太阳能吸附式制冷关键环节分析及其优化

太阳能吸附式制冷关键环节分析及其优化1杨宏坤，宋正昶*，孙守强，梁军辉，王晓龙中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州（221008）E-mail ：xavier576@ 摘 要：太阳能吸附式制冷作为一种环保、可靠的低品味热能利用方式，正受到越来越多的科研工作者的关注。

本文介绍了太阳能吸附式制冷的热力过程，并以循环中的三个关键环节为出发点，介绍了国内外近些年来的试验成果，进行了比较分析，为太阳能吸附式制冷系统设计指出了改进方向。

关键词：吸附式制冷，太阳能，工质对，吸附床，集热器，优化1. 引言作为当今世界新能源开发利用的重要组成部分，太阳能的热利用早已随着太阳能热水器等设备的普及而深入人心。

与此同时，以太阳能为驱动热源的吸附式制冷机制，因其应用前景广阔，对低品味热源利用率高等特点，吸引了国内外众多科研工作者的目光。

国外对吸附式制冷的研究始于上世纪20年代初，虽然受限于其效率低，制冷量小，循环时间较长等缺点而一度停滞不前，但伴随着近些年来的能源危机出现，太阳能吸附式制冷又在欧美、日本等发达国家取得了长足的发展。

我国对吸附式制冷的研究起步较晚，但经过如上海交通大学低温研究所等科研单位的不懈努力，目前也取得了一些可喜的成果[ 1 ]，江苏辉煌太阳能公司还生产了太阳能热水-空调一体机[ 2 ]，获得了很好的经济效益。

2. 太阳能吸附式制冷的主要部件与基本热力循环与利用其它热源的吸附式制冷机构相似[ 3 ]，太阳能吸附式制冷系统中主要包含四个部件：集热器、吸附床、冷凝器和蒸发器（如图1）。

此外，还包括畜液器和阀门等辅助部件。

图1.太阳能吸附式制冷机构简图 图2.吸附式制冷基本热力循环过程1-2：吸附床吸收来自集热器的热量1Q ，加热吸附有制冷剂的吸附剂至2T ,同时吸附床内的压力升高至2P ，此过程中假设制冷剂压力达到2P 前没有解吸，且假设加热过程为 1本篇文章为江苏省大学生科研训练项目《燃气太阳能固体吸附式热泵空调》课题论文。

一等容过程，则吸附床吸收的潜热可表示为： ∫∫+=1212)()(1T T c c T T a a dT M T c dT M T c Q 式中，a M ，)(T c a 为吸附剂质量与定压比热容，c M ，)(T c c 为制冷剂剂质量与定压比热容。

过程2-3，2-5：吸附剂继续被加热至最大解吸温度5T ，同时制冷剂等压解吸，进入冷凝器被冷凝。

冷凝过程中放出的热量为∫∆+∆=52)(T T a e a cond xdT M T c x L M Q式中，x ∆为吸附率的变化量，e L 为汽化潜热。

过程3-4，5-6：冷却吸附剂，使吸附床内降温降压，且假设此过程中制冷剂没有被吸附。

过程4-1，6-1：继续冷却吸附剂，使其到达吸附温度6T 。

制冷剂由蒸发温度4T 沿等压线蒸发，实现制冷过程，进入吸附床内被吸附，完成制冷循环。

整个过程的制冷量为：x L M Q e a ref ∆=3. 太阳能吸附式制冷机制中的关键环节与改进方法3.1工质对的选择与优化作为吸附式制冷的核心，吸附剂-吸附质工质对的选择是在设计制冷机制的过程中需要着重考虑的方面。

在不同的应用环境下，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[ 4 ]。

一般来说，好的工质对应满足以下要求：吸附剂 对相应的吸附质的吸附容量大，且吸附速率快；比热容较小，具有良好的热传导性；在工作温度内性质稳定，不会分解；材料来源广，价格适宜，经济性好。

吸附质 物理化学性质满足应用环境的要求，热稳定性好；汽化潜热大；毒性低，对环境无污染，安全可靠。

目前，较为常用的吸附工质对主要有：分子筛-甲醇/乙醇/水，活性炭-甲醇/乙醇，硅胶-水，氨-氯化钙等，其主要性质的比较如表1所示。

王如竹等[ 5 ]，在经过对不同吸附工质对的研究后，得出了以下使用范围：冷冻（<253K ）：沸石-氨；制冰（273K ）：活性炭-甲醇；空调（278-288K ）：活性炭-甲醇、沸石/硅胶-水；采暖（333K ）：活性炭-氨、沸石-水；工业热泵（>373K ）：沸石-水。

表1 常用吸附工质对的性质对比 工质对名称制冷剂汽化潜（kJ /kg ） 极限吸附率 要求真空度 毒性 解析温度（℃）吸附温度（℃）近年来国内外试验样机的最大COP 备注 活性1102 0.28 高高90 350.33甲醇高于为克服传统吸附材料的缺点，目前的吸附工质对中常采用采用复合吸附剂。

以沸石分子筛为例，沸石分子筛是一种常用的吸附剂，可与多种吸附质如水、乙醇等组成工质对。

但限于其较低的导热系数（约为0.1W/mk ）,使得沸石吸附床的传热性能较差，系统循环时间长，吸附/解吸速度慢。

为了改善沸石的传热性能，很多试验机制采取了向分子筛内添加高导热材料的方法。

例如，将铜、镍、铝等金属做成粉末或泡沫状并与沸石均匀混合，从而提高分子筛的导热系数。

J.JGuillemiont 等制作的石墨和沸石组成的吸附剂[ 6 ]，测试导热性能可增强50-250倍，COP 可达0.69。

3.2，吸附床的机构设计作为吸附式制冷区别于其它制冷方法的核心部件，吸附床在整个吸附式制冷循环中起着关键作用。

根据吸附式制冷原理的要求，所设计的吸附床必须同时具备传热性能好，与传热流体对流换热迅速，并能克服低导热系数的吸附剂影响这三个特点。

但由于结构因素及传热机理，这三个特点又往往是相互矛盾相互制约的。

所以，吸附床的优化设计应从如何协调传热、传质、热容比之间的关系着手，使制冷机制发挥最大的热效率，获得更多的制冷量。

目前，使用较多的吸附床结构主要有平板式（图3）和管壳式（图4）。

平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。

壳管式吸附床结构紧凑，但传热效果有待改进。

图3.平板式吸附床简图 图4.壳管式吸附床截面图炭-甲醇150℃会分解 活性炭-乙醇842 0.2 中无100350.1 分子筛-水2258 0.33 高无90 320.40 不适于制冰 硅胶-水2258 - 高无60 320.58 温度过高会使硅胶烧毁 氨-氯化钙1250 - 低中85 49 1.7就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。

图5为以13X – 水为工质对的试验样机在不同传热结构下的吸附量比较[ 7 ]，不难看出加装肋片、翅片的吸附床具有更高的效率。

国内外所设计的大多数新式吸附床也都是从强化吸附剂导热系数和增加吸附床传热面积等方面入手，以改善吸附床导热条件，达到优化的目的。

兰青等[ 8]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。

经试验测试，采用该吸附床的太阳能制冰机可每天制备4.7 kg 的冰和2.3kg 的冰水混合物,COP 约为0.157。

李秋英等[ 9 ]使用分子筛-水作为工质对，壳管式吸附结构，在吸附床内布置多个吸附单元管，以放置吸附剂，通过管外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。

蔡宏伟[ 10 ]以增大吸附床的有效传热面积为出发点，对吸附床传热性能进行了分析，并提出了三种管式模型，并利用ANSYS 软件对各种模型进行了分析，得到了切实可行的优化方法。

张华等[ 11 ]从设备的简单化和微型化角度出发，拟设计了吸附式冷管（图6），提升了整体设备的密封性和稳定性。

并采用毛细管柔性联接方式，减小了热损失，增加了制冷量。

图5. 13X-水工质对在不同结构下的制冷量比较 图6. 吸附式冷管3.3 太阳能集热器及其集热性能优化太阳能吸附式制冷系统所使用的集热器大体上和目前太阳能热水器所使用的设备相同，按传热介质可分为液体集热器和空气集热器两大类。

太阳能集热器的核心是吸热板，吸热板的向阳表面涂有黑色吸热涂层，它的功能是吸收太阳的辐射能，并向传热介质传递热量。

在以液体为介质时，此种吸热板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等。

以空气为传热介质的太阳能集热器吸热板的结构常有网格式、蜂窝式和多孔床式等。

3.3.1集热性能指标评价太阳能集热器的性能指标主要包括有效加热量e Q 以及集热效率η。

∫∆++++=21)))((T T a fg pe e pe e pr pa a e xm h dT c m c m xc c m Q s e Q Q =η式中，s Q 为太阳能辐射热量∫=te s dt A t I Q 0)(，I 为太阳辐射强度，e A 为有效集热面积，t 日照时间。

3.3.2 集热性能优化 为增强集热效率，除提高吸热涂层的吸收率之外，经常采用优化采光的方法。

对于管式集热器，可利用聚焦原理将其制成的聚光型，利用光线的反射和折射原理，采用反射器或折射器使太阳光聚集照射在吸热体上，增大单位面积的辐射强度，从而使集热器获得多的能量。

对于不适合采用聚光形式的集热器，如平板型集热器，还可采用向辐射空间内充入二氧化碳等温室气体的方法，增强温室效应。

在设计太阳能-建筑一体化时，还应充分考虑集热器布置方式的修正[ 12]，以及太阳辐射32’张角等问题[13]。

近年来，有些学者提出了利用自动控制的方法，设计出太阳能集热器自动跟踪装置[14]，以实现集热器在一天中不同时刻都能获得最佳的集热位置。

4. 小结太阳能吸附式制冷是一种应用前景广阔的可再生能源利用技术，但目前还没有一种成熟的技术能将其投入大规模的应用。

从前文的分析不难看出，太阳能吸附式制冷技术主要有三个改进方向：（1）寻找一种高效、经济、安全可靠的工质对。

（2）优化吸附床的结构，提高床内传热传质效率。

（3）设计更高效的太阳能集热装置，控制热媒的合理工作温度。

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