太阳能溴化锂吸收式制冷技术的研究进展

1、太阳能溴化锂吸收式制冷技术的研究进展第25卷第3期能源研究与信息EnergyResearchandInformationVo!.25No.32009文章编号:10088857(2009)030160-06太阳能溴化锂吸收式制冷技术的研究进展王永刚,钟水库(广西大学物理科学与工程技术学院,广西南宁530004)摘要:介绍了太阳能澳化锂吸收式制冷循环的工作原理和系统构成,具体阐述了该制冷循环的几种典型结构,包括单效,双效,两级以及三效涣化锂吸收式制冷循环,分析了各种制冷循环的优缺点以及目前研究进展;进一步讨论了太阳能澳化锂吸收式制冷机组的性能特点受冷媒水出口温度,冷却水进口温度,加热蒸汽温度,污垢

2、系数及不凝性气体等诸多因素的影响;提出了太阳能溴化锂吸收式制冷技术现存问题,最后指出,随着科学技术的发展和绿色建筑的兴起,太阳能溴化锂吸收式制冷将会有非常大的发展前景.关键词:太阳能;溴化锂吸收式制冷;性能特点中图分类号:TU831.7文献标识码:A自20世纪70年代以来,鉴于常规能源短缺和环境污染问题日益严重,全球许多国家掀起了开发利用太阳能的高潮,开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容.其中太阳能制冷就是太阳能应用的一个重要方面,它能够缓解能源短缺和环境问题,而且结构简单,运行费用低,工作稳定可靠,是一个极具发展前景的领域,也是当今制冷技术研究热点.在目前多种利用太阳能制冷的方

3、式中,太阳能溴化锂吸收式制冷机制冷效率较高,并可在较低的热源温度下运行,是目前应用太阳能制冷最成功的方式之一.溴化锂是绿色工质,没有损害臭氧层的ODP效应,国内已经有两座利用太阳能的溴化锂吸收式制冷机系统装置作为样板工程在广东和山东示范运行¨J.1太阳能溴化锂吸收式制冷系统的工作原理太阳能溴化锂吸收式制冷系统由太阳能集热器,发生器,冷凝器,节流阀,蒸发器,冷剂泵,溶液泵,吸收器及溶液热交换器等部件组成.它是利用溶液浓度的变化来获取冷量的装置,工作介质中溴化锂为吸收剂,水为制冷剂,二者组成工质对.太阳能溴化锂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,其系统简

4、图如图1所示.系统的工作原理为:利用太阳能集热器将光能转化为热能把水加热,为吸收式制冷机的发生器提供其所需要的热媒水.在发生器中制冷工质对被热媒水加热,解吸出制冷剂蒸汽.制冷剂蒸汽在冷凝器中被冷却凝结成液体,然后经过节流阀降压进入蒸发器吸热蒸发,产生制冷效应.蒸收稿日期:200810-02作者简介:王永刚(1984一),男(汉),硕士研究生,gangqin27126 第3期王永刚,等:太阳能溴化锂吸收式制冷技术的研究进展161发产生的制冷剂蒸汽进入吸收器,被来自发生器的浓溶液吸收,再由溶液泵加压送入发生器.如此循环不息地制取冷量,扪.为了提高机组的热效率,设有溶液热交换器;为增强蒸发器的传热效

5、果设有冷剂泵.图1太阳能吸收式制冷循环Fig.1Solarabsorptionrefrigerationcycle阀2太阳能溴化锂吸收式制冷系统的几种典型结构自20世纪30年代第一台溴化锂吸收式制冷机面市以来,溴化锂吸收式制冷技术得到不断的发展和提高.在2O世纪7O年代,受世界能源危机和环境污染问题的影响,太阳能溴化锂吸收式制冷技术受到了一些发达国家的重视.科学技术的进步,使得溴化锂吸收式制冷技术得到长足的发展.目前太阳能溴化锂吸收式制冷机主要有单效,双效,两级,三效以及单效/双效等复合式制冷循环.其中单效,两级制冷机的热效率较低,三效乃至四效等更复杂的制冷机仍处在试验研究阶段,目前市场上应用

6、最广泛的是双效型机组.2.1太阳能驱动单效溴化锂吸收式制冷机单效吸收式制冷机是吸收式制冷机中结构最为简单的一种类型,实际的制冷机系统流程如图2所示.单效溴化锂吸收式制冷机的最佳工作温度为80100C,它的最大COP值在热源温度为85时可以达到0.7.由于溶液受结晶条件的限制,制冷机的热源温度不能超过150J.产生相同的冷量,单效溴化锂吸收式制冷机所消耗的能源大大高于传统压缩式制冷机.但是其优势在于可以充分利用低品位能源作为驱动能源,而采用低温太阳能集热器,所产生的热水正好可以用来驱动单效吸收式蕾薯冷机,从而可节电和节能,这是压缩式制冷机无法比拟的.太阳能驱动单效溴化锂吸收式制冷机的COP值相对

7、来说不高,同时它对热源温度的要求也不高.适用于这一系统的太阳能集热器类型有平板集热器,聚光型集热器(cpc)以及在国内占据较大市场的真空管集热器.循环热交换器图2单效溴化锂吸收式制冷循环Fig.2SingleeffectLiBrabsorptionrefrigerationcycle162能源研究与信息2009年第25卷在国际上,由于真空管集热器造价昂贵,为降低系统成本,应用的主要还是各种形式的平板集热器.而在国内,由于真空管集热器价格已经较为低廉,平板集热器的热效率太低,真空管集热器已经占据越来越多的市场.1983年,科威特国防办公楼安装了太阳能吸收式制冷系统【31,该建筑是面积为530In

8、2的单层建筑,驱动热源采用172块平板集热器,每块面积1.721TI,总面积为296mz.该制冷系统采用4台单机制冷量为35kW的单效溴化锂一水吸收式制冷机,其中3台用于日常联合供冷,另一台备用.经过对系统运行能量计算以及经济性分析,该系统相比相同大小制冷量的压缩式制冷机组,总耗电量能够节省25%-40%,至今仍在正常运行.2.2太阳能驱动双效,三效溴化锂吸收式制冷机当采用真空管集热器或聚光型集热器(CPC)时,集热器出口温度可以达到甚至超过150C,由于单效吸收式制冷机的热源温度受到了浓溶液结晶的限制,这时必须采用双效或三效溴化锂吸收式制冷机.双效溴化锂吸收式制冷机组的COP约为1.11.2

9、,驱动热源可以是150以上的高温热水,或者是0.25,-0.8MPa(表压力)的饱和蒸汽,它的最大COP值在热源温度为130C时可以达到1.2.而三效溴化锂吸收式制冷机组的COP约为1.651.75,其驱动热源温度则需要200C以上,.双效吸收式制冷机与单效制冷机相比,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,系统流程如图3所示.它的工作原理为:制冷工质对在高压发生器内被热蒸汽加热,分离出来的高温高压水蒸汽作为加热溶液用的内热源;再与低压发生器中溶液汽化时产生的冷剂蒸汽汇合在一起,作为制冷剂进入冷凝器被冷凝:冷凝水经节流阀降压后流入蒸发器内被加热蒸发,产生制冷效应:高压发生器内

10、的浓溶液先流入低压发生器内,使低压发生器内温度提高,然后经过制冷工质对蒸发分离,浓溶液流入吸收器内,吸收来自于蒸发器内的低压蒸汽;然后经溶液泵加压送入高压发生器内,完成一个制冷循环.为了提高制冷效率,系统中使用了换热器,冷剂水循环泵和浓溶液循环泵,其中蒸发器和吸收器内采用喷淋方式增加接触面积,提高效率p】.根据上述原理,进行扩展就是三效循环.与单效循环相比,产生同样制冷量所需的热源加热量减少,所以双效及三效吸收式机组的热效率比单效机组高.但是其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凝水求,需采用真空管或聚光型太阳能集热器l6J,这将增加系统的初投资.上海交通大学的

11、王如竹,刘艳玲口l提出了一种小型双效太阳能吸收式制冷系统,制冷量为10kW,适宜家用.该系统将燃气直燃型双效溴化锂机组与热管式真空管集热器相结合,可以实现夏季制冷,冬图3双效溴化锂吸收式制冷循环Fig.3DoubleeffectLiBrabsorptionrefrigerationcycle第3期王永刚,等:太阳能溴化锂吸收式制冷技术的研究进展163季供暖以及全年提供生活热水的功能.当太阳能集热器提供的热量不足时采用燃气机组来提供热量,使机组始终处于双效循环状态,具备较高COP,最大可以达到2.8.经过模拟计算,太阳能双效吸收式制冷系统的全年运行费用和总的费用与其他制冷系统相比是最低的.2.3

12、太阳能驱动两级溴化锂吸收式制冷机两级溴化锂吸收式制冷系统,对热源温度的要求比单效溴化锂吸收式制冷系统的要求更低,使用7080C的热水即可驱动.因此,两级溴化锂吸收式制冷系统比单效溴化锂吸收式制冷系统更适于利用低品位能源,对太阳能集热器的要求更低,利用平板集热器就可以完全满足其要求.但是,两级溴化锂吸收式制冷系统的COP值更低,只有0.3加.4左右,冷却水耗量约为单效溴化锂吸收式制冷机组的两倍,而且初投资比较大.太阳能驱动两级溴化锂吸收式制冷系统有两个发生器,吸收器和溶液热交换器.系统流程如图4所示.它的工作原理为:低压发生器产生的冷剂蒸汽不进入冷凝器,而进入高压吸收器再吸收,所得稀溶液送至高压

13、发生器经过加热分离出水蒸汽,这样就使冷剂水在高压发生器和低压发生器之间循环;低压发生器中的浓溶液流入低压吸收器内,高压发生器内生成的冷剂蒸汽进入冷凝器被冷凝,经过节流阀进入蒸发器吸热蒸发变成低压蒸汽,然后被低压吸收器内浓溶液吸收经发生器泵送入低压发生器内,完成一个制冷循环.为了提高制冷效率,系统设置了换热器,吸收器泵,蒸发器泵.由图4可见,溶液在高,低压发生器和高,低压吸收器中,分别经历两次发生过程和两次吸收过程,但仅有高压发生器中发生的冷剂蒸汽才被凝结成冷剂水进入蒸发器制冷;仅有低压发生器出口的浓溶液进入低压吸收器吸收蒸发器中生成的冷剂蒸汽,使蒸发压力保持恒定】.由于系统热源温度低,热流密度

14、小,推动力小,发生器不宜采用沉浸式结构.1998年,中国科学院广州能源研究所承建了广东江门市100kW太阳能制冷空调系统【3】.该系统是我国1998年承建的第一座大型实用性太阳能空调热水系统,它采用500m2高效平板集热器,以燃油热水炉为辅助热源,驱动一台100kW的两级吸收式制冷机,向一座商业大楼提供600m2的夏季空调制冷以及全年生活热水.该系统采用的制冷机为低温两级式制冷机,设计驱动热源温度为75.经实际运行测定,当热水温度在65-75C范围内时,都能稳定地制冷.甚至当热源温度低至60C时,仍有较强的制冷能力.单效式制冷机的热水利用温差一般在6.经测定,该两级式制冷机热水利用温差可高达1

15、5C.热水利用温差的加大,可以部分弥补制冷机C0P偏低的不足.图4两级溴化锂吸收式制冷循环Fig.4TwostageLiBrabsorptionrefrigerationcycle第二热交换器能源研究与信息2009年第25卷3溴化锂吸收式制冷机的性能特点溴化锂吸收式制冷机组的性能与冷媒水出口温度,冷却水进口温度,冷却水流量,加热蒸汽压力(或温度),污垢系数及不凝性气体等诸多因素有着密切的关系.这些因素根据使用场合的不同而经常发生变化,而这些因素的变化直接影响到机组的制冷量.因此,掌握这些因素的变化对机组的性能,正确选择及管理有着重要的意义l9】.冷媒水的出口温度决定了蒸发压力.若冷媒水出口处温

16、度降低,则蒸发温度及压力下降,吸收器中吸收冷剂蒸汽的能力减弱,且稀溶液浓度升高.由于浓度差(放气范围)减少,因而制冷量降低.试验表明,当冷却水进口温度,加热热水温度,冷却水与冷媒水量及溶液循环量为定值时,冷媒水出口温度每升高1,制冷量约提高4%.但是冷媒水出口处的温度不应低于4以免发生结晶现象.冷却水进口处的温度决定了冷凝压力及吸收器内溶液的最低温度.冷却水进口温度的降低,会引起吸收器内稀溶液温度与冷凝压力的降低,前者促使吸收效果增强,随之稀溶液的质量分数降低;而后者将引起浓溶液的质量分数升高,这两者的变化均使浓度差加大,制冷量增加【9,.冷却水温度随水源(冷却塔循环水)和季节的不同而变化,冷

17、却水进口温度每降低1,制冷量约提高4%.同样冷却水流量的变化对机组制冷量也有一定的影响,机组制冷量随着冷却水流量的减少而下降.机组运转中不允许冷却水进口温度过低,防止因稀溶液温度过低和浓溶液质量分数过高而使浓溶液产生结晶.加热蒸汽压力对机组制冷量有很大的影响.随着加热蒸汽压力下降,首先引起浓溶液温度与质量分数的降低.随之吸收器中吸收冷剂蒸汽的能力减弱,质量分数差减少,因而制冷量下降.蒸汽压力在0.o40.12MPa(表压)的范围每提高0.01MPa制冷量增加3%5%.溴化锂吸收式制冷机运转一段时间后,由于溴化锂溶液具有腐蚀性和水中含有杂质等,在传热管的内壁与外壁会逐渐形成一层污垢.这种水垢对传

18、热起阻碍作用.其影响常用污垢系数表示,污垢系数越大,则热阻越大,传热性能愈差,使机组的制冷量下¨J.不凝性气体就是在溴化锂吸收式制冷机工作的温度和压力范围内不会冷凝且不被溴化锂水溶液吸收的气体,它包括从外部漏进机组的空气及内部因腐蚀产生的氢气等.不凝性气体的存在使蒸汽分压力减小,从而使蒸汽推动力降低;此外不凝性气体的存在,还大大降低了吸收系数,从而吸收速率大幅度下降.受这些不凝性气体的影响,机组的制冷量会大幅度降低.因此,在提高机组的密封性,防止空气漏入机组的同时,要在机组中安装抽气装置,以便及时排除不凝性气体.4太阳能溴化锂吸收式制冷技术现存问题及对策太阳能吸收式制冷空调具有诸多优

19、点同时也存在自身的局限性,因而要进一步加强研究开发,努力在推广应用过程中逐步解决这些问题:(1)溴化锂吸收式制冷机存在易结晶,腐蚀性强的缺点,因此在系统运行中要保持系统的高真空度;系统中需要安装抽气装置,以排除积聚在系统内部的不凝性气体,保证制冷机的正常运行H引.吸收式制冷设备主要是由换热设备组成,因此要强化换热,降低金属耗量,提高制冷效率.第3期王永刚,等:太阳能溴化锂吸收式制冷技术的研究进展(2)由于太阳能集热器的价格较高,而太阳能集热系统的费用占据太阳能驱动吸收式制冷系统的主要部分,造成系统初投资偏高;而且在自然条件下的太阳能辐射密度不高,使太阳能集热器采光面积与空调建筑面积配比受到限制

20、,目前只适用于楼层不多的建筑【l川.因此当前的主要任务是提高太阳能集热技术,降低集热器成本;并研制可产生水蒸汽的中温太阳能集热器,以便与蒸汽型吸收式制冷机结合.(3)虽然太阳能制冷空调开始进入实用化示范阶段,但都是较大型的吸收式制冷机,用户不多,应开发各种小型的太阳能制冷空调机,以便与太阳能集热器配套,逐步进入千家万户.(4)目前使用的太阳能溴化锂吸收式制冷机主要是单效和双效型,系统的COP比较低,能源使用量比较大I1引,因此要加强三效,四效吸收式制冷机的开发研究,并且要提高系统的稳定性和可靠性.5前景展望随着当今世界能源危机和全球气候变暖的发展趋势以及国家对新能源开发利用的高度重视,太阳能空

21、调必将成为未来制冷空调发展的重要方向,它符合当前世界可持续性发展的战略思想U4.在几十年的发展中,太阳能溴化锂吸收式制冷技术已经有了很大的提高,有很多产品也已经走向了市场.随着科学技术的发展和绿色建筑的兴起,太阳能制冷空调技术将会有更大的提高和改善,成本将大大下降,相信太阳能溴化锂吸收式制冷空调一定会有更大的发展前景.参考文献:【l】刘震华.太阳能驱动溴化锂吸收式制冷循环动态特性的研究R.东南大学,2005.【2】陈金灿,严子浚.太阳能制冷系统的优化分析JJ.工程热物理,1994,15(3):245248.3】王如竹,代彦军.太阳能制冷M.北京:化学工业出版社,2007.【4】GOKTUNS,

22、eta1.Theoptimumperformanceofasolar-assistedcombinedabsorptionvaporcompressionsystemforairconditioningandspaceheatingJ3.So/arEnergy.2001,71:213-216.【5】刘涛.太阳能制冷技术在溴化锂吸收式制冷机中的应用与研究J.制冷与空调,2007,12(2):3234.【6】王默晗,姚易先,郝红宇.浅谈太阳能制冷技术的发展及应用J.制冷与空调,2007,12(1):100-103.【7】IYOSHISaito,eta1.Studyonthedynamicchara

23、cteristicsofdoubleeffectabsorptionrefrigeratordrivenbywastesteamA.Prosof19thIntCongof凤c,1997,IVb:983989.【8】戴永庆,耿惠彬,陆震,等.溴化锂吸收式制冷技术及应用M.北京:机械工业出版社,1996.【9】辛长平.溴化锂吸收式制冷机使用教程M.北京:电子工业出版社,2004.【10】罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术M.北京:化学工业出版社,2005.I1I】李金伟,秦玉涛,马利军,等.浅析太阳能空调技术的开发与应用J.中州大学,2003.20(4):l】1112.【12】薛德千.太阳能制

24、冷技术M.北京:化学工业出版社,2006.【13】SANOETALJun.DynamicsimulationofanabsoroptionrefrigeratingmachineCA.PrDofAbsorptionHeatPumpCony91C,Tokyo:133138.【14】殷勇高,张小松,李应林,等.蓄能型太阳能溶液除湿蒸发冷却空调系统研究J.东南大学,2005,35(1):7376.(转第178页)178能源研究与信息2009年第25卷significantemssions.Inthispaperconceptofenergysavingandemissionsmitigationdu

25、ringthereconstructionprocessisproposed.Thecorrespondingcalculationmethodsforterminatedenergyconsumptionandemissionwereintroducedandmodelforevaluatingenergysavingandemissionmitigationeffectshasbeensetup,whichismostimportantforevaluatingwhethertheconstructiontechnologyisenergysavingornot.Accordingtoth

26、emodel,re-useconstructionwastesasnewconstructionmaterials.adoptionofoptimizedtechnologiesandoptimizingarrangementfordifferentmaterialflowsareeffectivemeasuresforenergysavingandemissionmitigation.KeyWords:earthquakeareareconstruction;constructionengineering;energysaving;emissionmitigation;evaluationm

27、odel(接第155页)risesinthegenerators'partsincreaseaccordingly.Theair-coolingtechnologiesarebecomingmoreandmoreimportantinrecentyearsandoughttobedevelopedrapidlyinChina.Inthispaper,theair-sideheattransferandflowresistancecharacteristicsofaircoolerswithspecificstructureswereinvestigatedbywindtunneltes

28、ts,andcorrespondingcorrelationswereacquired.Inaddition,theeffectsofgeometricalparametersontheheattransferandflowresistancecharacteristicswereanalyzedindetail.Theinvestigationsprovidedcalculationmethodsforoptimizingthestructureandperformanceofaircoolersandbasisforindependentdevelopmentbyair-coolermanufacturers.KeyWords:aircooler;wavyfinnedtubebanks;spirallyfinnedtubebanks;heattransfer;flowresistance(