(完整word版)太阳能固体吸附式制冷空调原理及前景

太阳能固体吸附式制冷空调原理及前景

一.前言

随着人们生活水平的大幅提高，空调器已逐渐成为家庭必备的家用电器，另一方面，大范围地使用传统制冷方式已经给环境造成了极大的破坏。首先是臭氧层空洞问题。传统制冷机广泛采用氯氟烃类制冷剂简称CFC，HCFC，它们会催化分解臭氧，削弱对紫外线的阻挡，威胁人类健康；其次，每年常规高能耗的制冷需求占用国家电力消耗的比例迅速增加，引起电力紧张，各地兴建各类发电站，火力占主要，大量烧煤增排CO2增强温室效应，引起全球升温；再次，能源短缺已然成为世界性的问题，普通空调器的普及显然是不利与于能源节约的，近几年来夏季我国各地特别是沿海停电现象严重，拉电限电十分普遍。

基于以上的问题，人们已经逐渐认识到可持续发展的重要性，同时也积极开发对能源有效利用和保护环境的新技术。太阳能固体吸附式制冷技术作为一种以太阳能为能源并且对环境无破坏作用的新型技术备受关注。

国外于二十世纪六七十年代就开始了对吸附式循环的研究。国内的研究开始于八十年代初，严爱珍等人曾在1982年对吸附式制冷作过研究，使用的工质是沸石分子筛-水和沸石分子筛-乙醇。1992年巴黎国际吸附式制冷会议带动了该技术的研究，在接下来的国际会议上均有上百篇论文发表，该项技术得到不断发展。

二. 工作原理

固体吸附式制冷技术的原理包括吸附和脱附两个过程。

1.脱附.

左图是脱附过程的简单模型图。吸附床

内充满了吸附剂，吸附有制冷剂，冷凝

器与冷却系统相连，一般冷却介质为水。

工作时，太阳能集热器对吸附床加热，

制冷剂获得能量克服吸附剂的吸引力从

吸附剂表面脱附，进入右边管道，系统

压力增加，C1导通，C2关闭。当压力与

冷凝器中对应温度下的饱和压力相等

时，制冷剂开始液化冷凝，最终制冷剂

凝结在蒸发器中，脱附过程结束。在这个过程中，太阳能集热器供能Q1，冷凝器放热Q4由冷却水排除到系统之外。

2.吸附.

右图是吸附过程的简单模型图。冷却系统对吸附

床进行冷却，温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂，

左边管道内压力降低，C2导通，C1关闭，蒸发

器中的制冷剂因压力瞬间降低而蒸发吸热，达到

制冷效果，制冷剂达到吸附床，吸附过程结束。

在此过程中，吸附床放热Q2，被冷却水排除到

系统之外，蒸发器从环境中吸收Q3的热量。

以上只是最简单的模型图，由上可知单台吸

附床工作时制冷是间歇式的，不能连续制冷，要达到连续制冷的效果，必须使用两台或两台以上的吸附床，交错运行，制冷的循环就连续了。

三. 优点和缺点

要了解吸附式制冷技术的优点和缺点，有必要将其与吸收式制冷技术进行比较，由于两者是十分相近的制冷方式，但是在产业化方面，吸收式制冷技术明显优于吸附式制冷技术，通过比较可能会获得有用信息。

两者既有相同之处也有相异之处，下面先从原理，工质的环保，能量来源三方面简单讲述相同之处：

1.原理上，吸附式制冷与吸收式制冷是两个循环特性十分相近的制冷方式，其制冷原理为：制冷剂在低压（相对）下蒸发，从环境中吸热制冷,两者都是利用物质的吸附（吸收）作用，吸附（吸收）制冷剂蒸气，所释放的吸附（吸收）热被冷却介质排除于系统之外，经加热后制冷剂蒸气重新从吸附（吸收）剂中脱附（发生）而出，经冷凝器凝结为冷剂液，并进入蒸发器蒸发，如此循环往复。

2.工质的环保上，吸收式制冷的吸收剂一般为流动性良好的液体介质，常用的有氨-水，溴化锂水溶液等制冷工质。吸附式制冷的吸附剂一般为固体介质，常使用分子筛-水活性炭-甲醇，活性炭-氨制冷工质对等，这些工质都是天然工质，大部分对环境无害，比较环保。

3.能量的来源上，两者都可利用热能，特别是低品位的热能驱动，所以太阳能是个不错的选择，无污染，制冷系统本身仅需要极少的电量，因此也省电。这两种制冷方式为节省能源提供了可行的技术手段。

当然两者还有其他相同之处，列述三项。以下从安全性，传质差别，蒸气通道和制冷量四方面简述相异之处：

1.安全性上，在溴化锂吸收式制冷机中，若溶液温度低于其结晶饱和温度，溴化锂将从溶液中析出而结晶，从而堵塞系统管路或热交器，使运行中断，有安全隐患。而吸附式制冷中不存在溶液结晶的问题，比较安全。

2.传质差别上，吸收式制冷机中采用液体工质，液体内部同时存在导热和对流的传热方式且以对流为主，换热系数大，传热效果好。吸附式制冷机中吸附剂为固体，其内部传热只能采用导热方式，并用吸附剂的导热系数一般都很小，所以其换热能力远不如液体。

3.蒸气通道上，吸收式制冷循环是一个连续的制冷过程，发生器与冷凝器，吸收器与蒸发器之间，气流的通道的截面面积比较大，对制冷剂蒸气的阻力很小，制冷剂蒸气在流动中的压力损失对整个制冷过程影响不大．但是在吸附式制冷系统中，由于工作的间歇性，往往需要多台吸附床同时工作，这个过程中需要进行管路切换，制冷剂蒸气管路阻力较大，对制冷量较大的机组影响很大，降低制冷效果。

4.制冷量上，目前吸收式制冷机的制冷量小则几十千瓦，大则数千千瓦，民用性相对比较差，比较适用于企事业单位和大型的场所；由于不同功率机组的配件成本相差不大，成本主要花在传热管的耗材上，机组制冷量越大，单位制冷量的制造价格越低。目前吸附式制冷机受制造工艺的限制，制冷量较小，一般只有数千瓦至上百千瓦，如果将来技术过关的话，前景是很不错的．

通过以上的简单比较可以知道太阳能吸附式制冷技术有许多优点：一.吸附式制冷所使用的制冷剂是对环境相对友好的物质（甲醇，氨，水等）不采用氯氟烃类制冷剂那样会破坏臭氧层的物质，值得开发；二.吸附式制冷可采用太阳能驱动，不仅对电力的紧张供应可起到减缓作用，而且不污染环境；三.安全性能高，无运动部件，适用广。当然该技术也有不足之处：一.固体吸附剂导热性能差，传热效果远不如液体，因此脱附和吸附的时间长；二.单位质量的吸附剂的制冷功率与吸收式相比是比较小的，要达到一定的制冷效果制冷机的尺寸就造得较大。三.吸附式制冷存在间歇性，要实现制冷的连续性，必须使用二台或多台吸附床，通过多台吸附床加热/冷却运行状态的切换，实施不断供冷，在制冷过程中需要进行管路切换产生较大的阻力，影响制冷机的制冷量，降低制冷功率。另外，太阳能固体吸附式制冷技术还有能有效利用低品位热源，噪声低，寿命长等优点。