太阳能吸收式制冷

1太阳能吸收式空调系统的研究进展姓名王欣学号2009020230摘要：太阳能作为一种清洁能源，应该大力的发展和研究，对于在建筑方面的应用上，如果可以实现通过太阳能为能源，来提供供暖和制冷的话，效率则会大大的提高各种各样的太阳能加热系统已经经过反复的实验验证，但是以太阳能为能源的空调系统，直到近些年才出现相关的研究。以下将介绍近些年来，太阳能溴化锂吸收式制冷系统的研究方向及相关进展。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、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和太阳能吸附式制冷，这两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，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，目前压缩式制冷机主要使用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2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，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。因此当前的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，3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。Wilbur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Mancini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。这个循环虽然巧妙，但在实际应用中难以保证压缩机的正常运行。3传统型平板集热器和真空管集热器平板式集热器由于其成本较低，一般应用于太阳能溴化锂-水吸收式空调系统，通常装配两到三个玻璃罩或是抑制对流装置，从而获得较高的集热温度。真空管太阳集热器是在平板型太阳集热器基础上发展起来的新型太阳能集热装置。构成这种集热器的核心部件是真空管,它主要由内部的吸热体和外层的玻璃管所组成。吸热体表面通过各种方式沉积有光谱选择性吸收涂层。由于吸热体与玻璃管之间的夹层保持高真空度,可有效地抑制真空管内空气的传导和对流热损失;再由于选择性吸收涂层具有低的红外发射率,可明显地降低吸热板的辐射热损失。这些都使真空管集热器可以最大限度地利用太阳能,即使在高工作温度和低环境温度的条件下仍具有优良的热性能。Wardetal指出真空管太阳能集热器可以获取太阳辐射率较低的情况下太阳能（等效对应于真空管0.14kW/m2vs0.25±0.30kW/m2平板集热器），从而可以对清晨和傍晚条件下的太阳能加以收集和利用，增强其使用周期更好的满足冷热负荷需求。另外，圆管的强度和硬度都要优于平管，所以真空管集热器的使用可以更好的对抗大风冰雹等恶劣的外界因素，增加其安装使用的范围及安全稳定性。同时由于真空管的表面温度较低，从而使得风等外界条件对于其太阳能吸收效率的影响也较低。WilburandMancini指出相对于传统的平板式集热器，真空管集热器的效率可提高10%-30%。按吸热体的材料分类,有玻璃吸热体真空管(或称全玻璃真空管)和金属吸热体真空管(或称玻璃—金属真空管)两大类。金属吸热体真空管有各种不同的形式,但无论哪种形式,由于吸热体采用金属材料,而且真空管之间也都用金属4件连接,所以用这些真空管组成的集热器具有以下共同的优点:工作温度高，承压能力大，耐热冲击性好。同样真空管存在着缺点和不足。DanWard和JohnWard指出真空管太阳能集热器不能维持平衡温度，属于其存在的潜在缺点。对于在真空管中平行流动的液体，一些微小的变化就会引发沸腾。真空管安装在有些冬季寒冷多雪的地区时，积雪问题同样属于其短板。因为当大雪覆盖集热器时，雪的自然溶化清除主要受几何形状以及热管的设计布局有关，相比于传统平板集热器，真空管集热器的积雪清除更加困难。Wardetal在文中指出当太阳辐射强度为769W/m2时，真空管的临界吸收温度为2800C，这就要求太阳能加热冷却系统在设计的过程中需要格外注意。这要求控制系统可以合理控制防止集热器中液体的沸腾，破坏集热器回路，降低或损坏集热器及其组成部分，避免高压蒸汽排放时的危害等。太阳能吸收式空调系统的设计过程中，较低的发生温度是至关重要的，因为这将直接影响集热器的工作效率。例如，发生温度为700C的集热器其集热效率就是发生温度为900C同类型集热器的两倍，所以在较低温度条件吸收储存热量可以有效地提高系统效率。虽然也可以使用聚光集热器，但是由于其只可以吸收太阳能的直射光能部分，所以对于它的应用受到地理条件的限制，而且聚光集热器需要常规动能进行驱动。4太阳能池将廉价的太阳能池与传统的吸收式冷却系统联用，从而成为一个太阳能冷却装置是具有可行性的。下图给出了装置的工作原理。太阳池的底部对流区向吸收冷去装置的发生器提供高温的卤水，同时上部对流区向制冷装置的吸收器和冷凝器提供低温水，这样一来，便省去了冷却塔。卤水在制冷系统中的流动速度一般不超过1m/s。从图中可以看出上部对流区回水经过冷凝器和吸收器之后会在上部形成一个相对的高温区，同理下不对流区回水会在下部形成一个相对的低温区，这样一来，对于底部低温区可以降低太阳池同5固体地面的热交换，对于上部高温区可以增强同环境的热交换，两个温区对整个制冷系统，都有着积极意义。制约大型的太阳能池冷却系统建造因素在于高效的高温集热器成本较高，但是太阳能池的单价能量比要高于单独的平板式集热器以及真空管集热器。另外由于太阳池使用卤水，这样会降低在制冷系统中换热器处的热交换。5结论随着制冷装置方面一些设计和发展问题的不断解决，新的发展趋势倾向于对于制冷装置中吸收器的改造，使其发生温度低于1000C。太阳能吸收式空调系统有着先天的优势，太阳能来源的广泛性。虽然太阳能吸收式空调系统已经可以投入到商业应用，但是同传统的电驱动和燃气驱动的空调系统相比较，由于其较高的价格，目前仍然不具备竞争力。