一种新的太阳能吸收式制冷系统中的蓄能技术

收稿日期：2002-01-15.作者简介：万忠民（1977-），男，硕士研究生；武汉，华中科技大学能源与动力工程学院（430074）.基金项目：湖北省自然科学基金资助项目（99Jo32）.一种新的太阳能吸收式制冷系统中的蓄能技术万忠民舒水明华中科技大学()能源与动力工程学院郭义明中国船舶重工集团公司704()研究所摘要：提出了一种可用于太阳能吸收式制冷系统中的新型蓄能循环，利用储存的浓度势差，实现全天候制冷!分析了它的性能特性，并与传统的蓄热方式和蓄冷方式的蓄能系统进行分析比较，结果表明，在获得冷量相同情况下，新型循环的蓄能体积是传统系统蓄能体积的0!2以下，1m 3蓄能体积的冷量能维持50~60m 2房间的夜间冷量，促进蓄能装置小型化，从而推动小型太阳能吸收式蓄能空调的商品化.关键词：制冷；蓄能；太阳能；吸收式；空调中图分类号：TB61文献标识码：A文章编号：1671-4512（2002）07-0014-03传统的太阳能吸收式空调的蓄能装置分为两种［1］.一种是以热量的形式储存高温水，用热源推动吸收式制冷机制冷；在辐射强的情况下，启动制冷机获得富裕高温水.另一种是以冷媒水的形式储存，在没有辐射的夜间利用其作为夜间释放冷媒水储存的冷量.但是这两种蓄能装置由于都是利用水的显热，因此其设备庞大，效率低，难以实现空调的小型化和商品化［2］.本研究所提出的新型太阳能吸收式空调中的蓄能与节能技术，可以克服以上蓄能空调系统所具有的缺点.!工作原理在太阳能吸收式制冷系统中，储存液态冷剂的相变潜热来储存能量.图1为新型太阳能两级吸收式蓄能循环的原理图，在太阳能吸收式制冷图1新型吸收式蓄能循环原理系统的发生热源富裕的时候，将发生器出来的水蒸气冷凝成液体，一部分直接进入蒸发器蒸发制冷，而将多余的液态冷剂储存在冷剂储存器中；将发生得到的一部分LiBI 浓溶液直接进入吸收器，吸收来自蒸发器的水蒸气，其余富裕的浓溶液储存在LiBI 浓溶液储存器中；在外界热源消失或减少的情况下，释放其储存的浓溶液.这部分浓溶液吸收储存的冷剂水挥发出的水蒸气而直接制冷，而将吸收后的稀溶液进入LiBI 稀溶液储存器中储存.图2为新型太阳能吸收式蓄能系统图.系统的组成：1（冷剂水储存器）；2（LiBI浓溶液储存图2新型的蓄能与节能循环系统图器）；5（LiBI 稀溶液储存器）；71，72，73，74，75，76，78，79（调节阀）；6，6*（溶液热交换器）；12，13（流量调节器）；20，27，32（冷却水进出口）；91（高压发生器）；4（冷凝器）；23，25（热源进出口）；92（低压发第30卷第7期华中科技大学学报（自然科学版）VOI.30NO.72002年7月J.HuazhOng Univ.Of Sci.&Tech.（NatuIe Science EditiOn ）JuI.2002生器）；8l（高压吸收器）；82（低压吸收器）；30（冷媒水进出口）；3（蒸发器）；34（真空泵）.其工作过程：在白天太阳辐射强（有过多的热源能量）的时候，调节阀72，73，74，7l，79，76，77打开，而75，78关闭，通过需要冷负荷的多少来调节流量调节阀l2和l3，使在吸收器中吸收循环的浓溶液与冷剂水的流量达到负荷所需的冷量，将多余的浓溶液和已经冷却成水的冷剂分别储存在l和2中，将循环的稀溶液与5导出的稀溶液混合进入高压发生器发生.在夜晚没有热源的情况下，74和79关闭，75和78打开从而实现液体冷剂水直接喷淋，浓溶液直接吸收冷剂水，利用其潜热达到蓄能的目的.!性能分析传统的太阳能驱动的吸收式制冷系统的蓄能装置有两种形式，其一为将从太阳吸收来的热量储存在蓄热水装置中，在夜间太阳辐射消失时将储存的热水通过吸收式制冷机产生冷量，以供空调所用（即通过蓄热的方式储存能量，以下简称方式一）；其二是在太阳辐射较强的时候利用制冷机产生多余的冷量，通过蓄冷槽将冷量储存起来，在太阳辐射较小的时候释放其储存的冷量来实现制冷（即以蓄冷的方式储存冷量，以下简称方式二）.下面将它们与新型循环蓄能装置的蓄能效率进行计算比较：两级吸收式制冷机的热力系数Ccop为0.3~0.4，设传统的以蓄热方式的蓄能装置温度利用范围为!T，在获得相同的制冷量时有：0Ctrdl=0E/C cop=C trdl M trdl!T trdl；0Ctrd2=0E=C trd2M trd2!T trd2；0E=（hn-h'）M noww.此时，浓溶液的循环倍率为!，故：V nowt=M noww/"w+M LiBr/"LiBr+（Mnoww+M LiBr）/"LiBr；#l=V trdl/V nowt=M trdl/（"wl V nowt）；#2=V trd2/V nowt=M trd2/（"wl V nowt），式中，0E 为能够获得的总的冷量；Vnowt为新型循环中蓄能装置的总体积；Mnoww为新型循环中的冷剂水的总质量；MLiBr为新型循环中的LiBr浓溶液总质量；"w为新型循环的冷剂水密度；"w和"w为方式一、二水平均密度；"LiBr为LiBr浓溶液的密度；hn为水蒸汽的焓，h'为冷剂水的焓；0Ctrdl和0Ctrd2为方式一和方式二的蓄能量；C trdl和C trd2为方式一、方式二水的平均比热；Mtrdl 和Mtrd2为方式一和二的蓄能水总质量；!T trdl和!T trd2为方式一和二的可利用温差；Vtrdl和Vtrd2为方式一和二的蓄能装置总体积；#为新型蓄能装置的效率.根据以上公式可得到相同的冷量所需的传统的蓄能装置的总体积与新型需能系统总体积之比.新型蓄能循环蓄能总体积与制冷量的关系如图3所示，从图中可见，在蓄能体积为l m3时，其总的蓄冷量可达l20MJ.图4为Ccop为0.2~0.4图3蓄能系统蓄冷量与蓄能体积的关系时，在获得相同的冷量（l20MJ），!T l=l5C（方式图4蓄能装置总体积与Ccop的关系一的可利用温差），!T2=7C（方式二的可利用温差）时，所需的蓄能装置总体积与ccop的关系，从图中得到当0.3时，#l=6.5，即传统的以蓄热方式蓄能的装置总体积是新型循环蓄能装置的6.5倍；#2=4，即以蓄冷方式能的装置的总体积是新型循环的4倍；在0.4时，#l=5方式一蓄能装置的总体积是新型循环蓄能装置的5倍，#2=4，即方二的总体积是新型循环的4倍.根据0E=g0S r t，式中，S r为可供的房间面积；t为能够供冷的时间；g为房间夜间所需的单位冷负荷.图5所示为在吸收式制冷机的低压级循环倍率!=l5时蓄能装置的总体积与供应房间面积的关系，图中显示出在蓄能装置的总体积为l m3时，可以对50~60m2的房间供冷达到61以上，可以实现小型太阳能吸收式空调的全天候工作，占地面积较小，完全适合普通家庭使用，克服目前蓄能装置体积太大的缺点.新型蓄能循环的另一个优点是它具有节能效果，方式一中蓄能的热水的温度一般在80~90C，远大于环境的温度，而方式二中储存的低温5l第7期万忠民等：一种新的太阳能吸收式制冷系统中的蓄能技术图蓄能装置总体积与房间面积关系水，一般为，其温度比环境温度低，在这两种情况下，难免会出现漏热损失，降低蓄能的效果新型蓄能循环系统中由于经过太阳能吸收式制冷机的溶液热交换器后的浓溶液的温度大约为，较大气的温度高，将图中的作成热交换器的形式（也可不作为热交换器），使空气与浓溶液直接进行热量交换.在这里定义一个冷却效率系数!，即!0/0c，式中，0c为高压级与低压级中的总冷凝热量.该参数反映了制取一定的冷量所需要的冷凝热量，此参数越大，说明得到相同的冷量其冷凝量越少，也就越节能.传统冷却效率系数与新型冷却效率系数的关系为!'=0/［0/!-（"-）!C P M!T］，式中，!为传统系统的冷却效率系数；!'为新型蓄能循环的冷却效率系数；!T为浓溶液与大气之间的传热温差.图为传热温差!T在时，!'随!T的变化趋势.从图中可以看出，!T 在（浓溶液不结晶的情况下）时，!'为图新型蓄能系统的!'与!T关系. 8.3 ，比传统的冷却效率系数!提高3.39 ，正常的传热温差!T为时，其!'为. 94，比传统蓄能技术提高.9，可见其节能效果是很好的浓溶液的温度降低，从而吸收器中的浓溶液能有效地吸收水蒸气，减少吸收器中冷凝水的负荷，有利于节能和提高循环系统的热力系数.参考文献［］高田秋一吸收式制冷机北京：机械工业出版社， 987［］Kang Y T，Kunugi Y，Kashiwagi T Review of advanced ab-sorption cycies：performance improvement and temperatureiift enhancement Internationai Journai of Refrigeration，， 3：388 4A new technology for storaging energy in the solarabsorption air-conditionWan Zhongmin Shu Shuiming Guo YimingAbstract：A new energy storage unit in the soiar absorption cycie was researched The concentration potentiai dif-ference of mass transfer and iatent heat were stored with the new unit in order to obtain coid ioad whiie the tempera-ture of heat resource feii or heat resource disappeared The performance of the storage unit was anaiyzed The new storage energy unit was compared with traditionai units with hot water and cooied water The voiume of a traditionai energy storage unit was4times more than a new unit on the same condition The refrigeration capacity of a room with m couid be provided with m3new storage energy unit，and a smaiier soiar absorption energy storage air-conditioner couid be commerciaiiy producedKey words：refrigeration；energy storage；soiar；absorption；air-conditionWan Zhongmin Posteraduate；Coiiege of nergy&Power ng ，Huazhong Univ of Sci &Tech ，Wuhan43 74，China华中科技大学学报（自然科学版）第3 卷。