太阳能固体吸附式制冷系统概述

【摘 要】太阳能固体吸附式制冷机以其节能、环保等优点受到人们的重视。本文介绍了这种制冷循环的原理和过程，并结合目前国内研究的较多的课题，就吸附集热器及其研究成果作了概述，并讲述了解决太阳能固体吸附制冷空调工作和使用时间上不匹配的方法。

【关键词】固体吸附；吸附集热器；平板型；真空管吸附集热器；蓄冷

一、引言

20世纪90年代以来，由于资源与环境问题，在制冷领域，太阳能制冷因其节能、环保，以及太阳能辐射资源与制冷空调用能在时间、地域上波动规律，热量的供给和冷量的需求在季节上和数量上的高度匹配，受到人们的广泛关注。但与太阳能供热相比，太阳能制冷还很不成熟，其主要原因是技术要求和成本太高。制冷方式以太阳能热水器产生的热水驱动溴化锂吸收式制冷机为主。近年来固体吸附式制冷的发展，为太阳能制冷的实用化提供了一个很好的发展契机。其主要应用在于制冰或冷藏，而在国内，从70年代开始对太阳能制冷技术进行研究，目前尚未有商品化产品。

二、循环过程

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，吸附剂的再生可以在65～200℃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。

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，Critoph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。如图1所示，表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2所示：

（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Tg1。

（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，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Ta1。

（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。

三、研究课题

1、吸附床集热器

吸附式制冷循环效率很低，现有的太阳能固体吸附制冷机的制冷系数COP一般为0.08～0.13。因此要尽量提高增强吸附床的传热传质，以改进吸附制冷性能。增强传热传质，可以从两个方面入手：一是研究高导热性能的复合吸附剂，二是采用具有更好换热效果的换热器。

1-水进口 2、8-上、下盖板

3-制冷剂进口 4-透明玻璃筒

5-选择性涂层 6-内筒

7-吸附剂颗粒 9-水出口

10-制冷剂出口

就吸附/集热器而言，目前最普遍的就是平板吸附/集热器。一种平板吸附床结构图如图3所示。吸附床通常由吸附剂（如活性碳、沸石分子筛）填充在一定形状的金属壳体内所构成，其性能的优劣主要由传热传质特性所决定，即要求吸附床在吸附制冷系统循环的加热解吸过程中能尽快地将外界加给系统的能量传递给吸附床内的吸附剂，使吸附床能脱附出制冷剂；同时，在冷却吸附过程中应使吸附床尽快将吸附床的显热以及吸附热释放出来以便使吸附剂吸附制冷剂而产生蒸发制冷效果，因而吸附床性能的改进都与吸附床的传热传质性能密切相关。

固体吸附式制冷循环COP较低的一个重要原因是对太阳能的集热与散热效果不佳。与其他太阳能集热器一样，平板型太阳能吸附集热器主要热损失集中于受阳面吸热板和玻璃面盖之间的自然对流、辐射和热传导。为减少平板集热器的热损，提高集热温度，国际上在20世纪70年代研制成功真空集热管，大大增强了集热效率。但这种高性能的集热方式至今尚未在固体吸附制冷中得到应用，问题主要在于夜间吸附床散热困难。如果能够解决好真空管用于吸附制冷时的集热和散热之间的匹配关系，将使太阳能固体吸附制冷系统的效率得到较大的提高。

文献1就这个问题提出了一种真空管太阳能吸附集热器的设计方案。真空管集热器采用圆柱结构，集热器与吸附床做成一体。其主要特点是将吸热面和外层玻璃之间抽成真空，以有效抑制自然对流和热传导。吸附剂层设在中心，吸附剂颗粒间的自然间隙作为传质通道如图4所示。该吸附集热器为同心筒状，最外层为玻璃管，第二层可为玻璃管，也可为涂有选择性涂层的导热良好的材料，以增强对太阳辐射的有效吸收。中间通有冷却水管，冷却水管和内筒间为采用装填或烧结工艺制成的吸附剂层，吸附剂的自然孔间隙为传质通道。玻璃管和内筒之间抽成真空。玻璃管可以让可见光通过而又防止内部长波辐射，起到较好的保温作用。真空可以防止吸附层外筒壁与玻璃之间的对流热损失。冷却水管在吸附过程中通冷水带走吸附热，降低床温。适当控制流速，冷却水带走