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1、太阳能吸附式制冷综述学号姓名摘要：介绍了太阳能吸附式制冷的基本原理与特点，对吸附式制冷技术的研究 现状做了简要的分析，包括吸附工质对的性能、吸附床强化、系统循环与结构。 在此基础上，介绍了太阳能吸附式制冷的应用，主要应用的方面有低温储粮、制 冷与供热联合、吸附式空调。关键词：吸附式制冷 研究现状 应用1. 前言随着能源与环境问题与社会经济发展矛盾的日益突出，新能源的发展越来越 受到各国的关注，对风能、水能、潮汐能的开发与研究力度不断增加，而这些能 源的利用与发展根本上说是离不开太阳的。在制冷空调领域，太阳能制冷不仅可 以减少电力消耗，同时由于没有采用氟氯烃类物质，不会对大气臭氧层产生破坏， 属
2、于清洁能源，符合环保要求。另外，采用太阳能制冷其热量的供给和冷量的需 求在季节和数量上高度匹配，在夏季太阳辐射强、气温高，制冷量就越大。因此， 利用太阳能制冷技术对节约常规能源，保护自然环境都具有十分重要的意义。太阳能固体吸附式制冷技术由于利用了太阳能而减少了对传统能源的使用， 井通过使用天然友好的制冷剂从而避免了对环境的破坏。太阳能固体吸附式制冷 具有结构简单、初投资少、运行费用低、无运动部件、噪音小、寿命长且能适用 于振动或旋转等场所的优点。而且，太阳能在时间和地域上的分布特征与制冷空 调的用能特征具有高度的匹配性，因此，利用太阳热能驱动的固体吸附式制冷技 术的研究具有极大的潜力和优势1。
3、2. 太阳能固体吸附式制冷基本原理固体吸附式制冷是利用固体吸附剂（如沸石、活性炭、氯化钙）对制冷剂（如 水、甲醇、氨）的吸附和解吸作用实现制冷循环的，这种吸附与解吸的过程引起 压力的变化，相当于制冷压缩机的作用，吸附剂的再生可以在65200C下进行， 这很适合于太阳能的利用。吸附式制冷具有结构简单、运行费用低、无噪音、无 环境污染、基本不含动力部件，能有效利用低品味热源等一系列有点2。太阳辐射具有间歇性，因而太阳能吸附制冷系统都是以基本循环工作方式运 行制冷的，Cri to ph把太阳能固体吸附式制冷循环描述成四个阶段，即定容加热 过程、定压脱附过程、定容冷却过程、定压吸附过程4。如图所示，表
4、示一个 太阳能冰箱为原型的固体吸附式制冷装置，它的组成部分包括用太阳能供热的吸 附/发生器、冷凝器、蒸发器、阀门、贮液器。其工作过程简述如下，该过程的 热力循环如图所示：阀订太阳能吸附式制冷机工作简图4兀th兀 in為、爲7g2-/T热力循环图（1）循环从早上开始，关闭阀门，处于环境温度Ta2的吸附床被太阳能集热器加热，此时只有少量的工质脱附出来，吸附率x （表示单位质量的吸附剂对 制冷剂的吸附质量）近似为常数，吸附床内的压力不断升高，从蒸发压力Pe升 高到冷凝压力Pc,此时吸附床温度达到Tgl。（2）打开阀门，在恒压条件下吸附器中的吸附制冷剂继续受热直至温度达 到最大解吸温度Tg2。与此同时
5、，被吸附的制冷剂不断地脱附出来，并在冷凝器 中冷凝，冷凝下来地液体进入蒸发器中。（3）关闭阀门，此时已是傍晚，吸附床随太阳日照的消失逐渐冷却，相应 的内部压力下降到相当于蒸发温度下工质的饱和压力，即从Pc下降到Pe，该过 程中吸附率也近似不变，最终温度为Tai。（4）打开阀门，蒸发器中的制冷剂液体因压力骤减而迅速汽化，实现蒸发 制冷。蒸发出来的气体进入吸附床被吸附，该过程一直进行到第二天早晨。吸附 过程放出大量的热，由冷却水或外界空气带走，吸附床最终温度为Ta2。由以上分析可见，太阳能吸附式制冷系统的工作循环过程是间歇式的。系统 运行时，白天为解析过程，晚上为吸附制冷过程。太阳能吸附式制冷主要
6、存在以 下难点4：（1）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。（2）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。（3）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的问题。（4）吸附式制冷系统难以根据工况的变化迅速及时地做出稳定的调节。3吸附式制冷研究现状固体吸附制冷技术的商品化应用开发始于20世纪30年代，但在接下来大约50 年时间里，由于吸
7、附式循环制冷机制冷效率低、一次性投资大，且当时正值蒸汽 压缩式制冷机蓬勃发展，致使吸附式制冷机的发展受到一定限制。自70年代以来, 由于全球性能源危机日益加剧，人们又重新审视这种以低品位热能为动力的吸附 式制冷技术。为提高制冷效率，降低操作费用，国内外学者做了大量深入系统的 研究，从吸附工质对性能、吸附床强化、系统循环及结构三个方面推动吸附制冷 技术的发展5。3.1吸附工质对性能吸附制冷工质对是吸附制冷系统的核心。吸附工质对的性能对系统性能系 数、温升幅度、设备材料及系统一次性投资应用场合等影响很大，从根本上决定 固体吸附制冷系统的性能和结构。在不间的应用环境下，选用合适的工质对不仅 能大大提
8、高制冷效率，还能节约成本，增强机制的安全性和可靠性6。因此， 吸附制冷的关键就在于工质对的选择及性能强化。根据吸附制冷循环的基本原理，崔群7 等人对吸附剂提出如下要求：（1）吸附剂吸附容量要大；（2）吸附等温线平坦；（3）吸附容量对温度变化敏感；（4）吸附剂与吸附质相容。对吸附质（制冷剂）要求：（1）单位体积蒸发潜热大；（2）合适的冰点，适当的饱和蒸汽压；（3）无毒，不可燃；（4）无腐蚀性，有良好的热稳定性。吸附剂可分为物理吸附剂与化学吸附剂，常用物理吸附剂大致有活性炭、硅 胶、沸石、活性氧化铝和活性碳纤维等一些多孔性物质，化学吸附剂有金属氧化 物、金属氢化物，金属氧化物以氯化钙、氯化锶为最佳
9、8。而吸附质常用的是 氨、甲醇和水。目前常研究的吸附工质对主要有沸石一水、硅胶一水、活性炭一 甲醇、氨一氯化钙、氯化锶一氨等。沸石一水工质对的解吸温度范围较宽（70250C），使系统对环境的适应能 力强。但该系统蒸发温度大于0C，不能用于制冰，另外系统是真空系统，对真 空密封性要求很高，而蒸发压力低也使得吸附过程较慢，需要在高驱动温度下才 具有较高的解吸速度，应用于太阳能制冷不是很理想。硅胶水一水的解吸温度较低（100C以下），解吸性能好，但超过120C硅胶 将被烧毁，且其吸附量较小，制冷能力较低。活性炭一甲醇是太阳能吸附制冷中应用最广的工质对，其吸附量较大，解吸温度不高（100C左右），吸附
10、热也较小，甲醇的熔点低（一98C）,使得系统可用于制冰，但是甲醇温度超过150C将分解，另外，甲醇有毒，不利于其广泛应用。华南理工大学的陈砺等9建立了化学吸附式制冷单元，对氯化锶氨工质 对的制冷性能进行研究，实验研究结果表明，在相同的制冷工况下，氯化锶一氨 工质对的制冷量远远大于活性炭一甲醇工质对。在热源温度为100C时，他们所 用的工质对单位质量吸附剂的制冷量是活性炭一甲醇工质对的3.2倍。 1熔用吸附工质对的性质对比 1 I心工质对名称 制冷刑汽ft极限吸要求真葆性解折温吸附温近年来国内备注1r”潜W他）附率空度度代）度代）外试臆样机的歧大口用-甲醇髙于活性炭-甲酵11020,28高高90
11、350.331$0七会分解恬性炭亠乙醇S420.2中无10035O.t.分子筛水2258033高无90320.40不适于制冰;硅英水2258无60320.58温度过高会-使硅般烧毁”氛-釐化钙送亠匚1250低中854917表1各类工质对制冷量比较Table 1Refrigerationcapacity compairison oi theworking百pairs（ kj/kg吸附剂）热源温度7/丫：1(X)959()氯化锂-氨889485c 0 0活性炭（AC-35）-甲醇27527()268活性炭（江西8（）9）-甲醇2052(X)191活性炭（上海18#）-甲醇15()143138物理吸
12、附过程简单，吸附多为多孔介质，接触热阻大，导热性能差，吸附热 利用率低。化学吸附过程复杂，设计质量热量传递及化学反应多个过程，影响因 素多且难以确定，吸附能力强，制冷效率高。3.2吸附床强化目前的吸附床大多采用平板式和圆管式结构。平板式结构单位容积内充装的 吸附剂量较大，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。圆管式吸附床可 在床内设置多根开有槽或孔的内插管作为吸附质的传质通道，有效减小传质阻力，缩短吸附质进出床层的流程，减小压降，从而强化了传质，同时床内温度场 分布更均匀。内插管可直接与冷凝器管路相通，也有利于吸附质蒸
13、汽的合理流动。 圆管式结构的传热效率高，承压能力好，因此各国研究人员多采用圆管式吸附床 结构以强化传热。1,阙夕隱 2命壻刑週皿 九热媒渝体通道4.填充吸附剂02000 4000 6000 fiOOO 10000S3平板式吸附床简图 图4亮管式吸附床截面图从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。下图为无翅片、翅片和肋片，13X水工质对 在三种床层结构下的脱附量随脱附时间的变化关系。可以看出：在相同脱附时间 下，简单二维模型脱附量最小，翅片和肋片换热型脱附量相当，但肋片换热型脱 附量更大，因此肋片换热型吸附床传热效果比较好，从结构安装上讲
14、肋片也比较 合理的10。2.0L20.80.40.0图2脱附量随时间变化的关系兰青等11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。为了防止钢化玻璃因负压 而破碎，在吸附床里用七号槽钢做支架，同时也起到传热肋片的作用。在吸附床 的底部用不锈钢丝网将制冷剂与吸附剂隔开，这样既不会使活性炭下漏，也没有 堵住制冷剂通道。经试验测试，采用该吸附床的太阳能制冰机可每天制备4.7kg 的冰和2.3kg的冰水混合物，COP约为0.157。不锈制鏗网測温探头1000图1平扳式太阳能吸附床结构图李秋英等12使用分子筛一水作为工质对提出并设计了一种新型吸附床，其 结构如图所示。这种吸附床是在壳管式吸附床内放置多个吸附单元管，吸附单元 管内放置固体吸附剂，管中央留有传质通道，管外走传热介质，对管内吸附剂进 行加热和冷却，实现吸附床的制冷循环。吸附床的脱附速率如图所示，由图可知 吸附床内压力和脱附速率在加热初始阶段上升速度较快达到最大值后又逐渐 下降这与太阳辐射的减弱是相当吻合的 这种结构有良好的传热性能，设计的吸 附床结构达到了以优化的目的。图1吸附床结构一?童芟！/M-熠蛊誉3.3系统循环及结构目前，吸附式制冷循环方式取得了重要进展，提出了众多的循环方式，在这
