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]。 3.1 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。 3.2 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。