兰青等 11 从改善吸附床的传热和接收太阳能的性能上着手 在使用钢化 玻璃代替表面钢板并增强吸收率的基础上 采用铜片将吸附床内部布置成蜂窝 状 使吸附剂均匀填充于吸附床内 从而减少了传热热阻 为了防止钢化玻璃 因负压而破碎 在吸附床里用七号槽钢做支架 同时也起到传热肋片的作用 在吸附床的底部用不锈钢丝网将制冷剂与吸附剂隔开 这样既不会使活性炭下 漏 也没有堵住制冷剂通道 经试验测试 采用该吸附床的太阳能制冰机可每 天制备4 7kg的冰和2 3kg的冰水混合物 COP约为0 157 李秋英等 12 使用分子筛一水作为工质对提出并设计了一种新型吸附床 其 结构如图所示 这种吸附床是在壳管式吸附床内放置多个吸附单元管 吸附单 元管内放置固体吸附剂 管中央留有传质通道 管外走传热介质 对管内吸附 剂进行加热和冷却 实现吸附床的制冷循环 吸附床的脱附速率如图所示 由 图可知吸附床内压力和脱附速率在加热初始阶段上升速度较快 达到最大值后 又逐渐下降这与太阳辐射的减弱是相当吻合的 这种结构有良好的传热性能 设 计的吸附床结构达到了以优化的目的 3 33 3 系统循环及结构系统循环及结构 目前 吸附式制冷循环方式取得了重要进展 提出了众多的循环方式 在 这里主要介绍连续回热循环 回质循环 对流热波循环三种吸附式制冷循环 13 3 3 1 连续回热循环 连续回热型循环是在基本吸附式制冷循环的基础上采用双吸附器构成的 连续回热型循环不但使制冷过程成为连续 而且通过利用吸附器A降温吸附过程 放出的部分吸附热量 称为回热 来加热吸附器B使其解吸 采用连续回热型循环 可以回收30 40 左右的吸附热 C0P比同样工况下的基本制冷循环的COP提高 50 70左右 其系统示意图和热力图如下 14 如系统示意图所示 连续回热型制冷循环系统的工作过程如下 1 假设换热流体沿图示方向流动 则吸附器1处于加热解吸状态 吸附 器2处于冷却吸附状态 打开阀门A和D 关闭阀门B和C 让吸附器1与玲凝器3 连通 吸附器2与蒸发器4连通 这样保持到吸附器1被加热到最高解吸温度 Tg2 吸附器2被冷却到吸附温度Ta2为止 制冷工作由吸附器2的吸附制冷过程 完成 2 改变换热流体的流动方向 则吸附器1处于冷却吸附状态 吸附器2处 于加热解吸状态 打开阙门丑和C 关闭阀门且和D 让吸附器1与蒸发器4连通 吸附器2与冷凝器3连通 这样保持到吸附器1被冷却到吸附温度Ta2 吸附器2被 加热到最高解吸温度Tg2为止 制冷工作由吸附器1的吸附制冷过程完成 1 2 过程交替反复 就可以达到连续制冷的目的 3 3 2 回质循环 如图所示a2 a3 g1 g2 g3 a1 a2为回质循环过程 采用A B两床反相 循环 A床循环由a2点开始 B床循环由g2点开始 当两床分别处于循环半周期 末 即状态g2 a2 A床温度和压力都很高 而B床则处于低温低压状态 此时 通过阀门将两床连通 可使A床的高温高压蒸气进入B床 这样A床在压力降低的 同时又促进了自身的解吸 B床则在压力升高的同时增加了吸附量 直到两床压 力平衡 图中的a3 g3点 为止 对应压力近似为冷凝压力和蒸发压力之平均 值 回质结束后的过程同基本循环 回质过程可以缩短循环时间 大幅度地提 高单位质量吸附剂制冷量 最高可达80 以上 从而大幅度提高循环制冷量 15 回质循环系统图 回质循环热力图 3 3 33 3 3 对流热波循环对流热波循环 如图 a 所示 制冷剂气体在床外的换热器中加热到一定温度后进入吸附床 在吸附床内制冷剂气体与吸附剂固体之间直接进行对流换热 制冷剂气体放出 热量而加热吸附剂 使之解析 解析出的气体随加热气流一起流出吸附床 气 体温度下降 一部分经气体循环泵送往换热器加热升温后继续用来加热吸附床 另一部分气体进入冷凝器冷凝成液体后流入集液器 加热解析过程结束 切换 系统使之进入吸附阶段 如图 b 所示 气体循环泵反向输送气体 将温度较低 的气体送入吸附床冷却吸附剂 使之降温并吸附制冷剂气体 出口处气体质流 量较入口处减少 依靠来自蒸发器的气体补偿 流出吸附床的气体经换热器降 温后由循环泵送往吸附床 无论是加热过程还是冷却过程 床内沿气流方向将 出现较陡峭的温度梯度 且随着时间的推移 温度梯度 温度波 沿气流方向移 动 16 当两床联合运行时 可将吸附过程中换热器放出的热量用来加热解析过程 中流出吸附床的气体而实现回热 为获得尽可能高的回热率 需要控制两吸附 床的运行使加热解析过程和冷却吸附过程相匹配 如何协调系统的运行 需要 通过实验或通过模拟计算加以研究 综合比较三种循环方式的特点 连续回热循环结构简单 容易实现 COP较 普通循环提高较大 回质循环可以缩短循环时间 提高循环制冷量 热波循环 可以大幅度提高循环效率 英国Critoph对该循环的近期研究表明 其COP可达 到0 9 连续回热与回质循环COP对比如下图所示 对流热波的循环的计算工况 和性能参数如下图所示 回热循环与回质循环比较 对流热波循环性能参数表 4 太阳能吸附式制冷的应用 由于空调制冷会消耗大量的电能 全国所有城市都出现了季节性用电紧张 因此需要寻找新的制冷方式 积极利用天然能源 太阳能吸附式制冷引起了人 们广泛的关注 可以应用于低温粮食储存 制冷与供热联合等许多方面 4 14 1 低温粮食储存低温粮食储存 太阳能吸附式制冷系统主要由真空管太阳能热水系统 吸附式制冷机组 冷却塔及风机盘管构成 循环方式是间歇式制冷 系统组成如图1所示 17 太阳能热水系统采用全玻璃u型真空管集热器 总集热面积为49 4m2 循 环水泵的运行由温差控制器单独控制 与制冷机组的运行无关 分层蓄热水箱 总容量0 6m3 挡流板上部的容量为0 24m3 上午 在制冷机组开始运行前 阀13关闭 阀12开启 热水箱中上部分的 水被快速加热 当热水箱中上部分的水温高于65cc时 制冷机组开始运行 此 后 阀13也开启 热水箱中下部的水也逐渐加热 下午 当热水箱中上部的水 温低于65 时 制冷机组停止运行 吸附制冷机组由两个相同的吸附单元及一个二级蒸发器组成 采用可编程 逻辑控制器PLC控制电动球阀 v0一V10 和真空阀 V11 的开闭 制冷机组可自动 以回热回质循环方式运行 每个吸附单元包含吸附器 吸附器中填充约50kg微孔 球形硅胶 冷凝器和蒸发器各一个 在两个吸附单元的蒸发器下面 设置了一 个二级蒸发器 冷冻水流经二级蒸发器 二级蒸发器下部的工质受热蒸发 蒸 发的工质与吸附单元的蒸发器进行冷凝换热 可实现冷量的单 向传输 减少冷量的损耗 从而提高系统的性能 太阳能吸附式制冷用于低温粮食储存系统图 实验测试结果表明 在16 2lMJ 井的太阳辐射条件下 该系统能够平稳 地向粮仓输送14 22 的冷空气 系统的日平均制冷功率约为3 25 4 43kw 太阳能制冷系数约为0 096 0 131 包括粮仓送风风机功耗的电制冷系数约为 2 03 2 77 与目前的谷物冷却机相比 太阳能制冷低温储粮系统具有较大的 节能优势 4 24 2 制冷与供热联合制冷与供热联合 为了实现不问断制冷 整个循环系统设置二个吸附发生器 它们交替运行 发生器由三部分组成 保温外壳 吸附床 循环水系统 由于采用了水浴式吸 附制冷方式 将吸附床置于热水箱中 通过加热水加热吸附床 系统传热性能 好 所以可以在保温外壳内设置大量吸附床 这样就相当于在同样大小的空间 内成倍的增加了系统的循环量 也可以说是大量节省了空间 这对太阳能吸附 式制冷这种要求大面积集热场地的制冷方式来说是非常可贵的 该循环方式的 结构如下图所示 循环工作过程如下 1 当发生器4解吸时 关闭真空阀门10和11 以及水阀17和19 打开水阀 18和20 处于初始温度的太阳能集热器3接受太阳辐射 吸附发生器4中的循环 水循环于发生器与集热器之间 循环水在集热器被加热 然后流到吸附发生器 中加热吸附床 一开始吸附床内只有小量的制冷剂脱附出来 吸附率近似为常 数 随着发生器温度升高 吸附床内部压力亦不断升高 从蒸发压力升高到冷 凝压力 此时四通阀27b c和a d想通 并打开真空阀10及节流阀9 随着太阳辐 射的积累 水温进一步升高 被吸附的制冷剂不断脱附出来 并通过放置于水 箱6内的冷凝器25 被冷凝为液体进入储液器7中 然后通过节流阀9进入蒸发器 8中 2 与此同时 发生器5吸附 与其连接的水阀15打开 将冷水注入发生器5 内 其压力和温度降低到一定值时 打开真空阀11 通过四通阀吸附蒸发器8中 的制冷剂 达到制冷的目的 3 当发生器4充分解吸后 关闭水阀18和20以及打开14 将发生器4中热水 注入热水箱2中 以供用户使用 然后关闭水阀16 打开水阀17和19 并使四通 阀换向 即a b和c d想通 受集热器加热后 发生器5开始解吸 与此同时水阀 16打开 将冷水注入发生器4中 使发生器4开始吸附 这样如此反复循环 便 可达到连续制冷 4 34 3 吸附式空调吸附式空调 零碳馆位于北京奥林匹克森林公园内 建筑面积600m2 单层建筑 其主要 用做基金会办公室 图中为零碳馆实景图 在此建筑上安装的太阳能空调系统 主要功能为吸附式空调制冷此外还有采暖 热水 通风功能 19 系统的原理图如下 系统的夏季功能主要为制冷 其运行原理为 太阳能集热器获得热量通过 板式换热器进入A水箱 A水箱温度超过T1时 启动吸附式空调 A水箱温度小于 T2时 空调停止 此时A水箱为集热水箱 B水箱为A水箱过热缓解 制冷末端设 备为毛细管网 其铺设面积为200m2 对冷水要求为18 左右 机组热源水 冷却水温度变化时 机组性能随之变化 额定工况即热水温 度80 冷却水温度30 时 机组制冷功率为10kW 热力COP为0 5 在热水温 度85 冷却水温度33 时 流量与额定工况相同 5 结语 太阳能固体吸附式制冷技术与传统的蒸汽或电动压缩式制冷相比还不是很 成熟 但随着太阳能同体吸附式制冷技术研究的不断进步 良好的社会与经济 效益都将促进吸附式制冷技术的实用化进程 同时 由于节能和环保优势 决 定了它具有广阔的应用前景 相信以后在政府的大力支持下 不断鼓励广大民 众使用太阳能吸附式制冷装置 再加上大批在太阳能吸附制冷领域的研究人员 的不懈努力下 太阳能固体吸附式制冷技术将逐步实现民用商业化 为社会的 发展和人类的进步做出更大的贡献 参考文献 1 赵加佩 陈宁 冻小飞 太阳能吸附式制冷技术进展综述 能源研究与信 息 J 2007 23 1 2 郑贤德 制冷原理与装置 北京 机械工业出版社 M 2008 3 3 於俊杰 太阳能固