（动力工程及工程热物理专业论文）太阳能冷管空调及热水复合系统的实验研究与性能分析.pdf

摘要 太阳能冷管空调及热水复合系统的实验研究 与性能分析 摘要 本文以太阳能制冷为应用背景，建立太阳能冷管空调及热水复合系 统实验装置。该太阳能冷管系统实验装置与房间屋顶结合，以太阳能为 驱动热源，向屋内提供冷量( 夏季) 和提供生活热水( 全年) 。系统中的 太阳能冷管由太阳能集热器吸附床、冷凝、蒸发、冷却等几个部分组成， 采用固体吸附原理和无污染吸附工质对：沸石分子筛一水，受太阳能驱 动在一根管内完成制冷与制热循环，且在管内冷、热分流向外输出。本 文主要对太阳能冷管空调及热水复合系统的理论和实验进行深入研究， 主要研究内容和结果包括： ( 1 ) 太阳能冷管热力循环特性分析和实验研究，在原太阳能冷管结 构基础上，参与改进太阳能冷管制作工艺和床体结构，在不同太阳辐射 强度下，测试改进后太阳能冷管的制冷和制热性能。实验研究表明：在 太阳辐射变化范围：1 3 4 3 2 4 3m j m 2 时，制冷系数c o p 变化范围： 0 1 6 , - , 0 2 4 之间变化； ( 2 ) 设计并建成太阳能冷管空调及热水复合系统实验装置，该系统 由1 2 8 根太阳能冷管组成，还包括热水联箱、蒸发器冷联箱、风管和风 机等部件。 对实验系统进行多次实验，研究系统的制热、制冷性能及各种运行 参数( 冷凝温度、蒸发温度、解吸温度、吸附温度等) 在冬季、春季和 夏季的性能变化。该实验系统在冬季和春季主要用来提供生活热水，在 太阳辐射变化范围为：1 l - - 2 2 m j m 2 时，制热效率在3 0 8 5 0 之间； 在夏季典型工况下，太阳辐射为2 2 3 m j m 2 时，吸附床温度可达2 3 0 。c ， 该实验系统最大输出制冷功率2 2 k w ，蒸发器最低温度可达6 。c ，制冷 申请h 海交通大学博士学位论文 量可达3 0 2 m j ，系统制冷系数约为o 1 7 7 ，制热效率可达3 9 5 。现场 运行表明，该空调系统的制冷效果与当地太阳辐射密切相关，太阳辐射 量越大，则系统制冷量也越大。该实验系统的主要不足在于系统制冷量 只能在晚问产生，并且由太阳辐射量决定，在天气状况不好时系统制冷 量小，只能提供部分时间的制冷量； ( 3 ) 在对沸石分子筛一水吸附工质对吸附和传热传质性能分析基础 上，结合该实验系统结构特点，建立太阳能冷管空调及热水复合系统的 动态传热传质数学模型。该模型由太阳能冷管吸附床集热器、冷凝器、 蒸发器、冷凝水箱、蒸发器冷联箱、冷却水箱和反射板等七大模块组成， 用能量平衡、质量平衡和其他约束条件将七大部件联系起来并进行求解， 从理论上研究在一定太阳辐射条件下，太阳能冷管吸附床内动态温度分 布以及太阳能冷管系统在制热、放冷过程中主要影响因素。根据实验系 统运行特点，对实验系统的运行过程进行模拟计算，将模型仿真计算结 果和实验数据进行对比验证，计算结果与实验结果符合得较好； ( 4 ) 应用太阳能冷管空调及热水复合系统数学模型，对太阳能冷管 实验系统的运行过程进行优化分析。从太阳能冷管吸附床的内部特性参 数及系统外部特性参数出发，较为全面而系统地分析了这些参数的改变 对系统性能( c o p ) 影响。得出一些规律性的结论，提出了改进系统运行 的一些措施，为以后系统的实用化设计提供了基础。 关键词：太阳能，吸附式制冷，太阳能冷管，沸石分子筛一水，空调热 水系统，数学模型 i i a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s0 f s o l a rc o o l i n gt u b ea i rc o n d i t l 0 n i n ga n dh o tw a t e r s up p l ys y s t e m a b s t r a c t t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e do ns o l a rc o o l i n gt u b ea i rc o n d i t i o n i n ga n dh o tw a t e r s u p p l ys y s t e m t h i ss y s t e m ，w h i c hi si n t e g r a t e dw i t ht h eh o u s er o o fa n dp o w e r e d b ys o l a re n e r g y ，c a ns u p p l yt h eh o u s ew i t hc o o l i n gi ns u m m e ra n dh o tw a t e ra l l y e a rr o u n d t h es o l a rc o o l i n gt u b e w h i c hu s e sz e o l i t e l3 x w a t e ra sw o r k i n gp a i r , c o n s i s t so ff o u rm a j o rc o m p o n e n t s ：s o l a rc o l l e c t o r , a d s o r b e n tb e d ，c o n d e n s e r , a n d e v a p o r a t o ra l i i no n eg l a s st u b e i t sa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l ec a nb em a d e w i t h o u tn o i s ea n dp o l l u t i o n t h et h e o r e t i c a ia n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o nt h es o l a rc o o l i n gt u b ee x p e r i m e n t a ls y s t e ma r ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e r t h e m a i nw o r ka n dr e s u l t sc a nb es u m m a r i z e da sf o i l o w i n g 1 ) b a s e do ns o l i da d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nt h e o r y , t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e r m a l p e r f o r m a n c eo fs o l a rc o o l i n gt u b ea r ei n v e s t i g a t e d i nd e t a i l ai o to f a d i u s t m e n t sw e r em a d et ot h es o l a rc o o l i n gt u b ei no r d e rt oi m p r o v ei t s p e r f o r m a n c e l o t so fe x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt ot h ed e v e l o p e ds o l a r c o o l i n gt u b e t h ee x p e r i m e n t a id a t as h o w ：t h es o l a rr a d i a t i o nr a n g e sf r o m 13 4 3m j i m zt o2 4 3m j ，m z t h ec o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c eo fs o l a rc o o l i n g t u b ev a r i e sf 内m0 16t o0 2 4 t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h r e e g e n e r a t i o n ss o l a rc o o l i n gt u b ea r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r 2 ) s o l a rc o o l i n gt u b ea i rc o n d i t i o n i n ga n dh o tw a t e rs u p p l ye x p e r i m e n t a ls y s t e m h a sb e e n o r i g i n a l l yd e s i g n e da n ds e tu p t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mc o n s i s t so f 12 8s o l a rc o o l i n gt u b e s ，6 4s o l a rr e f l e c t o r s ，8c o n d e n s i n g ，c o o i n gw a t e rt a n k s ， 8e v a p o r a t o rt a n k s ah o tw a t e rs t o r a g et a n k ，f a na n da i rd u c t s t h eh e a t i n ga n dr e f r i g e r a t i o np e r f o r m a n c eo fe x p e r i m e n t a ls y s t e ma r e i n v e s t i g a t e di nw i n t e r , s p r i n ga n ds u m m e r u n d e rh e a t i n gw a t e rf u n c t i o n 。a s t h es o l a rr a d i a t i o nv a r i e sf r o m11m j ，m zt o2 2m j i m z t h es y s t e m sh e a t i n g w a t e re f f i c i e n c yc h a n g e sf 内m3 0 8 t o5 0 i ns u m m e r , t h es o l a rr a d i a t i o n ： 2 2 3m j i m z ，t h ea d s o r b e n tb e dt e m p e r a t u r ec a nr e a c h2 3 0 。t h em a x i m u m i i i 申请上海交通大学博上学位论文 r e f r i g e r a t i o np o w e rc a nr e a c h2 2k wa tn i g h t 。t h em i n i m u mt e m p e r a t u r eo f e v a p o r a t o rc a nr e a c h6 。a n dt h er e f r i g e r a t i o nc a p a c i t yi s3 0 2m j t h e c o e 仟i c i e n to fp e r f o r m a n c eo f e x p e r i m e n t a ls y s t e mj s 0 17 7a n dh e a t i n g e f f i c i e n c yi s 3 9 5 t h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h a tt h er e f r i g e r a t i o n c a p a c i t ya n dh e a tg a i n e dd e p e n do nt h es o l a rr a d i a t i o na n da m b i e n tc o n d i t i o n g r e a t l y 。 b a s e do nt h ea d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw o r k i n gp a i ra n ds o m ef e a t u r e so f s y s t e ms t r u c t u r e 。am a t h e m a t i c a im o d e if o rt h es o l a rc o o l i n gt u b es y s t e mh a s b e e nb u i l t t h e r m o d y n a m i cp r o c e s sa n ds o m ek e yf a c t o r s a f f e c t i n gt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d t h ec a l c u l a t i o no fd y n a m i ct e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nt h es o l a rc o o l i n gt u b es y s t e m ，h e a t i n gp o w e ra n dr e f r i g e r a t i o n p o w e ri sc a r r i e do u tu n d e rc e r t a i ns o l a rr a d i a t i o na n da m b i e n tc o n d i t i o n t h e e x p e r i m e n t a ir e s u l t so b t a i n e da r ei na g r e e m e n tw i t ht h ed a t ap r e d i c t e df r o m t h et h e o r e t i c a im o d e l b a s e do nt h es y s t e mm a t h e m a t i c a im o d e l ，t h e r m a ip e 晌r m a n c ea n a l y s i sf o r t h es o l a rc o o l i n gt u b ea i rc o n d i t i o n i n ga n dh o tw a t e rs u p p l ys y s t e mh a sb e e n p e 晌r m e d a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so fs o l a rc o o l i n gt u b ea n ds t r u c t u r a l p a r a m e t e r so fe x p e r i m e n t a ls y s t e m t h eo p t i m i z e da n a l y s i so nt h es o l a r c o o l i n gt u b es y s t e mh a sb e e nc a r r i e do u ti nd e t a i l s o m er u l e sa r eo b t a i n e d a n dp r o p o s e dt oe n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s o l a re n e r g y ，a d s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n ，s o l a rc o o l i n gt u b e ， z e o l i t e w a t e r ，a i rc o n d i t i o n i n ga n dh o tw a t e rs u p p l ys y s t e m ，m a t h e m a t i c a l m o d e i 哪 符号说明 符号说明 传热面积，m 2 丸 反射板吸收率6 9 比热，j ( k gk ) ： 黑体辐射系数，w ( m z k 4 ) 直径，m 吸附势 焓，k j k g 太阳入射角，o 太阳辐射直射值，w m 2 吸附工致对参数 长度，m 质量，k g 太阳能冷管，根 功率，w 吸附脱附热，k j k g 半径，m 时间，s 运动粘度，m 2 s 体积，m 3 吸附量，k g k g 导热系数，w ( m k ) 厚度，m 速度，m s c o p d e g r h i l 。 空气的运动粘度，m 2 s 夕 镀膜层吸收率 玻璃管壁吸收率 制冷性能系数 空气含湿量，k g k g 干空气 辐射力，w m 2 格拉晓夫数 高度，m 太阳辐射，w m 2 太阳辐射反射值，1 j f m 2 制冷剂汽化潜热，k j k g 质量流量，k g s 努谢尔特数 普朗特数 ，热量，j 雷诺数 温度，k 热损系数，w ( m 2 k ) 功率，w 初始吸附量，k g k g 换热系数，w ( m 2 k ) 当地纬度，d e g r e e 发射率 密度，k g m 3 亲和力系数 周向角度，d e g r e e 孝析湿系数 太阳方位角，d e g r e e 赤纬角，d e g r e e 仍 当地纬度，d e g r e e 织太阳时角，d e g r e e v i l l k廊阡q氐t u p口矽p p a c g d 磊 办， 厶 蛐l m n pr。矿x旯艿v d 秒 瓠睡 申请上海交通大学博士学位论文 g r ，y ，z 下标： 锄 口v g c o n c w f i n i n o u t r e f t u b e 壁面太阳方位角，d e g r e e 以壁面方位角，d e g r e e 坐标 环境 平均值 冷凝器 水 风机 真空集热管内外管 制冷剂 管子 a l r b e d c e n e v g p l a t e s h e l l z 空气 吸附床 太阳能冷管芯管 蒸发器 玻璃 太阳反射板 太阳能冷管套管 吸附剂 说明：在本文引用公式中使用的物理量单位如不符合本表规定，则在该处单独注明。 i x 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期：年月 日日期：年月 日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 人口、能源与环境的和谐发展是当今世界关注的热点问题，能源是经济与社会 发展的基本动力，但由于常规能源的有限性和分布不均匀性，造成了世界上大部分 国家的能源供应不足，不能满足经济可持续发展的需要。从长远来看，全球已探明 的石油储量只能用到2 0 2 0 年，天然气也只能延续到2 0 4 0 年左右，即使储量丰富的 煤炭资源也只能维持二、三百年。联合国环境规划署的资料表明，目前矿物燃料提 供了世界商业能源的9 5 ，且在其使用范围内以每1 0 年2 0 的速度增长【l j 。由于燃 烧矿物燃料，造成每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污 染，直接影响居民的身体健康和生活质量，局部地区形成酸雨，严重污染水土；矿 物燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源，矿物能源的利用产生大量的 温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题已提到全球的议事日程， 有关国际组织已召开多次会议，限制各国c02 等温室气体的排放量。按照可持续发 展的目标模式，决不能单靠消耗矿物能源来维持日益增长的能源需求。因此，越来 越多的国家都在依靠科技进步，致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用，以实 现可持续发展。 自然界万物能量皆来源于太阳，在各种可再生能源中，太阳能具有其它常规能 源无法相比的优越性，1 ) 太阳能储量巨大，太阳每秒钟放射的能量大约是1 6 x1 0 2 j k w ，其中到达地球的能量高达8 x1 0 1 3k w ，相当于6 x1 0 9 吨标准煤。按此计算， 一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1 8 9 2x1 0 1 3 千亿吨，是目前全世 界一次能源消费总量的1 5 6 x1 0 4 倍【2 】。太阳内部极端高温条件下氢聚变成氦的热氦 反应是太阳能的来源，按照目前消耗的速率来计算，还足以维持6 1 0 年。相对于 常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性 ，取之不尽，用之不竭；2 ) 虽然 由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源 来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用，这就为常 规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景；3 ) 太阳能利用具有清洁性 的特点，像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染；4 ) 太阳能利用具有较好的经济性，太阳能取之不尽，用之不竭，可以随地取用，在目 申请j ：海交通大学博士学位论文 前的技术发展水平下，有些太阳能利用己具经济性，如太阳能热水器一次投入较高， 但其使用过程不耗能，而电热水器和燃气热水器在使用时仍需耗能，有关结果表明 太阳能热水器已具很强的竞争力。 我国地处1 8 0 5 4 0 纬度之间，幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。全国约 由三分之二以上的地区太阳能利用条件良好，年日照时间大于2 0 0 0 h 左右，尤其是 西北地区和青藏高原，年平均日照时间在3 0 0 0 h 左右。西藏拉萨素有“阳光城”之美 称；华北和内蒙古一带日照条件也较优越；东南海域许多岛屿也有足够的太阳能资 源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳能约为5 0 1 0 1 8 1 0 ，全国各地太阳年辐 射总量达3 3 5 8 3 7 l ( j ( c m 2 a ) 。从全国太阳年辐射总量的分布来看，若按各地太阳年 辐射总量来划分，我国大致可分为五个太阳能资源带，如表1 所示【l 】。 表1 - | 中国太阳能资源的划分 t a b 1 1e n e r g yd i s t r i b u t i o no f s o l a rr a d i a t i o ni nc h i n a 地鼢类年搿数芝嚣笋鬻焉 包括岖 与国外相当的地 区 研究结果表明，在太阳能利用方面具有经济价值的地区是年辐射总量高于2 2 0 0 h 的地区。因此，我国具有在大部分地区推广应用太阳能利用技术的良好条件，尤其 2 第一章绪论 是西北干旱地区、青藏高原以及常规能源短缺或电力紧张的地区更应该重视太阳能 的开发和利用。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用 的经济性将会更加明显。 太阳能热水器是我国太阳能利用中应用最广泛、产业化发展最迅速的太阳能产 品，平板型热水器、全玻璃真空集热器、闷晒型热水器等都已经形成了产业化生产。 太阳能制冷空调技术也是一个极为诱人的研究领域，太阳辐射越强烈，天气越热， 制冷量越多，在节能、环保方面显示出优越性，这项技术已经开始迈入实用化阶段。 实现太阳能制冷有两条途径：1 ) 太阳能光电转换，以电制冷；2 ) 太阳能光热转换， 以热制冷。前一种方法成本太高，应用较少，目前普遍采用以热制冷。太阳能光热 制冷研究主要在三个方向上进行，即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳 能喷射式制冷。太阳能吸收式制冷机较常使用的有氨一水吸收式制冷机和溴化锂一 水吸收式制冷机。氨一水吸收式制冷机由于热力系数较低，且须设置精馏装置，所 以设备比较复杂，但可以获得零度以下的低温。而溴化锂一水吸收式制冷机一般只 能用于零度以上的情况，常用于空调上，而且腐蚀性较强，另外必须考虑系统真空 度的要求。而且吸收式制冷系统庞大，运行复杂；喷射式制冷是太阳能经集热器产 生一定压力的蒸汽来完成喷射制冷，喷射式制冷系统简单，但制冷系数较低，目前 出现了用电能辅助提高喷射器的引射压力以提高系统性能的措施【4 j 。1 9 9 8 年1 月， 中科院广 ) + l f i l 源研究所研制成功了实用型太阳能空调热水系统，在广州江门市投入 运行。其中，制冷用热水温度6 5 - 7 5 ，生活热水温度5 5 - - 6 0 ，采用5 0 0 平 方米高效率平板集热器，一台l o o k w 两级吸收式制冷机，可满足超过6 0 0 平方米 的空调负荷【5 1 。北京市太阳能研究所在山东省乳山市建成l o o k w 太阳能空调系统， 采用热管式真空管集热器、中温运行的单级吸收式制冷机。太阳能吸附式制冷依靠 固体吸附剂在白天吸收太阳能解吸，晚上则吸附制冷。它的组成部分主要有吸附器 发生器、冷凝器、蒸发器、阀门、贮液器。工作过程如下：白天吸附床被太阳能加 热，制冷工质开始脱附，当制冷工质压力达到饱和压力时，进入冷凝器冷凝，冷凝 下来的液体进入蒸发器：晚上吸附床被冷却，压力下降到蒸发温度下的饱和压力。 蒸发器中的液体因压力骤降而汽化，开始蒸发制冷。 太阳能吸附式技术将固体吸附式技术与太阳能供热水、供冷有机地结合起来， 不仅完全不用c f c 类物质的制冷技术，而且结构简单、无环境污染且可有效利用低 品位热源一太阳能。与蒸汽压缩式制冷系统相比，吸附式制冷系统具有结构与控制 简单、运行费用低、无噪音、无环境污染、能有效利用低品位热源等一系列优点； 与吸收式制冷系统相比，吸附式制冷系统结构简单，不需要溶液泵，不存在结晶或 申请上海交通大学博士学位论文 分馏问题，比较适用于小型制冷系统【6 1 。太阳能吸附式技术是一项极具开发和应用的 节能、环保技术，非常具有研究价值。吸附式制冷技术的迅速发展提高了太阳能在 制冷领域的利用水平，推动了我国制冷空调行业的可持续发展。 1 2 固体吸附式制冷技术 1 2 1 研究背景 随着经济的增长和技术的进步以及人口的增加，石油、煤炭、天然气等常规能 源已不能满足日益增长的需要。世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济 发展的需要。世界各国都感到矿物燃料的存储量正在日益减少，甚至有枯竭的可能。 在这种情况下，人们开始重视可再生能源的利用和发展。 另一方面，臭氧层的破坏和全球气候变化，是当前全球所面临的主要环境问题。 1 9 8 8 年关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协定书的出台明令规定了其将最终被臭 氧破坏系数( o d p ，o z o n ed e p l e t i o np o t e n t i a l ) 和温室效应系数( g w p ，g l o b a lw a r m i n g p o t e n t i a l ) 均为零的绿色制冷剂所代替。而1 9 9 7 年京都协定的出台更是注重了对 地球变暖的影响，因此o d p 系数为零的h f c 类物质也将被大幅度地限制使用。由于 制冷、空调、热泵行业广泛采取的c f c 与h c f c 类物质对臭氧层有破坏作用以及产生 温室效应，使全界的制冷、空调与热泵行业面临严重的挑战，c f c 与h c f c 的替代已 成为当前国际性的热门话题。 正是在这种背景下，固体吸附式制冷作为一种可有效利用太阳能和工业废热等 低品位能源且采用对环境友好的制冷工质对，尤其在电力缺乏的地区以及某些特殊 的应用场合，如山区、牧场、海滩、驳船等地方更加显示了它的优越性，吸附式制 冷技术已具备很好的经济价值和良好的社会效益，受到了国内外越来越多的关注。 固体吸附式制冷技术早在1 8 4 8 年，f a r a d a y 就发现a g c l 吸附n h 3 产生制冷的现象， 这是最早记录吸附制冷的报道。但是，在二十世纪三十年代氟利昂制冷剂的发现和 全封闭压缩机的研制成功等，使压缩式制冷得到了迅猛的发展，吸附制冷技术无法 与高效的压缩式制冷系统相竞争，又由于固体吸附制冷的效率低、初次成本高，因 而其发展在一段时期内没有得到人们的重视。七十年代的能源危机、人类对新能源 的开发和对环境保护意识的加强，为吸附式制冷技术的发展提供了契机，使它得到 了迅速的发展。在1 9 7 8 年，美国沸石动力公司的d i t c h e m e v 成功建成第一台以沸 石一水为工质对的间隙式太阳能吸附式制冷装置忉，该制冷装置制冷系数达到了 4 第一章绪论 0 1 2 0 1 5 ，引起了世界各国学者的广泛兴趣。我国在八十年代初开始研究吸附式制冷 系统，1 9 8 2 年严爱珍等对分子筛水吸附制冷剂作了初步研究【8 1 。 特别是在1 9 9 2 年巴黎首届国际固体吸附式制冷大会的召开，吸附制冷技术受到 了国际制冷界的普遍关注，与此同时，国际吸附吸收热泵会议( i s h p c ) 也推动了吸附 制冷技术的快速发展。随着太阳能固体吸附式制冷技术的发展，固体吸附制冷技术 不断地向深入的方向推进，目前对吸附式制冷技术的研究主要包括以下几个方面： 吸附理论研究、吸附制冷工质对性能的研究、各种循环方式的热力性能研究、吸附 床传热传质强化技术研究、吸附制冷实用性的研究。 1 2 2 太阳能吸附式制冷技术原理 蒸发器 图1 - 1 吸附制冷机结构简图 f i g 1 - 1s t r u c t u r es k e t c ho fa d s o r p t i o n r e f r i g e r a t o r t t tt iht fh 图1 - 2 吸附制冷循环热力原理图 f i g 1 - 2c l a p e y r o nd i a g r a m ( l n pv e r s u s - 1r r ) o fi d e a la d s o r p t i o nc y c l e 太阳能吸附式制冷是利用固体吸附剂( 例如沸石分子筛、硅胶、活性炭、氯化 钙等) 对制冷剂( 水、甲醇、氨等) 的吸附( 或化学吸收) 和解吸作用实现制冷循 环的。太阳能吸附制冷系统基本的元件是集热器、吸附床、蒸发器以及冷凝器，它 的结构简图和吸附制冷热力循环图如图卜1 和卜2 所示。为了结构紧凑和热效率的 提高，一般都是将太阳能集热器和吸附床布置成一整体，即将吸附剂填装于集热器 里面，太阳光被集热器吸收后转换为热能传递给吸附剂，对其进行加热作用。 申请上海交通大学博士学位论文 理想的太阳能吸附式制冷循环过程包括两个阶段：即白天加热一脱附一冷凝阶 段，晚间冷却一吸附- i t l 冷阶段。吸附制冷循环包括四个过程：等容加热( a b ) i 等压解析( b - d ) 等容冷却( d f ) ；等压吸附( f a ) ，如图i - 3 所示。 在白天加热脱附阶段开始时：吸附床和制冷剂的热力状态位于点a 。随着太阳辐 射对集热器和吸附床的加热，吸附床温度开始升高，同时系统内压力也开始上升。 当吸附床的温度达到t b ，即状态b 时，系统内压力达到与冷凝温度对应的饱和压力 p c ，从吸附床内脱附出来的制冷剂蒸汽在冷凝器中凝结为液体，在重力的作用下流入 蒸发器，供晚间蒸发制冷使用。随着太阳辐射对吸附床的持续加热，在脱附阶段结 束时，即状态点d ，吸附床可达到最高温度t d 。在这一阶段，制冷剂蒸汽冷凝所产生 的热量由冷却水带走。 在夜间吸附制冷阶段：离开阳光后的吸附床被冷却水冷却，温度开始降低。从 状态d f 过程中，吸附床的温度从t d 降低到t f ，导致系统内的压力也从p 。降( 氐i i i 0 p 。，吸附床开始吸附蒸发器中的制冷剂，制冷剂在蒸发器内蒸发，吸收潜热，从而产 生制冷效果。在这一阶段，吸附床的显热和吸附热被换热芯管中的冷却水带出。 在热力循环开始阶段的吸附率x 。与环境温度t 。相平衡，系统的压力为蒸发器温 度t 。下的饱和压力p 。加热脱附结束时的吸附率) ( d 与脱附温度t d 相平衡，压力为冷 凝温度t 。下的饱和压力p 。在这一循环过程中，吸附床的最大吸附量x a 与最小吸附 量x d 之差：a x = x 。一) ( d ，即为对应于单位质量吸附剂的制冷剂循环质量。 在吸附热力循环的加热脱附阶段( a b d ) ，集热器得到的热量q a d 分为两部分， 即q a b ，q b d 。q a b 将吸附床和制冷剂从状态点a 加热到状态点b ，制冷剂开始脱附。 q b d 将吸附床持续加热到状态点d ，并提供制冷剂的脱附热。 g d = q b + 鳓 ( 卜1 ) 纰= 6 ( c p 耐十疋o 。妒 ( 1 2 ) 式中是吸附剂的质量，k g ；q 甜、c p 即分别为吸附剂和制冷剂的比热容， j ( k g k ) 。 q b d = 娶m 。积d t + 曼m 乒乱悖半+ 譬h 砸m 积d x ( 1 - 3 ) 式中，如为单位质量吸附剂的吸附热，j & g 。 根据d u b i n i n - a s t a k h o v ( d a ) 方程，吸附量x 可表示为： 6 第一章绪论 x = 而e x p 一k ( - 1 ) ”】 ( 卜4 ) s 式中，x o 为在一定的饱和温度t s 下的吸附率，k 和1 1 为吸附工质对的吸附特征 常数。 冷凝过程放出的热量为： = m 耐( x o 一髟) 气+ m 鲥( x o 一髟) q 。d t ( 1 - 5 ) 在吸附热力循环的冷却吸附阶段( d - - f - - a ) ，冷却水带出的热量q d a 分为两部分， 即q d f ，q f a 。q d f 将吸附床从状态点d 冷却到状态点f ，吸附床开始吸附制冷剂。 q f a 将吸附床持续冷却到状态点a ，并将吸附剂的吸附热带出来。 如= 纭+ 如 ( 1 6 ) q d f = 譬m 积( c p a d + x d c p j 他) a t ( 1 - 7 ) 如= m o a c p 耐刀+ q 馏墨丁+ 比趔 ( 1 - 8 ) 在吸附制冷阶段，产生的冷量为： 既= m a d ( k 一局) ( 卜9 ) 式中，三村是制冷剂的蒸发潜热，j k g 。 这个阶段产生的冷量中，有一部分是用来将制冷剂液体从冷凝温度t c 降温到蒸 发温度t e 的，这部分冷量为： 既= e 嬲耐( 以一髟) c p 阼d t ( 卜1 0 ) 在加热脱附阶段，集热器吸收的太阳辐射为： 如= p m 4 d t ( 卜1 1 ) 式中，是太阳辐射强度，w m 2 ；4 是集热器集热面积，m ? 。 在加热脱附阶段，集热器的集热效率为： = 鲁 ( 卜1 2 ) 如果将冷凝热q 耐、晚间吸附床温降的显热和吸附热如这两部分热量利用起 7 申请上海交通大学博：l 学位论文 采进行供热，在不计漏热损失时，理论上口j 以获得阴热量为： = “+ 如 太阳能吸附制冷装置制热效率为： = 鲁 制冷循环制冷系数为： c = 学 制冷效率为： 略= 訾 1 2 3 吸附理论研究 ( 1 - 1 3 ) ( 1 - 1 4 ) ( 1 - 1 5 ) ( 1 - 1 6 ) 物理吸附是由固体吸附剂分子与气体分子间的静电力或范德华力引起的，是一 种可逆过程。吸附过程分外扩散和内扩散两步：外扩散是气体吸附质通过固体表面 气膜到达吸附剂外表面；内扩散是吸附质在吸附剂微孔中扩散，直至到达微孔深处 的吸附剂表面被吸附，继而由内表面向晶格内扩散，并最终达到吸附与脱附的动态 平衡，两个扩散过程均影响总的吸附速率。绝大多数工程技术中用到的吸附剂，如 活性炭、沸石分子筛和硅胶等，都是多微孔的。在计算整个扩散过程中，为了简化 计算常以扩散系数最小、扩散阻力最大的步骤为整个过程的控制区。 在各类吸附方程中，基于吸附势理论的吸附方程能较好地描述吸附制冷工质对 的吸附行为，吸附势理论是从固体表面存在吸附势能场出发，描述多分子层吸附的 理论模型 9 1 ，它基本上采用热力学观点，注意到吸附所引起的表面g i b b s 函数的变化， 但没有对吸附的物理机理作更多的描述【l o l 。d u b i n i n 和r a d u s h k e v i t c h 在吸附势能理 论的基础上，建立了d r 方程i j ： x = e x p 一( 警) 2 】 ( 1 - 1 7 ) 式中x 为吸附量，k g k g ：x o 为最大吸附量，k g k g ：r 为吸附质气体常数，p 和 8 第一章绪论 p ，分别为吸附平衡时压力和吸附剂温度对应的饱和压力，p a ：e o 为吸附势，为亲 合系数，由吸附剂和吸附质共同决定。 随后，对于吸附方程的研究主要集中在对d r 方程的扩展和给出方程应用的 理论基础解释。d u b i n i n - - a s t a k h o v 进一步扩展了d r 方程，引入指数1 1 _ ，提出了 更通用的形式，得到了d - - a 方程【1 2 1 ： x = x 。e x p 卜( 警) ”】 ( 1 1 8 ) 在实际计算当中，c r i t o p h 等推荐的d a 方程的简略形式【1 3 1 ，更加简单实用，使 x = x 。e x p 卜k l 乏一) ， c - - - 9 ， 气体表面扩散性能对吸附速度的影响，建立了吸附速度模型f 1 5 】： d “x ，= k , ，a 。j n x 一x ) ( 1 2 。) k = 等e x p ( 一e 。r t ) “一。 1 2 4 吸附制冷工质对的研究 吸附制冷工质对的选择及性能对吸附制冷系统性能有非常重要的影响，工质对 的性能直接影响制冷系数、所使用能源的品位、吸附器结构和循环方式，决定着吸 附制冷系统的性能和初投资。通过优化选择吸附制冷工质对，可以增大单位质量工 质的制冷量、提高系统的制冷系数、减小设备尺寸、缩短循环时间，使整机的性能 有较大的提高，还可以配合不同的热源、制冷工况、设备结构的特殊要求。因此制 冷工质对的选择也是吸附式制冷的关键技术之一，也是研究的热点。 9 申请七海交通犬学博上学位论文 一对好的吸附制冷工质对通常需要满足以下的一些条件，对于吸附剂的选择应： 具有巨大内表面积、较大的吸附容量的多孔性物质；对不同的气体分子具有很强的 吸附选择性；相对低的解吸温度，相对高的吸附温度，高解吸速度和吸附速度，吸 附剂导热性能好，吸附热和解吸热相对少，在解吸温度和吸附温度间吸附量对温度 敏感性大，吸附量受压力变化影响要小，等温吸附曲线要平坦，吸附快且再生特性 良好，能再生，多次使用，价格低廉，来源广泛等；同时，对于制冷剂要求有良好 的热稳定性，单位体积蒸发潜热大，无毒无害不易燃。实际选择吸附工质对时，还 要考虑工作热源的温度，以期所选吸附工质对能与实际的工作条件相匹配，最有效 的发挥系统的作用【1 6 1 9 1 。 实际应用中很难或不可能找到完全符合上述要求的工质对，因此，科研学者们 通常根据主要的几个指标来进行选择，如热稳定性好、吸附量大、热敏感性好、汽 化潜热大等特性。从2 0 世纪8 0 年代初到现在，研究人员为吸附工质对的筛选做了大 量的工作，逐渐优化出几大体系工质对：活性炭一甲醇、硅胶一水、沸石一水、氯 化钙一氨。前三种对应物理吸附过程，后一种对应化学吸附过程，它们的一些工作 特性参数和应用范围如表1 2 所示【2 0 1 。 表1 - 2 固体吸附制冷工质对的工作特性和应用范围 t a b 1 - 2p a r a m e t e r sa n da p p l i c a t i o no f s o l i da d s o r p t i o nw o r k i n gp a i r s 活性炭一甲醇是太阳能吸附制冷中应用最广的工质对，吸附解吸量较大，从国 内外实验数据看【2 1 乏3 1 ，以活性炭一甲醇作为工质对的制冷系统在相同运行工况下具 有较高i 构i c o p 和制冰量，故该工质对是太阳能吸附式制冷循环较为理想的工质对。 活性炭一甲醇工质对的最高解吸温度不能超过1 2 0 ，否则甲醇将发生分解，另外甲 醇有毒，如有泄漏，极其危险，不利于其广泛应用。 1 0 第一章绪论 硅胶一水工质对的解吸温度较低，常用于7 0 8 0 左右的低温余热吸附制冷。 很容易吸附水蒸气，吸附性能稳定 2 4 - 2 6 。在室温下可吸附水蒸气至其干质量的3 5 左右，从5 0 开始脱水至1 2 0 可以完全脱水，如超过1 2 0 硅胶将被烧毁。适合于 低温热源驱动，要求的冷凝和冷却温度也比较低，硅胶比表面积相对较小，制冷系 统的体积一般比较大。 沸石一水具有优越的可逆吸附脱附性能，工质对的性质稳定，能大量吸附多种 制冷剂，如水、氨和有机制冷剂。它的温度解吸范围广，在7 0 一2 5 0 之间。在很 低的制冷蒸气压条件下，吸附量接近饱和，超过一定压力后，吸附量随压力变化并 不大，制冷系统在较低的压力下，吸附能力并不下降，从而具有较好的制冷效果。 另外，沸石的吸附等温线在超过一定压力后基本水平，随压力变化不大，这样，冷 凝温度升高对制冷量和系统c o p 的影响不大，能使吸附制冷系统在较大的温度范围 内冷凝散热而保持高性能，对环境的适应能力强。沸石分子筛一水是最早用于太阳 能吸附制冷的工质对口7 l 。采用该工质对的吸附式制冷系统的蒸发温度高于0 c 1 2 8 ,