太阳能制冷技术在溴化锂吸收式制冷机中的应用与研究

太阳能制冷技术在溴化锂吸收式制冷机中的应用与研究【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，利用清洁的太阳能作为溴化锂吸收式中央空调的热源的技术已越来越引起人们的重视。

本文介绍了太阳能吸收式制冷机的工作原理，对单效、双效和三效太阳能吸收式制冷机进行了比较分析。

【关键词】 太阳能；溴化锂吸收式制冷机；性能分析；应用Solar Energy Refrigerate Technology in LiBr Absorption Refrigerator Application and Study【Abstract 】 As energy ，environmental question and contradiction of social economic development being conspicuous day by day ，attention of utilizing clean solar energy to cause people more and more as the technology of the heat source of the absorbing type central air conditioner of lithium bromide. This paper has introduce the operation principle of the solar energy absorbing typerefrigeration machine ，has carried on comparative analysis to single result ，one pair of results and three result solar energy absorbing type refrigeration machines.【Keywords 】 solar energy; LiBr absorption refrigerator; performance analysis; application0 引言随着社会经济的发展，能源与环境问题已成为制约世界经济发展的“瓶颈”，开发新能源和可再生能源是中国乃至世界可持续发展能源基本战略的重要组成部分。

在能源消耗中，建筑物制冷空调的能耗占比较大的份额，目前大型建筑物大都采用溴化锂吸收式中央空调系统，以燃油或燃汽为动力，不仅消耗大量的不可再生资源，而且矿物质燃烧产生的硫化物和氮化物还会对环境造成污染。

而太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、对环境没有污染的特点，而且夏季太阳能的提供与建筑物制冷空调装置的需求有较好的一致性。

因此，利用太阳能制冷空调已成为目前研究的热点，在目前多种利用太阳能制冷方式中，溴化锂吸收式制冷系统的能量转换效率较高，且是目前较成熟的方式，溴化锂是绿色工质，对大气臭氧层没有破坏作用。

目前国内广东、山东已有2个利用太阳能的溴化锂吸收式制冷系统在示范运行。

1 太阳能吸收式制冷机的工作原理太阳能吸收式制冷就是利用太阳能集热器将水加热，为吸收式制冷机的发生器提供其所需要的热媒水，从而使吸收式制冷机正常运行，达到制冷的目的。

太阳能吸收式空调系统主要有太阳能集热器、吸收式制冷机、空调箱（或风机盘管）、锅炉、储水箱和自动控制系统等几部分组成。

由此可见，太阳能吸收式空调装置是在常规吸收式空调装置的基础上，增加太阳能集热器和储水箱等主要部件。

太阳能吸收式空调系统可以实现夏季制冷、冬季采暖、全年提供生活热水等多项功能，其工作原理如图1。

在夏季，被太阳能集热器加热的热水首先进入储水箱，当热水温度达到一定值时，从储水箱向吸收式制冷机提供热媒水；从吸收式制冷机流出并已降温的热水流回到储水箱，再由太阳能集热器加热成高温热水；吸收式制冷机产生的冷媒水进入空调箱，以达到制冷空调的目的。

当太阳能不足时，可w ww .z hu lo ng .c o m由辅助锅炉补充热量。

图1 太阳能吸收式空调系统工作原理示意图在冬季，同样先将太阳能集热器加热的热水进入储水箱，当热水温度达到一定值时，从储水箱直接向空调箱提供热水，以达到供热采暖的目的。

当太阳能不足时，也可由辅助锅炉补充热量。

在非空调采暖季节，只要将太阳能集热器加热的热水直接通向生活热水出水箱中的换热器，通过换热器就可以把储水箱中的冷水加热以供使用。

2 太阳能溴化锂吸收式制冷机2.1 太阳能单效溴化锂吸收式制冷机图2 单效太阳能溴化锂吸收式制冷循环工作原理示意图太阳能单效吸收式制冷机的最佳工作温度是在80～100℃，它的极限COP 值在0.7左右。

在冷却水温度为30℃，制备9℃冷冻水的情况下，制冷机在热源温度为80℃时，COP 值即可达到0.7，在85℃后即使再增加热源温度，制冷机的COP 值也不会有显著的变化了。

在相同冷却水和冷冻水温度的条件下，单效式制冷机在热源温度低于65℃后COP 值会急剧的下降，到了50℃时，单效式制冷机的COP 值降为0，无法产生冷量。

由以上的分析可知单效式吸收制冷机的COP 值相对来说不高，同时它对热源温度的要求也不高。

太阳能集热器是影响太阳能制冷系统造价的一个重要因素。

由于平板集热器不具备聚焦阳光的功能，其工作温度一般限于100℃以下，根据单效吸收式制冷机对热源要求不高的特点通常采用平板集热器作为单效吸收式制冷机的热源。

在价格方面平板集热器比真空管集热器或热管式集热器要低许多，这样既可以满足制冷机对热源温度的需要，又可以降低系统造价。

2.2 太阳能双效、三效溴化锂吸式制冷机单效吸收式制冷机的热源温度受到了浓溶液结晶的限制，为了充分利用高温热源，双效及三效的吸收式制冷机应运而生。

双效吸收式制冷机与单效相比，多了一个高压发生器、一个高温溶液热交换器、一个凝水换热器。

它的工作原理如下：在高压发生器中，稀溶液被高压蒸汽加热，在较高压力下产生出制冷剂蒸汽。

稀溶液浓缩成中间溶液。

再将这部分蒸汽通入低压发生器作为热源，加热高压发生器经高温溶液热交换器流至低压发生器中的中间溶液，使之在冷凝压力下再次产生冷剂蒸汽，中间溶液浓缩成浓溶液。

高压蒸汽的能量在高压发生器和低压发生器中两次得到利用，故称为双效循环，双效溴化锂吸式制冷的工作原理见图3。

与单效循环相比，产生同样制冷量所需的热源加热量减少，所以双效机组的热效率比单效机组高。

根据上述原理，进行扩展就是三效循环。

由于利用了高温热源，双效吸收式制冷机的COP 值可以达到1.0～1.2，而三效的可达1.7，这比单效的COP 值有了显著的提高。

同时我们也应该注意到太阳能双效、三效溴化锂吸式制冷机对热源温度要求比单效要高，采用平板式太阳能集热器难以达到热源温度的要求，需采用真空管或热管式太阳能集热器，这将增加系统的初投资。

图3 双效溴化锂吸收式制冷系统工作原理及h-ξ图w ww .z hu lo ng .c o m2.3 太阳能溴化锂吸收式制冷机热力学性能分析太阳能溴化锂吸收式制冷机的效率主要受两方面因素的影响：一个是制冷机的效率(COP)，另一个是太阳能集热器的效率（η）。

制冷机的COP随着驱动温度和蒸发温度的上升而上升，太阳能集热器的效率随着太阳辐射强度的上升而增大，随着介质温度的上升而减小。

对于溴化锂吸收式制冷机，其效率COP 为： 3210g Q g Q g Q Q op c ++=（1）式中 0Q ─制冷量，1g Q 、2g Q 、3g Q ─高压发生器Ⅰ、Ⅱ和低压发生器中的换热量。

对于平板型太阳能集热器，其效率η为： Gt t U a p Le −−=)(ητα （2）式中 G —太阳辐射照度，W/2m ；e )(τα─透明盖板透射比与吸热板吸收比的有效乘积；L U —集热器总热损系数，W/(2m ·K)；p t ─吸热板温度，℃； a t ─环境温度，℃。

由式（1）可知，影响溴化锂吸收式制冷机效率的因素主要是蒸发器中产生的制冷量0Q 和高、低压发生器中消耗的工作热源的热量1g Q 、2g Q 、3g Q ，而工作热源的热量由太阳能集热器或辅助锅炉产生。

由式（2）可知，影响平板式太阳能集热器效率η的主要因素主要是太阳辐照强度和集热器的热损系数。

将太阳能集热器效率η与制冷机的COP 值相乘就可以得到太阳能空调系统的总效率。

由此可见，为了获得最高的系统总效率，必须合理地选择太阳能集热器和制冷机，使其两者的效率乘积为最高。

在太阳能辐射强度不同的地区，采用不同的集热器与太阳能制冷机搭配，不仅可以提高太阳能制冷系统的效率，而且可以降低太阳能制冷系统的造价，这对于发挥太阳能制冷系统的优势和其推广运用是及其关键的措施。

太阳能具有间断性和不稳定性的特点，所以不论是何种太阳能驱动的制冷系统，为了保持稳定的制冷工况，辅助热源都是必不可少的。

一个好的太阳能制冷系统，不仅必须保证在任何条件下都能达到要求的制冷量，而且要求在任何情况下都能最大限度的利用太阳能。

2.4 太阳能单效、双效、三效溴化锂吸式制冷机的比较图4清晰地比较了在相同的工况下单效、双效、三效制冷机热源温度和COP 值之间的关系。

从图中可以看出，在热源温度为80～100℃时单效式工作在最佳的状态，即使再增加热源的温度，制冷机的COP 值也不会显著地提高。

显然热源温度超过100℃时，使用双效式制冷机就可以明显提高COP 值，同理当热源温度达到160℃时，三效式制冷机就可以满足要求。

值得注意的是，不管是那个形式的制冷机，他们都存在一个最低的临界热源温度，当热源温度低于这个值时，它们的COP 值就会急剧下降，这也是我们为什么必须在太阳能制冷系统中设置后备热源的原因。

图4 卡诺、单效、双效、三效溴化锂吸收式制冷机热源温度与COP 之间关系图虽然双效或三效太阳能制冷剂的COP 值比单效的高，但是其对工作热源的温度要求更高，太阳能集热器必须采用真空管或热管式，这将增加太阳能制冷系统的造价。

3 结论世界上虽已有太阳能制冷系统投入商业运营，但是距离大规模的应用还有很大的差距，如何降低太阳能制冷系统的造价使之更加广泛地走向商业化应用是当今太阳能制冷领域的主要研究课题。

要解决这一课题的关键主要有以下几方面：(1)研究出更加适应于太阳能利用的制冷机组(其主要方向是吸收式制冷和吸附式制冷)。

(2)加大对太阳能集热器的研究力度，进一步提高当前w ww .z hu lo ng .c o m集热器的集热效率和降低其造价。

(3)将太阳能制冷和太阳能供应热水切实合理地整合，真正使高品位和低品位的太阳能辐射各尽其用，达到系统全年运行。

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