太阳能制冷技术的原理与应用[教材]

太阳能制冷技术的原理与应用[教材] 太阳能制冷技术的原理与应用 摘要:太阳能制冷主要有光—电转换和光—热转换两种方式，本文主要介绍了光—热转换中的三种主要方式:太阳能吸收式、吸附式和喷射式制冷技术，以及太阳能制冷技术在生产生活中的应用。 关键词:太阳能制冷;吸收式;吸附式;喷射式;应用 Abstract: The main light solar cooling - power conversion and light - heat transfer in two ways, this paper describes the light - heat transfer in three main ways: solar absorption, adsorption, and jet cooling technology, and solar cooling technology production life of the application. Key words: solar cooling; absorption; adsorption; jet; application 1 引言 太阳能是一种取之不经用之不竭的清洁、可再生绿色能源，合理利用太阳能可以有效缓解能源紧张的问题。我们熟悉的有太阳能发电、太阳灶、太阳能热水器，特别是太阳能热水器，经年来发展很快，但这种利用太阳能的方式与大自然的规律并不完全一致。当太阳辐射强、气温高的时候，人们更需要的是空调降温而不是热水，这种情况在我国南方地区尤为突出。如果可以用太阳能制冷，就可以既给人们带来舒适，又节约了能源。利用太阳能制冷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之一。军用、航空、气象、沿海岛屿、远洋捕捞等领域对太阳能制冷有着迫切的需要。 太阳能制冷从能量装换角度可以分为两种,第一种是太阳能光电转换制冷，是利用光伏转换装置将太阳能转换成电能后，再用于驱动普通蒸气压缩式制冷系统或半导体制冷系统实现制冷的方法，即光电半导体制冷和光电压缩式制冷，可以看做是太阳能发电的拓展，这种方法的优点是可采用技术成熟且效率高的蒸汽压缩式制冷技术，其小型制冷机在日照好又缺少电力设施的一些国家和地区已得到应用。其关键是光电转换技术，必须采用光电转换接收器，即光电池。太阳能电池接受阳光直接产生电力，目前效率较低，而光电板、蓄电器和逆变器等成本却很高。在目前太阳能电池成本较高的情况下，对于相同的制冷功率，太阳能光电转换制冷系统的成本要比太阳能光热转换制冷系统的成本高出许多倍，目前尚难推广应用。第二种是太阳能光热转换制冷，首先是将太阳能 转换成热能(或机械能)，再利用热能(或机械能)作为外界的补偿，使系统达到并维持所需的低温。目前研究重点选择后一种方式，此次我们也主要从以下三个方面进行阐述，即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷。 太阳能集热器是以上三种制冷方法都要用到的一个装置，它是一种吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。主要的集热器类型有非聚焦型的平板型太阳能集热器、真空管太阳能集热器和太阳能空气集热器。平板型集热器结构简单、采光面积大、工作可靠、成本低，缺点是提供的热源较低。真空管太阳能集热器是在平板型太阳能集热器的基础上发展起来的新型太阳能集热器。由于吸热体和玻璃管之间的夹层保持高度真空而且涂有选择性吸收涂层，真空管太阳能集热器再高温和低温环境下仍有优良的热性能，但是其成本较高。在目前的太阳能制冷应用中较多采用平板型集热器。 2 太阳能吸收式制冷技术 太阳能吸收式制冷系统采用平板型或热管型真空管集热器来收集太阳能，用来驱动吸收式制冷机，制冷是利用两种沸点相差较大物质所组成的二元溶液作为工质来进行的。其中沸点低的物质为制冷剂，沸点高的物质为吸收剂。吸收式制冷就是利用溶液的浓度随温度和压力变化而变化，将制冷剂与溶液分离，通过制冷剂的蒸发而制冷，又通 [1]过溶液实现对制冷剂的吸收 。目前常用的两种吸收式制冷机一种是氨吸收式制冷机，其工质对为氨-水溶液，氨为制冷剂，水为吸收剂。它的制冷温度在+1—-45范围内，多用作工艺生产过程的冷源;另一种是溴化锂吸收式制冷机，以溴化锂为吸收剂，其制冷 温度只能在零度以上，可用于制取空气调节用冷水或工艺冷却水,以下是制冷机的主要 [2]部件:吸收式制冷机主要由四个热交换设备组成，即发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器。 图一 简单吸收式制冷系统的组成部件 它们组成两个循环线路:制冷剂循环和吸收剂循环。左半部是制冷剂循环，属于逆循环， 由蒸发器、冷凝器和节流装置组成。高压气态制冷剂在冷凝管中向冷却水放热被凝结成液态后，经节流装置减压降温进入蒸发器，在蒸发器该液体被液化为低压冷剂蒸发，同时吸收被冷却介质的热量，产生制冷效应。右半部分为吸收剂循环，属正循环，主要由 吸收器、发生器和溶液泵组成。在吸收器中，用液态吸收剂吸收蒸发器产生的低压气态制冷剂，以达到维持蒸发器内低压的目的。吸收剂吸收制冷剂蒸气而形成的制冷剂-吸收剂溶液，经溶液泵升压后进入发生器，在发生器中该溶液被加热沸腾，其中沸点低的制冷剂汽化形成高压气态制冷剂，又与吸收剂分离。然后前者去冷凝器液化，后者则返回吸收器再次吸收低压气态制冷剂。 两种吸收式制冷机有各自的优缺点。氨吸收式制冷机有能够制取低温、溶液不会发生结晶等优点，缺点是氨泄露会产生危害。现在多采用溴化锂吸收式制冷机，它有很多优点:可利用低位势热能制冷;只有小功率的屏蔽泵为运动部件，运转安静;以溴化锂水溶液为工质，无毒、无臭、无害;制冷机在真空状态下运行，无爆炸危险，安全可靠;制冷量调节范围广，对外界条件变化的适应性强。主要缺点是溴化锂水溶液对一般的金属有较强的腐蚀性，影响机组的正常运行;因为是水溶液，对机组的气密性要求高;浓 [3]度过高或过低时，溴化锂水溶液容易形成结晶，影响正常运行。 由于成本较高，目前太阳能溴化锂吸收式制冷机只应用在大型空调领域。为了使溴化锂—水吸收式制冷系统得到更为广泛的应用，向广阔的家用空调领域发展，必须积极研究开发各种小型的高效低成本的制冷机，使系统实现空冷化和小型化。当前对溴化锂-水制冷机组的空冷化研究是其研究的一个重要方向。而对于溴化锂—水吸收制冷工质的性能研究则集中在改进特性上，主要有以下几个方面: (1)提高溴化锂的溶解度,在较高浓度.较低温度和较低压力的条件下,避免溴化锂结晶的析出,以便采用风冷; (2)在提高溴化锂溶解度的同时,进一步提高溴化锂吸收式制冷循环的性能系数; (3)减轻溴化锂溶液对金属材料的腐蚀作用; (4)采用辅助制冷剂,进一步提高吸收式制冷循环的性能系数 (5)采用面活性剂,，减小吸收界面的传质阻力，改善吸收过程，减小吸收面积。 此外，正在研究的太阳能吸收式制冷系统有无泵溴化锂机、小型氨水制冷及其循环 [4]泵、多效吸收制冷、吸收-喷射复合制冷循环系统和吸收-压缩复合式循环系统等 。 3 太阳能吸附式制冷技术 太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、冷凝器、储液器、蒸发器、阀门 [5]等组成。如图二所示。 图二 太阳能吸附式制冷系统 太阳能吸附式制冷系统的制冷原理，是吸附床中的固体吸附(如活性炭)对制冷剂(如甲醇)的周期性吸附、解附过程实现制冷循环。解附过程:当白天太阳辐射充足时，太阳能吸附集热器吸收太阳辐射能后，吸附床温度升高，使吸附的制冷剂在集热器中解附，太阳能吸附器内压力升高。解附出来的制冷剂进入冷凝器，经冷却介质(水或空气)冷却后凝结为液态，进入储液器。吸附过程: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， [6]由于蒸发器内制冷剂的蒸发，温度骤降，通过冷媒水获得制冷目的。 目前对太阳能吸附式制冷技术主要有三个方向:吸附剂一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。 吸附式循环关键是利用合适的吸附剂和制冷剂作为工质对，在蒸发器中蒸发制冷。目前已经开发出的吸附制冷工质对主要有:活性炭—甲醇、分子筛—水、分子筛—氨、硅胶—水、活性炭纤维—甲醇和氯化钙—氨、氯化锶—氨等。研究的多为沸石—水、活性炭—甲醇和氯化钙—氨。但在研究中，也碰到了一些较难解决的问题，如制冷量偏小、甲醇在活性炭存在条件下发生催化反应等。为此，各国研究人员在寻求性能优良的工质 [7]对上倾注了大量精力，其中氯化锶-氨这一化学吸附工质对以其优良的性能受到关注。华南理工大学陈砺等对氯化锶一氨工质对的制冷性能进行了研究，得出了实验研究结果(表一)，可以看出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 [8]活性炭一甲醇工质对的3(2倍以上，最高达到5(9倍。 -1 表一 各类工质对制冷量比较(吸附剂) kj•kg 热源温度 100/? 95/? 90/? 氯化锶-氨 889 485 233 活性炭(AC-35)-甲醇 275 270 268 活性炭(江西 809)-甲醇 205 200 191 活性炭(上海18#)-甲醇 150 143 138 吸附式制冷的循环类型有基本型、连续型、连续回热型、热波型及对流热波型等。目前正真成功的只有基本型、连续型、连续回热型三种，热波型和对流热波型正在理论探索和模拟实验。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 [9]冷的缺点。在热波循环中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。太阳能驱动的活性炭-甲醇吸附式制冰机已成为商品，而且被国际卫生组织推荐在第三世界无电力设施或缺电的地方用作疫苗保存。 发生器(吸附床)的研究主要是强化它的传热，可采用高导热性能的复合吸附剂。实验表明，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。 作为一种不采用氟利昂制冷剂的制冷技术，太阳能固体吸附式制冷技术成为制冷界研究的热门之一，同时它具有结构简单、运行效率高、不消耗常规能源(如煤、电和化石燃料等)，而且噪音小、寿命长、安全性好、无须考虑腐蚀问题等优点。目前太阳能 [10]吸附式制冷技术已经成功的用于低温储粮，还有跟多的用途有待研究。 4 太阳能喷射式制冷技术 太阳能喷射式制冷循环,以其清洁无污染,系统运行和维护简单的优点,近年来吸引了很多研究人员的关注,但系统性能系数偏低限制了它的发展。所谓太阳能喷射式制冷器，是由保能层、喷射口、储能器、太阳能恒温腔、温控电磁盘、冷凝器、混合室、自动喷射器、导线、光管接收器、光管固定架、蒸发器、继电控制板、风机、腔内螺旋壁及输导管所组成。光管接收器与储能器形成串通式连接，组成室外能量接收器。太阳能恒温腔设置于储能器内，上端连接冷凝器，下端连接混合室，各部件通过输导管连通。具有节能环保，整体结构简单，运行稳定，噪音小，使用寿命长，易推广普及等特点。太阳能喷射式制冷由于能够使用可再生、无污染的太阳能而受到重视。 一种太阳能喷射式制冷器，其特征在于:它由保能层、喷射口、储能器、太阳能恒 温腔、温控电磁盘、冷凝器、混合室、自动喷射器、导线、光管接收器、光管固定架、蒸发器、继电控制板、风机、腔内螺旋壁及输导管所组成;光管接收器与储能器 形成串通式连接，组成室外能量接收器;太阳能恒温腔设置于储能器内，其上端连接冷凝器，下端斜出口连接混合室 ，垂直口连接自动喷射器的出口;蒸发器上装有继电控制板和风机，其两端分别连接混合室和自动喷射器;混合室的入口连接引自冷凝器内的出口; [11]各部件通过输导管连通。 太阳能喷射式制冷系统的原理如图(图四)所示: 图四 太阳能喷射式制冷系统简图 整个制冷循环基本有三个子循环组成，即制冷自循环、动力子循环和太阳能自循环组成。具体工作描述如下:制冷剂(通常为水)再蓄热器中吸收高温传热工质的热量后汽化、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，在喷射区附近产生真空，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，冷凝为液体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制冷，完成一次循环，这部分工制完成的循环式制冷子循环。另一部分通过工质通过循环泵升压后进入蓄热器，重新吸热汽化，再进入喷射器，流入冷凝器冷凝后变为液体，该子循环称为动力循环。而太阳能集热器将太阳能转化为热能，使集热器内传热工质吸热汽化，传热工质流经蓄热器并将热量贮存其中，当蓄热器中因制冷剂吸热而被冷却的传热工质通过循环泵重新回到集热器吸收太阳能热量，此为太阳能转换子循环。整个系统中循环泵是唯一的运动部件，系统设置比吸收式制冷系统简单，且具有运行稳定、可靠性较高等优点。 [12]其缺点是性能系数较低 。 决定喷射式制冷系统性能的是工作流体、引射流体和压缩流体的工作状态和喷射器的喷射系数，其中引射流体的工作状态由被冷却对象决定，压缩流体的状态由被冷却对象决定压缩流体的状态由被冷却对象决定，压缩流体的状态由冷却水控制，工作蒸汽则决定于发生器工作条件。另一方面，喷射器的外形和几何尺寸对喷射器性能非常重要。 可见，对太阳能喷射式制冷技术研究的重点就是改进和提高系统的整体性能，这直接关系到喷射式制冷技术的实用性，近年来国内对此也于一定研究基本为理论与实验研究，尚未出现市场推广应用的成果。 5 结束语 太阳能制冷系统具有季节适应性好、与环境友好等优点，利用太阳能驱动实现制冷这门技术已有不少应用，但因为其技术的复杂性与难度，太阳能利用效率不高等因素，使得这项技术仍处于初步应用与实验阶段，离商业化仍有一段距离。但是这门技术确实是一门节能环保的技术，是制冷领域乃至整个能源领域研究的一大热点，对其进行研究并且实用化是必然的。目前这一课题的主要研究方向有提高太阳能的利用效率、降低太阳能集热器的成本和太阳能制冷技术的实用化等几方面。随着绿色建筑的兴起，与其相结合的太阳能吸附式制冷、吸附—喷射式制冷、新型的喷射式制冷如热管式喷射技术必然会有迅速的发展。 参考文献: [1] 刘树伟.神奇的太阳能空调技术.发明与创新[J].2009(8):21—22 [2] 薛德千.太阳能制冷技术.北京:化学工业出版社.2006(9):45—47 [3] El Fadar, A. Mimet, M. Pérez-García.Modelling and performance study of a continuous adsorption refrigeration system driven by parabolic trough solar collector. Solar Energy.2009,83(6),850—861. [4]、[11] 易义武，刘霏霏，戴源德.太阳能制冷技术的研究概况，节能与环保[J].2006(1): 24—26 [5] 薛德千.太阳能制冷技术.北京:化学工业出版社.2006,9,:110—111 [6] 朱冬生，汪立军，康新宇等(太阳能吸附器中强化热传导性能的实验研究[J](太阳 能学报，1998,(2):190—196( [7] S.V.Shelton.Ramp wave analysis of the solid/vapor heat pump.Journal of Energy Resources Technology,Vol 112 No.3,69—78,1990 [8] K.C.A. Alam , B.B. Saha, A. Akisawa, T. Kashiwagi.Optimization of a solar driven adsorption refrigeration system. 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Alam , B.B. Saha, A. Akisawa, T. Kashiwagi Abstract:This paper deals with the thermodynamic optimization of a solar driven adsorption refrigeration system. An externally irreversible but internally endoreversible model has been employed to analyse the optimum conditions for which the maximum refrigeration effect can be achieved. It is seen that a chiller attains its highest capacity if the thermal conductances of the heat exchangers are distributed properly. It is also seen that half of the total thermal conductances are allocated between the condenser and adsorber heat exchangers that release heat to the external ambient. The coefficient of performance (COP) for the optimum conditions is also presented. It is observed that the COP increases in parallel with the opt dimensionless collector stagnation temperature, τ, as well as with the increase of the required st refrigeration space temperature, τ, while the COP decreases as the ratio of collector size to Lopt the cumulative size of all four heat exchangers, B, increases. A continuous cycle solar thermal refrigeration system H. Valizadeh, N. Ashrafi Abstract:A Platen-Munters refrigerator has been modified to operate with heat collected from solar energy conversion in a solar thermal continuous cycle refrigeration system. The results show that temperatures as low as ?19?C are routinely achievable. The incorporation of a solar thermal battery can increase the refrigeration period to as long as 10 hours to provide cooling power for as long as 36 hours. Analysis and simulation of a solar-powered refrigeration cycle 1Sommerfeld, Jude T. Abstract: Current CAPD systems in chemical engineering have a graphical user interface (GUI) as their input/output medium, and operate on a personnel computer (PC) platform. One such modern system is HYSYS. This article demonstrates the applicability of the HYSYS computer-aided process design system to the simulation and analysis of a solar-powered refrigeration cycle. (12 refs.) Modelling and performance study of a continuous adsorption refrigeration system driven by parabolic trough solar collector El Fadar, A. Mimet, M. Pérez-García Abstract:This article suggests a numerical study of a continuous adsorption refrigeration system consisting of two adsorbent beds and powered by parabolic trough solar collector (PTC). Activated carbon as adsorbent and ammonia as refrigerant are selected. A predictive model accounting for heat balance in the solar collector components and instantaneous heat and mass transfer in adsorbent bed is presented. The validity of the theoretical model has been tested by comparison with experimental data of the temperature evolution within the adsorber during isosteric heating phase. A good agreement is obtained. The system performance is assessed in terms of specific cooling power (SCP), refrigeration cycle COP (COP) and cycle solar coefficient of performance (COP), which were evaluated by a cycle simulation s computer program. The temperature, pressure and adsorbed mass profiles in the two adsorbers have been shown. The influences of some important operating and design parameters on the system performance have been analyzed. SURVEY OF SOLAR-POWERED REFRIGERATION. Swartman, R.K.; Ha, V.; Newton, A.J. Abstract: A survey is carried out on the application of solar energy to refrigeration. The literature is reviewed in chronological order showing the progress since the first attempt in 1936. Two systems are considered: the vapor-compression and the absorption systems. Various significant developments are reviewed and their potential critically assessed.