1、关于太阳能吸收式制冷系统的实验研究第一章 绪论1.1、研究背景如今，人类社会发展日渐变快，不论是在工业农业，还是第三产业，高新技术企业，服务业，都处于人类历史空前发展最快的一个阶段。就我国目前而言，GDP 每年以 10%的速度发展，社会的法杖提高了国民的生活水平，也大大加强了社会生产力，然而，同时对能源的需求和使用也大幅提高，从汽车到家电，无不需要能源去运作。我国能源消耗急剧增加，生态环境日益恶化。对自然的掠夺性的开采，这种发展模式已难以为继，已经造成十分严重甚至不可逆转的后果。我国是世界上最大的煤炭消费国，煤炭消费约占总能耗的 67%，这是我国生态逐年恶化的重要原因。能源是人类生存和社会发展
2、的物质基础，我国的矿物能源虽然比较丰富，但是由于我国人口众多，人均能源资源却只有世界人均能源资源的一半左右。所以，大力发展新能源与可再生能源已成为中国 21 世纪发展国民经济和建设小康社会刻不容缓的主要任务和战略目标。在所有的新兴能源中，太阳能是开发最为迅速的。由于太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、无序开采和运输、不会污染环境和破坏生态平衡等特点，所以太阳能的开发和利用是开发新能源和可再生能源的重要内容。我国是太阳能资源十分丰富的国家之一，2/3的地区年太阳辐射总量大于 5020MJ/m2 ，年日照时数在 2200 小时以上。中 国 可 再 生 能 源 法 的 颁 布 和 实 施 ， 为
3、 太 阳 能 利 用 产 业 的 发 展 提 供 了 政 策 保 障 ； 京都 议 定 书 的 签 定 ， 环 保 政 策 的 出 台 和 对 国 际 的 承 诺 ， 给 太 阳 能 利 用 产 业 带 来 机 遇 ； 西 部大 开 发 ， 为 太 阳 能 利 用 产 业 提 供 巨 大 的 国 内 市 场 ； 原 油 价 格 的 上 涨 ， 中 国 能 源 战 略 的 调整 ， 使 得 政 府 加 大 对 可 再 生 能 源 发 展 的 支 持 力 度 ， 所 有 这 些 都 为 中 国 太 阳 能 利 用 产 业 的发 展 带 来 极 大 的 机 会 。1.2、 研 究 内 容 和 研 究
4、 意 义在 诸 多 太 阳 能 利 用 技 术 中 ， 最 为 成 熟 的 便 是 ， 太 阳 能 光 热 利 用 技 术 ， 各 类 太 阳 能 集 热 器 、太 阳 能 热 水 系 统 、 太 阳 能 干 燥 技 术 等 再 我 国 和 世 界 上 许 多 地 区 得 到 了 应 用 。然 而 太 阳 能 热 利 用 与 季 节 并 不 是 很 匹 配 ， 冬 季 天 气 寒 冷 时 ， 需 要 太 阳 能 供 热 ， 太 阳 能 辐射 强 度 往 往 不 够 高 ， 而 夏 季 天 气 炎 热 时 太 阳 能 辐 射 强 度 虽 然 很 高 ， 但 是 此 时 对 于 热 水 的需 求
5、则 很 低 。 考 虑 到 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 ，利 用 太 阳 能 制 冷 空 调 已 经 成 为 目 前 实 验 研 究 的 热 点 。因 为 常 规 制 冷 空 调 装 置 大 多 数 采 用 对 环 境 有 害 的 工 质 ， 并 以 消 耗 电 力 等 高 品 位 能 源 打 到制 冷 目 的 ， 而 太 阳 能 制 冷 系 统 ， 是 将 可 再 生 能 源 直 接 转 换 给 终 端 用 能 设 备 ， 省 去 了 发 点过 程 的 能 源 转 换 。 所 以 开 发 太 阳 能 制 冷
6、系 统 ， 既 可 以 减 轻 环 境 污 染 ， 也 可 以 缓 解 我 国 夏天 由 于 空 调 使 用 量 过 大 导 致 的 电 网 压 力 ， 可 谓 一 箭 双 雕 。在 太 阳 能 制 冷 技 术 中 ， 吸 收 式 制 冷 是 目 前 最 成 功 的 方 式 之 一 ， 较 容 易 实 现 。 太 阳 能 吸 收式 制 冷 技 术 ， 最 早 起 源 于 20 世 纪 上 半 叶 ， 由 于 当 时 成 本 高 效 率 低 ， 商 业 价 值 不 足 等 原因 ， 而 没 有 得 到 进 一 步 的 发 展 。 到 20 世 纪 70 年 代 ， 随 着 世 界 性 能 源 短
7、 缺 问 题 的 日 益严 重 ， 促 使 可 再 生 能 源 利 用 技 术 以 及 不 破 坏 臭 氧 层 的 吸 收 式 制 冷 技 术 得 到 较 大 的 发 展 ，太 阳 能 吸 收 式 制 冷 系 统 以 其 合 二 为 一 的 原 理 ， 受 到 了 更 多 的 关 注 ， 得 以 大 力 发 展 。太 阳 能 吸 收 式 制 冷 是 利 用 溶 液 浓 度 的 变 化 来 获 取 制 冷 量 的 装 置 ， 即 制 冷 剂 在 一 定 压 力 下政 法 系 热 ， 再 利 用 吸 收 剂 吸 收 制 冷 剂 蒸 汽 。 自 蒸 发 器 出 来 的 低 压 蒸 汽 进 入 吸 收
8、 器 并 被吸 收 剂 强 烈 吸 收 ， 吸 收 的 同 时 会 放 出 热 量 ， 这 些 热 量 被 冷 却 水 带 走 ， 形 成 的 浓 溶 液 由 泵送 入 发 生 器 中 被 热 源 加 热 后 蒸 发 产 生 高 压 蒸 汽 进 入 冷 凝 器 冷 却 ； 而 稀 溶 液 减 压 回 流 到 吸收 器 完 成 一 个 循 环 。 吸 收 式 制 冷 系 统 相 当 于 用 吸 收 器 和 发 生 器 代 替 压 缩 机 ， 消 耗 的 是 热能 。在 众 多 的 吸 收 式 制 冷 系 统 中 ， 应 用 最 广 泛 的 是 水 系 制 冷 剂 ， 水 系 工 质 是 目 前
9、研 究 最 热 门的 课 题 之 一 ， 我 国 目 前 最 成 熟 的 技 术 是 溴 化 锂 吸 收 式 制 冷 系 统 ， 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 。1.3、 发 展 前 景从理论的角度来看，与常规制冷相比，太阳能制冷系统具有一些十分明显的优点：首先，太阳能制冷系统的季节适应性好，系统制冷能力随着太阳辐射能的增加而增大，而这正好与夏季人们对空调的迫切要求一致；其次，传统的压缩式制冷机以氟里昂为介
10、质，它对大气层有极大的破坏作用，而太阳能吸收式制冷机以无毒、无害的溴化锂为介质，它对保护环境十分有利；再次，同一套太阳能吸收式制冷系统可以将夏季制冷、冬季采暖和其它季节提供热水结合起来，显著地提高了太阳能系统的利用率和经济性。虽然太阳能制冷系统有如此多显著的优点，但我们在强调优点的同时，也应该看到它目前存在的局限性，从而在以后的推广应用忠可以解决掉这些问题。首先要解决的便是将溴化锂太阳能吸收式制冷机小型化，而太阳能制冷系统小型化会遇到以下难题：（1）因为小型太阳能系统不能像大型系统那样，通过增大集热面积来提高热源温度，热源驱动温度优先，系统 COP 较低（2）如何限制系统各部件的体积大小和成本
11、高低（3）如何提高吸收器的吸收效率第二章 太阳能制冷系统分析2.1 引言制冷，又叫冷冻，将物体温度降低到或维持在自然环境温度以下。实现制冷的途径有两种，一是天然冷却，一是人工制冷。我们日常生活中常说的制冷指的是人工制冷，人工制冷是利用制冷设备加入能量，使热量从低温物体向高温物体转移的一种属于热力学过程的单元操作。利用太阳能制冷通常有两种方式：一种是通过光电转换，以电制冷；一种是通过光热转换，以热制冷。由于光电转换成本太高，所以应用较少，目前一般采用光热转换，以热制冷。太阳能制冷方式主要分为三种：太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷、太阳能喷射式制冷。太阳能吸收式制冷与喷射式制冷已经进入了应用阶段
12、，吸附式制冷还处于研究中。由于本文着重于对太阳能吸收式制冷系统的研究，所以在此只对吸附式和喷射式做简单的介绍。（1） 太阳能吸附式制冷太 阳 能 吸 附 式 制 冷 实 际 上 是 利 用 物 质 的 物 态 变 化 来 达 到 制 冷 的 目 的 。 太 阳 能 吸 附 式 制冷 系 统 主 要 由 太 阳 能 吸 附 集 热 器 、 冷 凝 器 、 蒸 发 储 液 器 、 风 机 盘 管 、 冷 媒 水 泵 等 部 分组 成 。吸 附 式 制 冷 过 程 分 为 脱 附 过 程 和 吸 附 过 程 ， 在 脱 附 过 程 中 ， 太 阳 能 集 热 器 供 能 ， 冷 凝器 放 热 ； 吸
13、 附 式 过 程 中 ， 蒸 发 器 吸 收 冷 媒 水 的 热 量 ， 吸 附 床 放 热 。 吸 附 制 冷 循 环 属 于基 本 型 循 环 ， 间 隙 式 过 程 循 环 周 期 长 ， COP 值 低 ， 连 续 型 循 环 可 以 实 现 交 替 连 续 制 冷 ，效 率 较 高 ， 所 以 通 常 实 际 中 多 采 用 连 续 型 循 环 。（ 2） 太 阳 能 喷 射 式 制 冷喷 射 式 制 冷 系 统 是 利 用 制 冷 剂 通 过 太 阳 能 集 热 器 产 生 一 定 压 力 的 蒸 汽 ， 再 通 过 喷 嘴 喷 射利用太阳能来实现制冷利用太阳能来实现制冷制 冷 。
14、 一 般 分 为 两 个 循 环 ； 动 力 循 环 、 制 冷 循 环 。 动 力 循 环 是 指 制冷剂在集热器中汽化、增压，产生饱和蒸汽，进入喷射器，通过喷嘴高速喷出并膨胀，在喷嘴附近产生真空，从而将蒸发器中的低压蒸汽吸人喷射器。经过喷射器的混和气体进入冷凝器放热、凝结，然后冷凝液的一部分通过节流阀进入蒸发器吸收热量后汽化，完成制冷循环。本文选择以太阳能光热转换制冷中的吸收式制冷系统加以分析。2.2 太阳能吸收式制冷的系统构成与工作原理2.2.1 系统构成太 阳 能 吸 收 式 空 调 系 统 由 热 管 式 真 空 管 集 热 器 、 吸 收 式 制 冷 机 、 储 热 水 箱 、 储
15、 冷 水 箱 、生 活 用 储 热 水 箱 、 循 环 泵 、 冷 却 塔 、 空 调 箱 、 辅 助 燃 油 锅 炉 和 自 动 控 制 系 统 等 部 分 组 成 。吸 收 式 制 冷 系 统 包 含 三 路 循 环 ， 分 别 为 热 水 循 环 、 冷 却 水 循 环 和 冷 冻 水 循 环 ， 每 一 路 循环 都 由 一 个 水 泵 带 动 ， 分 别 称 为 热 水 泵 、 冷 却 水 泵 和 冷 冻 水 泵 。2.2.2 工 作 原 理太 阳 能 吸 收 式 制 冷 就 是 利 用 太 阳 能 集 热 器 将 热 水 加 热 ， 维 吸 收 式 制 冷 机 的 发 生 器 提
16、供 其所 需 要 的 热 没 睡 ， 从 而 使 吸 收 式 制 冷 机 的 发 生 器 提 供 其 所 需 要 的 热 媒 水 ， 从 温 室 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 是 在 常 规 吸 收 式 空 调 系 统 的基 础 上 ， 增 加 了 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 供 热 水 等 多 种 功 能 。 其 中 以 溴 化 锂 -水 为 媒 介 的 吸 收 式 制 冷
17、系 统 工 作 原 理 如 图 2.1。溴 化 锂 吸 收 式 制 冷 系 统 ， 利 用 了 溴 化 锂 水 溶 液 在 常 温 下 具 有 强 烈 的 吸 收 水 蒸 气 ， 高 温 下又 能 将 吸 收 的 水 分 放 出 的 特 性 ， 来 实 现 制 冷 。 在制冷机运行过程中，当溴化锂水溶液在发生器内受到热媒水加热后，溶液中的水不断汽化；水蒸气进入冷凝器，被冷却水降温后凝结；随着水的不断汽化，发生器内的溶液浓度不断升高，进入吸收器；当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目的；在此过程中，低温水蒸气进入吸收
18、器，被吸收器内的浓溴化锂溶液吸收，溶液浓度逐步降低，由溶液泵送回发生器，完成整个循环。2.3 有关工质的选择2.3.1 制冷剂的选择选择制冷剂需要考虑多种因素，如下（）具有环境可接受性。制冷剂的臭氧破坏指数（）和温室效应指数（）为零或尽可能小；（）热力性质满足指定的使用要求。就是说制冷剂在指定的温度范围进行制冷循环时，循环特性较满意。它包括压力和压力比适中（高压不过高；低压无负压；压力比不过大）；单位容积制冷量和单位质量制冷量较大；排气温度不过高；等熵压缩的比功小；制冷系数较大；（）传热性和流动性好。可以使制冷机热交换设备的尺寸较小（减少重量和材耗）和保证制冷剂流动中的阻力损失小；（）化学稳定性和热稳定性好，使用可靠；（）无毒害、无刺激性气味，不然、不爆或燃爆性很小，使用安全；（）价格便宜，来源广。2.3.2 吸收剂的选择吸收剂的选择要考虑一些特性，如下：（）具有强烈吸收制冷剂的能力；（）在相同压力下，它的沸腾温度应比制冷剂的沸腾温度高得多；（）不应有爆炸、燃烧的危险，并对人体无毒害；（）对金属材料的腐蚀性较小：（）价格低廉，易于获得。目前常用的制冷剂-吸收剂工质对如下：
