文献3-太阳能固体吸附式制冷技术在制冷空调装置中的应用_刘涛

太阳能固体吸附式制冷技术在制冷空调装置中的应用刘 涛∗（华东交通大学 330013）【摘 要】 随着能源和环境问题与社会经济发展的矛盾日益突出，开发出无CFCs 问题的制冷方式、采用可再生能源为动力的制冷空调装置已越来越引起人们的重视。

本文介绍了太阳能固体吸附技术的工作原理，分析了太阳能固体吸附制冷技术在制冷空调装置应用的现状、存在的问题及解决的措施，提出应大力推广太阳能固体吸附技术在制冷空调装置中的应用。

【关键词】 太阳能; 固体吸附制冷; 制冷空调装置; 应用The Application of Solar Energy Solid-state Absorbent Refrigerant Skillto Refrigerant Air Conditioning ApparatusLiu Tao(East China Jiao Tong University 330013)【Abstract 】 With the contradictions between energy ，environmental problems and social economic development becoming greater and greater ，people pay more attention to non-CFCs refrigerant pattern and refrigerant air conditioning apparatus that uses renewable energy as power 。

This paper shows the working theory of this specific skill ，current situation ，problems and solving methods and puts forward that we must extend the application of solar energy solid-state absorbent refrigerant skill to refrigerant as conditioning apparatus 。

【Key words 】 solar energy ； solid-state absorbent refrigerant ； refrigerant and conditioning apparatus ； application∗刘涛, 男，1969年出生，华东交通大学在读工程硕士，讲师。

主要从事暖通空调方面的教学与研究。

1 引言随着经济社会的发展，能源与环境问题已成为制约世界经济发展的“瓶颈”，开发可再生能源与减少环境污染走可持续发展之路已在世界范围内取得共识。

制冷空调装置的能耗及环境污染问题已越来越引起人们的重视，一方面，制冷空调装置的耗能量几乎占总耗能量的30 %～40 %；另一方面，在全球十大环境问题中, 臭氧层损耗、地球温室效应以及全球变暖等生态危机都与过去几十年间CFCs 在制冷空调装置中广泛使用有关系。

目前开发的R12、R22的替代品R134a并不是一种环保的制冷剂，其对地球温室效应的影响（GWP）要比CO 2高1300倍，仍属于过度性制冷剂。

因此，积极开发无CFCs 问题的制冷方式(如吸收式、吸附式、半导体制冷等)，采用低品位的可再生能源为动力，解决制冷空调装置的环保问题是我们面临的一项重要研究课题。

太阳能吸附制冷技术正是解决这一问题的有效途径之一,一方面,太阳能是一种用之不竭,取之不尽、随处可得的廉价、无污染且安全的可再生能源；另一方面,太阳能吸附式制冷技术具有结构简单、无运动部件、无噪声、抗震性好、使用寿命长、减弱热岛效应、满足环保要求等优点。

2 太阳能固体吸附式制冷的工作原理太阳能固体吸附制冷的工作原理是：利用一定的固体吸附剂（如沸石、活性炭等）对某些工质（如水、氨、甲醛等）气体的吸附能力随温度不同而不同，加热吸附剂时析出制冷剂气体，并使之凝为液体，而在冷却吸附剂时，制冷剂蒸发，产生制冷作用。

太阳能吸附式制冷系统主要有太阳能吸附集热器、冷凝器、蒸发储液器、风机盘管、冷媒水泵等部分组成。

如图1所示。

白天太阳辐照充足时，太阳能吸附集热器吸收太阳辐射能后，吸附床温度升高，使制冷剂从吸附剂中解吸，太阳能吸附集热器内压力升高。

解吸出来的制冷剂进入冷凝器，经冷却介质冷却后凝结为液态，进入蒸发储液器，这个过程称为受热解吸过程。

这样，太阳能就转化为吸附势能储备起来。

夜间或太阳辐照不足时，环境温度低，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，产生制冷效果，这个过程称为吸附制冷过程产生。

冷量一部分以冷媒水的形式从风机盘管输出，另一部分储存在蒸发储液器中。

当只有一个吸附床时，系统为间歇型制冷系统；当采用两个吸附床时，系统为连续型制冷系统。

按照被吸附剂与制冷剂之间吸附力的不同,吸附可分为物理吸附和化学吸附。

物理吸附是分子间范德华力所引起的,而化学吸附是吸附剂与制冷剂之间通过化学键起作用的结果,吸附与解吸过程都伴随有化学反应。

图1 太阳能吸附式制冷系统的工作原理示意图3 太阳能固体吸附制冷技术在制冷空调装置中应用的研究现状对固体吸附制冷技术的研究是二十世纪三十年代Faraday发现氯化银吸附氨产生制冷现象开始的，70 年代的能源危机为吸附式制冷技术的发展提供了契机，90 年代保护环境的呼声和困扰传统的蒸汽压缩式制冷技术的CFCs 问题再次为其提供了良好的发展机会。

国内外科研机构对太阳能固体吸附制冷技术进行了大量的试验与研究。

美国的Power公司采用沸石-水作为工质对，太阳能为热源，在制冷和空气调节等方面已成功进行了商业开发，他们把沸石吸附剂装在深5cm的涂黑金属集热盒组成共用器，冷凝器与蒸发器合装在冰箱内，对集热器为0.7m2的冰箱进行了测试，结果为产冰0.8kg(0℃左右)，COP值为0.15。

他们还在建筑物上建立了太阳能吸附式空调，以冷凝器与蒸发器合并为一个部件，用外部回路冷却，白天析出的水蒸汽在冷凝器中冷凝，冷凝热传到外部水回路中，可供家庭生活用热水及冬天房间采暖；夜间，在蒸发器中的水蒸发，产生的冷媒水供空调使用。

冬季不要冷水，可使其不发生蒸发过程，水直接进入共用器。

法国的M.Pons等人以活性炭-甲醇工质对，太阳能为热源，成功地进行了太阳能吸附制冷机的试验。

该装置太阳能集热器用铜制成，面积为6m2，集热器下面的吸附剂床层厚度为5cm,共130kg,整个装置密封，采用空冷冷凝器。

在法国一个阳光的白天，测试结果为产冰37kg(-3℃),COP值为0.12。

在摩洛哥南部的试验测试表明一年的60%时间，每m2集热器每天产冰量每天4kg,冰的温度在-15℃～-5℃之间。

如果增加辅助冷却系统，则每天产冷量可提高20%以上。

上海交通大学的刘震炎等人在太阳能真空管集热管和固体吸附制冷技术的基础上,考虑到太阳能作为辐射能这一特点，成功地研制了一种新型无污染的非金属太阳能制冷管,使太阳能加热和制冷集中在一根管子上完成,且由于各根冷管自成一体,宜于密封并长期保持较高的真空度。

并试制了一台太阳能冷管型制冷系统试验样机,该样机共有13 根冷管,集热器面积为0.9 m2 ,试验过程中从8时至15 时接收太阳能。

当此段时间的日射密度为20Mj/m2 时,可使制冷箱内25 kg 的水在吸附制冷循环阶段从29℃下降到17℃,COP 值约为7%。

分析表明这样的系统尤适合我国的新疆、西藏等昼夜温差大的地区。

4 太阳能固体吸附制冷空调装置目前存在的问题及改进的措施4.1 太阳能固体吸附式制冷空调装置目前存在的主要问题太阳能吸附式制冷空调装置主要存在三个难点，第一、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。

第二、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。

第三、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难题。

4.2 改进措施近年来，为了解决太阳能吸附制冷技术存在的难题，各国科研人员进行了大量的试验与研究，主要在两个方面对太阳能固体吸附式制冷空调装置进行改进。

一方面，对太阳能集热器进行改进，采用热管式真空集热器，提高系统的运行温度；另一方面，在吸附剂—制冷剂工质对、系统内的传热性能和采用高效的吸附制冷循环方面进行改进，提高循环的性能。

(1)热管式真空管集热器热管式真空集热器是金属吸热体真空集热管的一种，其结构见图2。

在热管式真空集热管工作时，太阳辐射穿过玻璃管后投射在金属吸热板上，吸热板吸收太阳辐射能并将其转换为热能，再传导给紧密结合在吸热板中间的热管，使热管蒸发段内的工质迅速汽化，工质蒸气上升到热管冷凝段后，在较冷的表面上凝结，释放出蒸发潜热，将热量传递给集热器的传热工质。

凝结后的液态工质依靠自身的重力流回到蒸发段，然后重复上述过程。

热管式真空管集热器具有运行温度高、耐热冲击、耐压能力强及启动快等优点，采用热管式真空集热其可以解决太阳能固体吸附式制冷空调装置中高温驱动热源的问题。

(图2 热管式真空集热热管结构示意图1-热管冷凝段；2-金属封盖；3-玻璃管；4-金属吸热板；5-热管蒸发段；6-弹簧支架；7-蒸发器消气剂；8-非蒸散型消气剂2)新的工质对对于采用不同的制冷剂工质对的固体吸附式制冷，其应用范围和工作特性是不同的。

目前主要使用的工质对有：活性炭-甲醇/氨、沸石-水、硅胶-水和氯化钙-氨等。

最近，上海交通大学王入竹教授提出一种新的吸附剂—活性炭纤维，与活性炭相比，单位活性炭纤维的制冷量可达到活性炭的2～3倍，采用活性炭纤维做吸附剂可使吸附/解析时间缩短为活性炭系统的1/10。

因而可使循环的周期大大缩短，这对吸附式系统做得更紧凑意义很大。

试验结果：在90-100℃热源驱动下，一个吸附器采用800克活性炭纤维可日制冰5千克。

(3)强化吸附床传热吸附床中传热的强化可提高吸附/解析速率，缩短循环周期。

这可以从改善吸附介质的传热性能和采用先进的吸附床结构两个方面来改进。

① 吸附介质吸附剂为多孔物质，一般都是粉状或颗粒状,其热阻大，导热性差。

可将吸附剂加工成圈片或圆柱状结构，既有利于减少吸附剂与换热壁面的接触热阻，也改善了吸附床的传热性能，并增加吸附剂的填充量。

② 吸附床结构一个有效地增加吸附床传热的方法是减少吸附床厚度并增大和外界的换热面积。

它是通过在吸附床插入金属肋片来实现的，肋片很薄不到1毫米，相互间的间隙也只有几毫米。