太阳能吸附式制冷技术_李生璐.pdf

1、第七届 全国能源与热工学术年会 329 太阳能吸附式制冷技术 李生璐 杜 涛 （东北大学国家环境保护生态工业重点实验室 沈阳 110819） 摘 要： 由于能源、环境问题日益严峻，因此，开发一种使用可再生能源、洁净、高效、廉价、性能可靠的制冷设备，已成为制冷技术开发研究的一个热点课题。与传统的压缩制冷循环和吸收式制冷相比，吸附式制冷具有较为突出的优点。其采 用能量密度低的太阳能以及废热；它 所使用的是无污染或少污染的工质对 ；设备结构简单、可靠；操作简便；无运动部件、使用寿命长、运转费用低廉、无噪声，适用于无电地区、有大量低品位余热排放的工业过程及有颠簸震动的移动式机械上。本文从太阳能吸附式制

2、冷原理及其特点、主要研究动向、在制冷空调装置中的应用几个方面对太阳能吸附式制冷技术进行了论述。 关键词： 制冷；节能；环保；太阳能吸附式；应用前景 Solar Adsorption Refrigeration Technology LI Sheng-lu DU Tao (SEP Key Laboratory of Eco-Industry, Northeastern University Shenyang 110819) Abstract: Due to the problem of energy and environment, it becomes a hotspot research i

3、n refrigeration technolo-gy to develop refrigeration equipment, which are clean, efficient, cheap and reliable by using renewable energy. Compared with traditional compression refrigeration cycle and absorption refrigerating, adsorption refrigeration has more prominent advantages. It uses solar ener

4、gy with low energy density and waste heat; It uses pollution-free or less pollution working medium; The equipment have simple and reliable structure, and is easy to operate; Without moving parts, it has long service life, low running cost, no noise, suitable to areas without electricity, in-dustrial

5、 process with lots of low grade waste heat emissions and mobile mechanical vibrations with bumps. The paper discusses the solar adsorption refrigeration principle and its characteristics, the main research trends, appli-cation in the refrigeration and air conditioning equipment, etc. Key Words: refr

6、igeration; energy conservation; environmental protection; solar adsorption; application prospect 1 绪论 由于能源、环境问题 日益 严峻，全国出现拉闸限电的地区，已经从 2003 年的 12 个省级电网扩大到 21 个。造成电力紧张的诸多原因中，居民家庭用电，特别是空调用电的大幅度增长不可忽视，仅家用空调一项年耗电量就为 400 亿 kwh 以上，超过电网负荷的 30%，相当于三峡水电站最 高发电量的50%。因此，开发一种使用可再生能源、洁净、高效、廉价、性能可靠的制冷设备，已成为制冷技术开发研究

7、的一个热点课题。 吸附式制冷可采用低品位热能作为驱动能源，特别适合采用能量密度低的太阳能以及废热；它所使用的是无污染或少污染的工质对；设备结构简单、可靠；操作简便；无运动部件、使用寿命长、运转费用低廉、无噪声，适用于无电地区、有大量低品位余热排放的工业过程及有颠簸震动的移动式节能 减排与资源综合利用 330 机械上。因此，吸附式制冷技术引起世界各国科技工作着的广泛关注，从 80 年代起，投入大量的人力、物力进行研究，取得了一大批成果，并已 有部分样机在实际应用中发挥作用。随着我国经济的持续快速稳步增长以及节能与环保的迫切要求，太阳能吸附制冷技术在我国具有广阔的发展前景。 2 太阳能吸附式制冷原

8、理及其特点 2.1 太阳能吸附式制冷原理 太阳能吸附式制冷实际上是利用物质的物态变化来达到制冷的目的。用于吸附式制冷系统的吸附剂 -制冷剂 组合 可以有不同的选择，例如：沸石 -水。 这些物质均无毒、无害，也不会破坏大气臭氧层。太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、冷凝器、蒸发储液器、风机盘管、冷媒水泵等部分组成，如图 1 所示。其操作过程是间歇的，包括吸附和 脱附两个过程。 1) 受热 脱附 过程 。吸附床内充满了吸附剂，吸附有制冷剂，冷凝器与冷却系统相连，一般冷却介质为水。 工作时 太阳能集热器对吸附床加热，制冷剂获得能量 Qd 克服吸附剂的吸引力从吸附剂表面脱附，进入右边管道，系统

9、压力增加。当压力与冷凝器中对应温度下的饱和压力相等时，制冷剂开始液化冷凝 放出潜热 Qc， 冷凝成液态并流到蒸发器中 贮存起来 ，脱附过程结束 （如图 2a所示） 。 2)吸附过程。冷却系统对吸附床进行冷却，温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂， 吸附剂放出吸附热 Qa，并重新吸附制冷剂蒸汽， 管道内压力降低。蒸发器中的制 冷剂因压力瞬间降低而蒸发吸热 Q0，达到制冷效果，制冷剂达到吸附床，吸附过程结束 （如图 2b 所示） 。在此过程中，蒸发器吸收冷媒水的热量，吸附床放热。 白天太阳辐射充足时，吸附床吸收太阳辐射后，温度升高，使制冷剂从吸附剂中 解吸 ，吸附床内压力升高。解吸出来的制冷剂进入冷凝器

10、，经冷却介质冷却后凝结为液态，进入蒸发器。这样，太阳能转化为代表制冷能力的吸附势储存起来，实现化学吸附潜热的储存。夜间或太阳辐射不足时，环境温度降低，太阳能吸附集热器通过自然冷却后，吸附床的温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂，产生制冷效果 1。 图 1 太阳能吸附式制冷系统图 直接利用太阳能作为吸附式制冷的驱动能源，可以在能量供求上与吸附式制冷循环形成良好的匹配关系。太阳辐射强烈的季节，正是人们对冷量需求的高峰季节。太阳能集热器与吸附器形成一个整体。白天利用太阳的热辐射直接加热吸附床层，从而完成吸附式循环的“受热脱附”过程。晚上气温下降，吸附床层自然冷却，完成循环的“吸附制冷”过程。 2.2 太阳

11、能吸附式制冷特点 与常规压缩式制冷方式相比，太阳能吸附式制冷有着不采用氟利昂作为制冷剂，系统结构简 单、运行噪声低、寿命长、安全性好、无需考虑腐蚀等一系列显著优点。 阀门 1 冷凝器 阀门 2 蒸发器 阀门 3 发生器 (吸附床 ) 第七届 全国能源与热工学术年会 331 图 2 太阳能吸附式制冷剂原理图 在对太阳能吸附式制冷作了大量理论研究的基础上，各国学者们也进行了长期的实验研究，其中大多数是对吸附式制冰样机的研究，循环工质对通常选择活性炭甲醇，少数也采用硅胶 -水。表 1 列出了国内外一些太阳能固体吸收式制冷机的实验结果。作为比较，表 2 列出 了太阳能吸收式制冷机的一些参数 2。 通过

12、对比表 1、表 2 可以看出，太阳能吸收式制冷方式的 COP 比吸附式高出几倍甚 至十几倍。系统总的 COP 值偏低是太阳能吸附式制冷的最大缺点。因此，虽然不断有各种太阳能吸附式制冰实验 样机 出现，但其离商业化应用仍有较大距离。要提高吸附式制冷方式的竞争力，就必须努力提高该方式的 COP 值。 3 太阳能吸附式制冷的主要研究动向 太阳能吸附制冷机研究的主要目的是增大单位质量工质的制冷量，提高制冷系数，使整机性能有较大提高，从而实现商品化，使太阳能制冰机成为像太阳能热水器那样的家用产品。 为了加速太阳能吸附式制冷技术的商业化进程，学者们主要从以下 四 个方面展开研究 3： 集热方式 、 吸附剂

13、 -制冷剂工质对 的性能、各种循环方式的热力性能和发生器的性能。 3.1 集热方式 4 太阳能吸附制冷机利用太阳能作为驱动能源，因此太阳能集热器直接影响整机的制冷性能。太阳的能流密度低，利用时间要有足够大的装置对其进行采集。目前主要有平板、真空管和各种聚光集热器。 现有的太阳能吸附制冷机的制冷系数COP 一般为 0.080.13， COP 较低的一个原因是对太阳能的集热与散热 效果 不佳，为减少平板散热器的热损，提高集热温度，国际上在二十世纪七十年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管里，大大增强了集热效率。特立尼 达和多巴哥西印度大学的科学家们研究了以太阳能为动力的固体吸附

14、式制冷系统中采用符合抛物面聚光太阳能集热器的问题。在有效吸附甲醇所需要的温度 （ 80 120 ） 下，单位面积投资成本相同时，低聚光比的聚光太阳能集热器比平板集热器更具实用性。 3.2 吸附剂 -制冷剂工质对的性能研究 吸附剂 -制冷剂工质对的热力性质对系统性能系数、设备材料、一次性投资影响颇大。目前，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整个Qd 集热 /吸附器 冷凝器 蒸发器 Qc （ a） 集热 /吸附器 冷凝器 蒸发器 Qa Q0 （ b） 节能 减排与资源综合利用 332 系统的研究。孙志坚等对以硅胶水作为工质对的可行性进行了研究，认为将硅胶水工质对用于吸附

15、 式空调系统在技术上是可行的。 Anyanwu E. E.等对活性炭 -氨、沸石 -水以及活性炭 -甲醇三种工质对作研究后认为，沸石 -水是用于太阳能吸附式空调系统的最佳工质，而活性炭 -氨则更适合作制冰机、食物贮藏之用。 表 1 国内外吸附式试验样机的研究状况 研究人员 工质对 典型 COP 日制冰量 /(kgm-2) 吸附集热器类型 试验时间 谭盈科，等 活性炭 /甲醇 0.11 2.75.5 平板集热器 1992 Anyanwu， E.E. 活性炭 /甲醇 0.093 - 平板集热器 1995.11 Buchter， F.等 活性炭 /甲醇 0.090.13 8 平板集热器 1999.5

16、 Hildbrand 等 硅胶 /水 0.100.25 - 平板集热器 2001.夏 李明等 活性炭 /甲醇 0.1270.146 4.37.4 平板集热器 2001.11 罗会龙等 活性炭 /甲醇 0.0830.127 3.26.5 平板集热器 2003.4 Khattab， N. M. 活性炭 /甲醇 0.1360.159 6.99.4 管状结构集热器 2004 表 2 太阳能吸收式制冷的研究结果 类型 COP 值 热源温度 / 集热器类型 加热功率 /kW 集热器面积 /m2 单效 0.70 85 平板或真空管 1.43 7.48 双效 1.20 130 真空管 /CPC 0.83 5.

17、07 三效 1.70 220 聚光型 0.59 4.49 3.3 太阳能吸附式制冷循环方式的研究 太阳能吸附式 制冷循环 方式，除了前述基本型以外，还有连续回热型、热波型和对流热波型 5。 1) 连续回热型吸附式制冷循环 基本型吸附式制冷循环效率较低，因为在循环过程中没有采用回热措施，吸附床的冷却放热以及吸附放热都白白流失了，且循环中制冷过程是不连续的，为解决此问题就有了连续回热型循环方式。其原理为：系统中有两个吸附床 A 和 B 。假定对吸附床 A加热，对吸附床 B 冷却，当吸附器 A 充分解吸、吸附器 B 吸附饱和后，使吸附床 A冷却，吸附床 B 加热，吸附床 A、 B 交替进行组成了一个

18、完整的连续制冷循环。同时，为了提高能量利用率，在两过程切换中，利用高温吸附床冷却时放出的显热和吸附热来加热另一个吸附床，即进行回热，可减少系统的能量输入，提高 COP。 2) 热波循环 多床循环吸附床与吸附床之间存在传热温差使系统的回热利用率不高，且投资费用随床数的增加而成倍增 长。为解决此问题， Shelton 提出了热波循环。循环中吸附床被设计成沿流体流程存在很大的温度梯度，可以被看成由一系列能独立进行热交换的小吸附床组成，两个吸附床反向进行，各自只有一小部分进行热交损，另一部分保持其温度，这样能最大限度地利用吸附过程放出的热量，更充分地回热。 Sward Brian K.等对以水 NaX

19、 分子筛为工质对的热波循环模型研究后认为，在热源温度 393 K，冷凝器温度 303 K，蒸发温度 278 K 的条件下，循环 COP 可超过 1.2。 3) 对流热波循环 对流热波循环是由 R. E. Critoph 提出的，它是一种利用吸附床内强迫对流来改善吸附床传热传质性能的循环方式，即利用制冷剂气体和吸附剂之间的强制对流，使用循环泵将氨等制冷剂蒸汽直接加热、冷却吸附剂而获得较高的热流密度，因床内的传热条件良好，在较短的时间内就可将吸附床加热或冷却到预定温度。 3.4 发生器（吸附床）的研究 第七届 全国能源与热工学术年会 333 对吸附床的研究主要是就其传热传质而言的。吸附床传热过程中

20、温度不均匀性是导致实际循环偏离理想循环的一个重要原因，改善吸附床的传热性能是完善固体吸附式制冷循环的重要途径。其中，强化吸附床导热性能的常用方法，一是在床中嵌入金属肋片， 二是在吸附剂中添加金属颗粒，如铜粉、镍沫等。 在减少热阻方面，朱冬升等对吸附床与吸附剂颗粒表面的接触热阻进行了实验研究，分析了在接触面上涂导热胶和加压的方法对接触热阻的影响。实验结果表明，以上两个方法可以有效地减少接触热阻，并且对吸附床内吸附剂的传质过程没有影响 6。 4 太阳能固体吸附式制冷技术在制冷空调装置中的应用 7 本章 分析了太阳能固体吸附制冷技术在制冷空调装置应用的现状、存在的问题及解决的措施，提出应大力推广太阳

21、能固体吸附技术在制冷空调装置中的应用。 4.1 太阳能固体吸附制冷技术在制冷空 调装置中应用的研究现状 对固体吸附制冷技术的研究是二十世纪三十年代 Faraday 发现氯化银吸附氨产生制冷现象开始的， 70 年代的能源危机为吸附式制冷技术的发展提供了契机， 90 年代保护环境的呼声和困扰传统的蒸汽 压缩式制冷技术的 CFCs 问题再次为其提供了良好的发展机会。国内科研机构对太阳能固体吸附制冷技术进行了大量的试验与研究。 上海交通大学的刘震炎等人在太阳能真空管集热管和固体吸附制冷技术的基础上 ， 考虑到太阳能作为辐射能这一特点，成功地研制了一种新型无污染的非金属太阳能制冷管 ， 使太阳能加热和制

22、冷集中在一根管子上完成 ， 且由于各根冷管自成一体 ， 宜于密封并长期保持较高的真空度。并试制了一台太阳能冷管型制冷系统试验样机 ， 该样机共有 13 根冷管 ， 集热器面积为 0.9 m2，试验过程中从 8 时至 15 时接收太阳能。当此段时间的日射密度为 20MJ/m2 时 ， 可使制冷箱内 25kg 的水在吸附制冷循环阶段从29下降到 17 ， COP 值约为 7%。 4.2 太阳能固体吸附制冷空调装置目前存在的问题及改进的措施 1) 太阳能固体吸附式制冷空调装置目前存在的主要问题 太阳能吸附式制冷空调装置主要存在三个难点，第一、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

23、，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。第二、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。第三、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难题。 2) 改进措施 近年来，为了解决太阳能吸附制冷技术存在的难题，各国科研人员进行了大量的试验与研究，主要在两个方面对太阳能固体吸附式制冷空调装置进行 改进。一方面，对太阳能集热器进行改进，采用热管式真空集热器，提高系统的运行温度；另一方面，在吸附剂 制冷剂工

24、质对、系统内的传热性能和采用高效的吸附制冷循环方面进行改进，提高循环的性能。 1） 热管式真空管集热器 热管式真空集热器是金属吸热体真空集热管的一种。在热管式真空集热管工作时，太阳辐射穿过玻璃管后投射在金属吸热板上，吸热板吸收太阳辐射能并将其转换为热能，再传导给紧密结合在吸热板中间的热管，使热管蒸发段内的工质迅速汽化，工质蒸气上升到热管冷凝段后，在较冷的表面上凝结，释放出蒸发潜热，将热量传递给集热器的 传热工质。凝结后的液态工质依靠自身节能 减排与资源综合利用 334 的重力流回到蒸发段，然后重复上述过程。热管式真空管集热器具有运行温度高、耐热冲击、耐压能力强及启动快等优点，采用热管式真空集热

25、其可以解决太阳能固体吸附式制冷空调装置中高温驱动热源的问题。 2） 新的工质对 对于采用不同的制冷剂工质对的固体吸附式制冷，其应用范围和工作特性是不同的。目前主要使用的工质对有：活性炭 -甲醇 /氨、沸石 -水、硅胶 -水和氯化钙 -氨等。 3） 强化吸附床传热 吸附床中传热的强化可提高吸附 /解析速率，缩短循环周期。这可以从改善吸附介质的传热性能和采用 先进 的吸 附床结构两个方面来改进。 吸附剂为 多孔 物质，一般都是粉状或颗粒状 ， 其热阻大，导热性差。可将吸附剂加工成圈片或圆柱状结构，既有利于减少吸附剂与换热壁面的接触热阻，也改善了吸附床的传热性能，并增加吸附剂的填充量。 4） 采用

26、高效 制冷循环 除了前面 提到 的采用两个或多个吸附器交替工作实现连续制冷循环外，人们还提出了连续回热型和对流热波型等高效的吸附制冷循环。 4.3 政府应推进对太阳能固体吸附式制冷在制冷空调装置上的应用 太阳能固体 吸附 式制冷技术与蒸气压缩式制冷技术相比还不是很成熟，但随着对太阳能固体吸附式制 冷技术的不断深入，太阳能吸附制冷技术已经逐步向实用化推进，由于节能和环保优势，决定了它具有广阔的应用前景。同时，太阳能固体吸附式制冷技术在制冷空调装置上的应用离不开政府的支持，建议政府有关职能部门能给予采用太阳能固体吸附式制冷空调装置的生产厂家和使用用户给予一定的政策支持和奖励，以推动太阳能固体吸附式

27、制冷技术在制冷空调装置上的应用。 5 结论 经过近二十年的研究和开发，太阳能吸附式制冷在西方已进入中试和商品化生产阶段，但就总体水平而言，尚无法与电动压缩式制冷相抗衡。造成这种局面的原因是多方面的，产品的成本 高是主要的因素，开发更高效、廉价的设备，提高单位集热面积的制冷量成为研究工作的主攻方向。此外，由于太阳能吸附式制冷是间歇过程，一昼夜完成一个循环周期，系统的制冷系数较低，设备利用率不高。与电动压缩式制冷相比，太阳能吸附式制冷尚未被广大用户了解和接受。但是太阳能吸附式制冷以其直接利用可再生能源、不产生环境问题等一系列优点，将在环境保护、提高人类生存质量上产生巨大的效益。 太阳能 吸附 式制

28、冷技术的 COP 偏低，使得与其他形式的制冷系统相比，优势并不十分明显，距离商业化应用仍有较大距离。为推进太阳能吸附式制冷技术的商 业化进程，应充分考虑到系统的技术经济性，并注意以下三个方面： 1） 优化 太阳能 吸附式制冷系统的设计，尤其是对系统关键部件，如吸附床、冷凝器、 蒸发器的 优化 设计，不片面强调某一部件的性能，而应考虑到各部件之间的匹配； 2） 应加强对性能稳定、操作简便的无阀系统的研究，其结构简单、耗材少以及易实现工业化批量生产的优点，会大大促进吸附式制冷技术的商业化应用； 3） 加大对太阳能吸附式制冷与建筑一体化的研究力度，使之符合建筑一体化的要求。 参考文献 1 赵加佩，陈

29、宁，冻小飞 . 太阳能吸附式制冷技术进展综述 J. 能源研究与信息， 2007, 23(1): 23-27. 2 KAUSHIK S C， KAUDINYA J V. Open cycle absorption coolingJ. A review Energy Convers Magmt, 1989, 29(2): 89 -109. 3 蔡辉，施明恒 .太阳能制冷技术的发展概况 J. 第七届 全国能源与热工学术年会 335 科技与经济， 2003, 16(2): 58 -60. 4 张柏涛，周伟国 . 太阳能吸附式制冷技术分析J. 能源研究与信息， 2004, 20(3): 165-169. 5 周远，王如竹 .制冷与低温工程 M. 北京 : 中国电力出版社， 2003. 6 李东明，姜耀俭，王志国，李庆，项新耀 . 太阳能吸附式制冷吸附床的热力计算方法 J. 太阳能学报， 2003, 24(4): 483-487. 7 刘涛 . 太阳能固体吸附式制冷技术在制冷空调装置中的应用 J. 制冷与空调， 2006, (4): 1010-104.