太陽能吸收式制冷

1、太陽能吸收式空調系統(tǒng)的研究進展姓名 王欣 學號 2009020230摘要：太陽能作為一種清潔能源，應該大力的發(fā)展和研究，對于在建筑方面的應用上，如果可以實現(xiàn)通過太陽能為能源，來提供供暖和制冷的話，效率則會大大的提高各種各樣的太陽能加熱系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過反復的實驗驗證，但是以太陽能為能源的空調系統(tǒng)，直到近些年才出現(xiàn)相關的研究。以下將介紹近些年來，太陽能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的研究方向及相關進展。1 引言利用可再生能源和其它余熱可有效緩解世界范圍內的能源緊張和環(huán)境污染問題，太陽能是一種清潔、可再生能源，長期以來一直受到科技界的重視。利用太陽能制冷與空氣調節(jié)是太陽能應用的一個重要方面，是一個極具發(fā)展前景的領

2、域，也是當今制冷界技術研究的熱點。時至今日，制冷研究者已在太陽能制冷這一領域進行了大量的研究工作，提出了各種不同的制冷方法并取得了初步進展，實現(xiàn)太陽能制冷有兩條途徑：一是太陽能光電轉換，以電制冷，如光電制冷，熱電制冷；二是光熱轉換，以熱制冷，如吸收式制冷、吸附式制冷；光電轉換的制冷方法由于成本較高所以研究較多實際推廣應用較少，而以熱制冷由于它的廉價備受青睞。以熱制冷的方向有三種：分別是太陽能吸收式制冷和太陽能吸附式制冷，這兩種制冷方法都已分別進入試驗和應用階段。 太陽能制冷之所以能成為制冷技術研究的熱點是因為它具有自己獨特的優(yōu)點。首先是節(jié)能，太陽能是取之不盡，用之不竭的，太陽能制冷用于空調，將

3、大大的減小電力消耗，節(jié)約能源；其次是環(huán)保，目前壓縮式制冷機主要使用CFC類工質因為對大氣臭氧層有破壞作用應停止使用，太陽能制冷一般采用非氟烴類的物質作為制冷劑，臭氧層破壞系數(shù)和溫室效應系數(shù)均為零，適合當前環(huán)保要求，同時減少燃燒化石能源發(fā)電帶來的環(huán)境污染。2 太陽能吸收式制冷原理和特點吸收式制冷是利用溶液濃度的變化來獲取冷量的裝置，即制冷劑在一定壓力下蒸發(fā)吸熱,再利用吸收劑吸收制冷劑蒸汽。系統(tǒng)簡圖如圖1 所示。自蒸發(fā)器出來的低壓蒸汽進入吸收器并被吸收劑強烈吸收，吸收過程中放出的熱量被冷卻水帶走，形成的濃溶液由泵送入發(fā)生器中被熱源加熱后蒸發(fā)產生高壓蒸汽進入冷凝器冷卻，而稀溶液減壓回流到吸收器完成一

4、個循環(huán)。它相當于用吸收器和發(fā)生器代替壓縮機，消耗的是熱能。熱源可以利用太陽能、低壓蒸汽、熱水、燃氣等多種形式。吸收式制冷系統(tǒng)的特點與所使用的制冷劑有關,常用于吸收式制冷機中的制冷劑大致可分為水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四個大類。水系工質對是目前研究最熱門的課題之一，對它的研究主要是針對現(xiàn)今大量生產的商用LiBr吸收式制冷機依然存在的易結晶、腐蝕性強及蒸發(fā)溫度只能在零度以上等缺陷。氨系工質對中包括了最為古老的氨水工質對和近期開始受重視的以甲氨為制冷劑的工質對，由于氨水工質對具有互溶極強、液氨蒸發(fā)潛熱大等優(yōu)點,它至今仍被廣泛用于各類吸收式制冷機。人們對氨水工質對的研究主要是針對它的一些致命的缺陷，

5、如：COP較溴化鋰小、工作壓力高、具有一定的危險性、有毒、氨和水之間沸點相差不夠大、需要精餾等。吸收式空調采用溴化鋰或氨水制冷機方案，雖然技術相對成熟,但系統(tǒng)成本比壓縮式高，主要用于大型空調，如中央空調等。圖 1 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)圖圖 2 太陽能單效單吸式制冷系統(tǒng)圖太陽能吸收式制冷由于利用太陽能，所以其發(fā)生溫度低，即便采用特殊的集熱器，也只有100多一些。因此，其制冷循環(huán)方式都是采用單效方式。再細分下去，有單效單級和單效雙級兩種。迄今為止，太陽能制冷空調系統(tǒng)通常都采用熱水型單級吸收式溴化鋰制冷機。該類制冷機在熱源溫度足夠高及冷卻水溫度比較低的場合，性能良好；若熱源溫度降低而冷卻水溫度較高，

6、它的效率將大大下降，甚至不能正常制冷。因此當前的太陽能空調制冷系統(tǒng)普遍采用高溫運行的方式，有的甚至在 120130下運行，需要采用聚光式集熱器，這就影響了太陽能制冷空調的推廣使用。單級吸收式制冷機還有一個很大的缺點，就是熱源的可利用溫差小，一般只有68水吸收式制冷機進行了理論分析和初步的實驗研究，指出雙級溴化鋰水吸收式制冷機可有效利用太陽能，有著廣闊的市場前景。這種新型的兩級吸收式制冷機有兩個顯著的特點：一是所要求的熱源溫度低，在75到 85之間都可運行，當冷凝水溫為 32時，COP 值可達到0.38；二是熱源的可利用溫差大，熱源出口溫度低至 64時。此系統(tǒng)對熱源溫度有較寬的適應范圍，有利于制

7、冷機在較低的太陽輻射強度和不穩(wěn)定的太陽能輸入情況下，適應其引起的溫度波動，實現(xiàn)穩(wěn)定的運行。Wilbur等人提出了一種新型的單效雙級吸收式制冷循環(huán)，該循環(huán)采用增大熱源溫差的思路，增加了一個發(fā)生器和一個換熱器。模擬計算表明，其COP值可達到0.420.62 之間，熱源出口溫度可降到 55。采用單效雙級制冷循環(huán)雖然COP 值高，但其系統(tǒng)復雜，初投資高。因此Mancini等人又提出了采用熱變器原理的單效單級循環(huán)。新循環(huán)比傳統(tǒng)循環(huán)多了一個壓縮機。其系統(tǒng)循環(huán)如圖2 所示：從發(fā)生器出來的制冷劑蒸汽分為兩路，一路送入冷凝器，一路經(jīng)壓縮機壓縮后，又回到發(fā)生器換熱，再進入冷凝器。這里壓縮機實際上起到了熱變換器的作

8、用。由于進入冷凝器和發(fā)生器的熱負荷降低，所以系統(tǒng)的 COP值增加了。這個循環(huán)雖然巧妙，但在實際應用中難以保證壓縮機的正常運行。3 傳統(tǒng)型平板集熱器和真空管集熱器平板式集熱器由于其成本較低，一般應用于太陽能溴化鋰-水吸收式空調系統(tǒng)，通常裝配兩到三個玻璃罩或是抑制對流裝置，從而獲得較高的集熱溫度。真空管太陽集熱器是在平板型太陽集熱器基礎上發(fā)展起來的新型太陽能集熱裝置。構成這種集熱器的核心部件是真空管, 它主要由內部的吸熱體和外層的玻璃管所組成。吸熱體表面通過各種方式沉積有光譜選擇性吸收涂層。由于吸熱體與玻璃管之間的夾層保持高真空度, 可有效地抑制真空管內空氣的傳導和對流熱損失; 再由于選擇性吸收涂

9、層具有低的紅外發(fā)射率, 可明顯地降低吸熱板的輻射熱損失。這些都使真空管集熱器可以最大限度地利用太陽能, 即使在高工作溫度和低環(huán)境溫度的條件下仍具有優(yōu)良的熱性能。Wardetal指出真空管太陽能集熱器可以獲取太陽輻射率較低的情況下太陽能（等效對應于真空管 0.14 kW/m2 vs 0.25±0.30 kW/m2平板集熱器），從而可以對清晨和傍晚條件下的太陽能加以收集和利用，增強其使用周期更好的滿足冷熱負荷需求。另外，圓管的強度和硬度都要優(yōu)于平管，所以真空管集熱器的使用可以更好的對抗大風冰雹等惡劣的外界因素，增加其安裝使用的范圍及安全穩(wěn)定性。同時由于真空管的表面溫度較低，從而使得風等外

10、界條件對于其太陽能吸收效率的影響也較低。Wilbur and Mancini指出相對于傳統(tǒng)的平板式集熱器，真空管集熱器的效率可提高10%-30%。按吸熱體的材料分類, 有玻璃吸熱體真空管(或稱全玻璃真空管) 和金屬吸熱體真空管(或稱玻璃金屬真空管) 兩大類。金屬吸熱體真空管有各種不同的形式,但無論哪種形式, 由于吸熱體采用金屬材料, 而且真空管之間也都用金屬件連接, 所以用這些真空管組成的集熱器具有以下共同的優(yōu)點:工作溫度高，承壓能力大，耐熱沖擊性好。同樣 真空管存在著缺點和不足。Dan Ward 和 John Ward指出真空管太陽能集熱器不能維持平衡溫度，屬于其存在的潛在缺點。對于在真空管

11、中平行流動的液體，一些微小的變化就會引發(fā)沸騰。真空管安裝在有些冬季寒冷多雪的地區(qū)時，積雪問題同樣屬于其短板。因為當大雪覆蓋集熱器時，雪的自然溶化清除主要受幾何形狀以及熱管的設計布局有關，相比于傳統(tǒng)平板集熱器，真空管集熱器的積雪清除更加困難。Wardetal在文中指出當太陽輻射強度為769 W/m2時，真空管的臨界吸收溫度為2800C，這就要求太陽能加熱冷卻系統(tǒng)在設計的過程中需要格外注意。這要求控制系統(tǒng)可以合理控制防止集熱器中液體的沸騰，破壞集熱器回路，降低或損壞集熱器及其組成部分，避免高壓蒸汽排放時的危害等。太陽能吸收式空調系統(tǒng)的設計過程中，較低的發(fā)生溫度是至關重要的，因為這將直接影響集熱器的

12、工作效率。例如，發(fā)生溫度為700C的集熱器其集熱效率就是發(fā)生溫度為900C同類型集熱器的兩倍，所以在較低溫度條件吸收儲存熱量可以有效地提高系統(tǒng)效率。雖然也可以使用聚光集熱器，但是由于其只可以吸收太陽能的直射光能部分，所以對于它的應用受到地理條件的限制，而且聚光集熱器需要常規(guī)動能進行驅動。4 太陽能池將廉價的太陽能池與傳統(tǒng)的吸收式冷卻系統(tǒng)聯(lián)用，從而成為一個太陽能冷卻裝置是具有可行性的。下圖給出了裝置的工作原理。太陽池的底部對流區(qū)向吸收冷去裝置的發(fā)生器提供高溫的鹵水，同時上部對流區(qū)向制冷裝置的吸收器和冷凝器提供低溫水，這樣一來，便省去了冷卻塔。鹵水在制冷系統(tǒng)中的流動速度一般不超過1m/s。從圖中可以看出上部對流區(qū)回水經(jīng)過冷凝器和吸收器之后會在上部形成一個相對的高溫區(qū)，同理下不對流區(qū)回水會在下部形成一個相對的低溫區(qū)，這樣一來，對于底部低溫區(qū)可以降低太陽池同固體地面的熱交換，對于上部高溫區(qū)可以增強同環(huán)境的熱交換，兩個溫區(qū)對整個制冷系統(tǒng)，都有著積極意義。制約大型的太陽能池冷卻系統(tǒng)建造因素在于高效的高溫集熱器成本較高，但是太陽能池的單價能量比要高于單獨的平板式集熱器以及