太陽能固體吸附式制冷技術的研究與進展

劉家林，鄭學林

（上海海事大學 商船學院，上海201306）

1 引言

隨著能源和環境問題與社會經濟發展的矛盾日益突出，新能源和可再生能源經過多年的發展已經開始在世界能源供應結構中占據一席之地，受到各國政府的廣泛重視。開發利用新能源和可再生能源成為世界能源可持續發展的重要組成部分，是大多數發達國家和部分發展中國家21世紀能源開發的基本選擇。

太陽能固體吸附式制冷技術正是解決這一問題的有效途徑之一，太陽能是一種環境友好、可再生的能源；太陽能制冷技術使用無氟工質，能吸收太陽輻射，減弱熱島效應也滿足環保的要求；太陽能固體吸附式制冷具有結構簡單、初投資少、運行費用低、無運動部件、噪音小、壽命長且能適用于振動或旋轉等場所的優點。而且，太陽能在時間和地域上的分布特征與制冷空調的用能特征具有高度的匹配性，因此，利用太陽熱能驅動的固體吸附式制冷技術的研究具有極大的潛力和優勢。

2 太陽能固體吸附式制冷技術的工作原理

太陽能吸附制冷的原理為以某種具有多孔性的固體作為吸附劑，某種氣體作為制冷劑，形成吸附制冷工質對，在固體吸附劑對氣體吸附物吸附的同時，流體吸附物不斷地蒸發成可供吸附的氣體，蒸發過程對外界吸熱實現制冷；吸附飽和后利用太陽能加熱使其解吸。按照被吸附物與吸附劑之間吸附力的不同，吸附可分為物理吸附和化學吸附兩類。物理吸附是分子間范德華力所引起的，而化學吸附是吸附劑與被吸附物之間通過化學鍵起作用的結果，吸附、脫附過程中同時伴隨著化學反應。圖1為太陽能固體吸附式制冷系統示意圖，系統主要由4大部件即吸附床（集熱器）、冷凝器、蒸發器、節流閥等構成，其基本的工作過程由吸熱解吸和冷卻吸附組成。

2．1 吸熱解吸

白天太陽輻照充足時，吸附床吸收太陽輻射能后，吸附床溫度升高，使制冷劑從吸附劑中解吸，吸附床內壓力升高。解吸出來的制冷劑進入冷凝器，經冷卻介質冷卻后凝結為液體，經節流閥進入蒸發器儲存起來。

2．2 冷卻吸附

夜間或太陽輻照不足時，環境溫度降低，吸附床被環境空氣冷卻，吸附劑開始吸附制冷劑蒸汽，系統中制冷劑蒸汽壓力下降，當壓力下降至蒸發溫度下的飽和壓力時，儲存在蒸發器中的液態制冷劑開始蒸發制冷，產生的蒸汽繼續被吸附床吸附，直至吸附結束，完成一個吸附制冷循環。

圖1 太陽能固體吸附式制冷系統示意圖

3 太陽能固體吸附式制冷的研究現狀

最早記錄的吸附制冷現象是1848年Faraday發現AgCl吸附NH3產生制冷。對固體吸附式制冷技術的研究則開始于20世紀30年代。70年代的能源危機為吸附式制冷提供了一個很好的發展契機，吸附式制冷的理論和實驗研究進入了一個新的階段，1992年首屆巴黎固體吸附式制冷大會和1998年第6屆國際吸附基礎大會又促進了國內外對吸附式制冷進行更加全面、深入的研究，而且取得了大量的研究成果。

在國外，由英國University of Warwich研制的用于疫苗冷藏的太陽能吸附式制冷機被國際衛生組織推薦用于發展中國家。法國CNRS研究所與French Company BLM開發了一種以活性碳－甲醇為工質對的太陽能制冰機，每臺制冰機的集熱器面積為1m2。美國的Power公司［1］采用沸石－水作為工質對，太陽能為熱源，他們把沸石吸附劑裝在深5cm的涂黑的金屬集熱盒組成共用器，冷凝器與蒸發器合裝在冰箱內，對集熱器面積為0．7m2的冰箱進行了測試，結果顯示：產冰量6．8kg（0℃左右），制冷系數是0．15；法國的M．Pons等人以活性炭－甲醇工質對，太陽能為熱源，成功地進行了太陽能吸附制冷機的試驗。活性碳－甲醇太陽能制冰機［2］的集熱器用銅制成，面積為6m2（4個集熱器），吸附劑質量為20～24kg，制冷系數為0．12～0．14。

在國內，上海交通大學的劉震炎［3］等人在太陽能真空管集熱管和固體吸附制冷技術的基礎上，考慮到太陽能作為輻射能這一特點，成功地研制了一種新型無污染的非金屬太陽能制冷管，使太陽能加熱和制冷集中在一根管子上完成，且由于各根冷管自成一體，宜于密封并長期保持較高的真空度。并試制了一臺太陽能冷管型制冷系統試驗樣機，該樣機共有13根冷管，集熱器面積為0．9m2，試驗過程中從8時至15時接收太陽能。當此段時間的日射密度為20MJ／m2時，可使制冷箱內25kg的水在吸附制冷循環階段從29℃下降到17℃，COP值約為7%。分析表明，這樣的系統尤其適合我國的新疆、西藏等晝夜溫差大的地區。王如竹、壽海波［4］等制作了太陽能熱水器－冰箱復合機的實驗樣機，采用電加熱器模擬實驗，在熱水箱內放入22℃的水，加入熱量61MJ后，可得到92℃熱水和－1．5℃冰9kg，制冷循環的COP值為0．41。譚盈科［5］等人試制了一臺太陽能吸附制冷樣機，其采光面積為1．1m2，以活性碳－甲醇為工質對，冰箱的有效容積為103L，實驗得到該樣機的最大制冰量為6kg／d（－5℃）。

4 太陽能固體吸附式制冷技術目前存在的問題

經實驗研究表明，太陽能吸附式制冷主要存在以下幾個難點。

（1）吸附式制冷基本循環不能實現連續制冷，吸附床傳熱傳質性能差，吸附／解吸所需的時間長，循環周期長，系統調節滯后時間長，制冷功率低，制冷系數小，能量利用率低。

（2）晚上制冷不符合空調用能規律，大大限制了太陽能吸附式制冷的應用。

（3）太陽能是低品位能源，且供能不連續，另外，太陽能集熱技術難以保證高溫而穩定的驅動熱源，因此，系統需要較低的驅動溫度。這將是推廣吸附式制冷技術實用化進程所面臨的最大的問題。第四、吸附式制冷系統難以根據工況的變化迅速及時地做出穩定的調節。

5 主要技術改進措施

5．1 吸附床的傳熱傳質性能強化技術

吸附床作為整個吸附制冷系統中的心臟，其傳熱傳質的性能對整個系統的性能有著決定性的影響。吸附床傳熱傳質性能強化的途徑主要是吸附床結構優化，對吸附床內吸附劑進行物化處理。

5．1．1 吸附床結構優化

對現有的吸附床進行結構改善或采用先進的吸附床結構。基本上所有的太陽能吸附床都采用翅片或類似的結構形式增加吸附器與吸附劑間的接觸面積，減小熱阻。從而大大的增加了吸附床的導熱系數。

目前的吸附床大多采用平板式和圓管式結構。平板式結構單位容積內充裝的吸附劑量較大，但圓管式結構的傳熱效率高，承壓能力好，因此各國研究人員多采用圓管式吸附床結構以強化傳熱。圓管式吸附床可在床內設置多根開有槽或孔的內插管作為吸附質的傳質通道，有效減小傳質阻力，縮短吸附質進出床層的流程，減小壓降，從而強化了傳質，同時床內溫度場分布更均勻。內插管可直接與冷凝器管路相通，也有利于吸附質蒸汽的合理流動。

5．1．2 對吸附床內吸附劑進行物化處理

吸附劑為多孔介質，接觸熱阻大，導熱性能差，增強吸附床內部的傳熱效果，改善吸附劑的傳熱性能是最有效手段。最簡單的方法是將不同大小的吸附劑顆粒混合，但這樣做的效果很有限，還有一種方法是將吸附劑顆粒與導熱性能較好的金屬粉末或石墨混合，另一種更有效的方法是將吸附劑與粘接劑混合，形成固化的復合吸附劑。同時考慮到減小接觸熱阻，使吸附劑與吸附床壁緊貼。意大利Restuccia等研制了緊貼于金屬肋片的沸石－氫氧化鋁的復合吸附劑薄層，其導熱系數達0．43W／（m·K）。

5．2 工質對的選擇

由于工質對很大程度上決定著吸附式制冷能否得到工業上的應用，而且公質對的熱力性質對系統性能系數、設備材料、一次性投資等影響很大。選擇優化的工質對可疑增大單位質量工質的制冷量，提高系統的制冷系數，減小設備尺寸，縮短循環時間，是整個系統機器的性能有較大的提高。理想的吸附工質對要求吸附容量大，吸附熱小，吸附質氣化潛熱大，具有良好的導熱性和擴散性，熱穩定性好，無毒、無腐蝕、無污染、不可燃。實際應用中，符合以上條件的理想工質對很難找到，只能綜合全面的考慮后去選擇。目前常研究的吸附工質對主要有沸石－水、硅膠－水、活性炭－甲醇、氨－氯化鈣、氯化鍶－氨等。

沸石－水工質對的解吸溫度范圍較寬（70～250℃），使系統對環境的適應能力強。但該系統蒸發溫度大于0℃，不能用于制冰，另外系統是真空系統，對真空密封性要求很高，而蒸發壓力低也使得吸附過程較慢，需要在高驅動溫度下才具有較高的解吸速度，應用于太陽能制冷不是很理想。硅膠水－水的解吸溫度較低（100℃以下），解吸性能好，但超過120℃硅膠將被燒毀，且其吸附量較小，制冷能力較低。

活性炭－甲醇是太陽能吸附制冷中應用最廣的工質對，其吸附量較大，解吸溫度不高（100℃左右），吸附熱也較小，甲醇的熔點低（－98℃），使得系統可用于制冰，但是甲醇溫度超過150℃將分解，另外，甲醇有毒，不利于其廣泛應用。王圣佑等采用燃燒木炭－乙醇作為工質對，制冷量可達到150．8kJ／kg·m2。王如竹等［6］提出了一種新的吸附劑——活性炭纖維（ACF），其系統的吸附／解吸時間縮短為活性炭系統的1／10，制冷量可達活性炭的2～3倍，其制冷性能系數也比活性炭系統提高15%以上。活性炭纖維－乙醇應用于太陽能吸附式制冷將會有很好的發展前景。

華南理工大學的陳礪等［7］建立了化學吸附式制冷單元，對氯化鍶－氨工質對的制冷性能進行研究，實驗研究結果表明，在相同的制冷工況下，氯化鍶－氨工質對的制冷量遠遠大于活性炭－甲醇工質對。在熱源溫度為100℃時，他們所用的工質對單位質量吸附劑的制冷量是活性炭－甲醇工質對的3．2倍。馬剛等［8］對新型化學吸附式制冷工質對CoF2－NH3的吸附特性進行了實驗研究，得出了吸附等溫線，研究結果表明，CoF2－NH3工質對的單位吸附量大，達到最大吸附量時的溫度要求降低，吸附周期縮短，并且多次重復吸附后既不結塊，也不膨脹，為化學吸附式制冷的小型化和實用化提供了新的可能性。

最近Vasiliev將物理吸附與化學吸附相結合，提出了采用活性炭纖維－氨／氯化鈣－氨復合吸附工作對，單位質量吸附劑對氨的吸附率可達0．85，揭示了吸附工質對研究的新方向。

5．3 采用高效制冷循環

5．3．1 連續回熱型循環

連續回熱型循環的工作原理：兩床交替運行時，將正在進行吸附的吸附床的部分吸附質回流到另一臺正在進行解吸的吸附床，既利用了部分吸附質的顯熱和吸附熱，節省了能量輸入，又加速了解吸和吸附的進行，縮短了循環周期，提高了循環COP的同時又增大了制冷量。

5．3．2 對流熱波循環

對流熱波循環是一種吸附床內強迫對流以改善吸附床傳熱性能的循環方式。即利用制冷劑氣體和吸附劑間的強制對流，使用循環泵將氨等高壓制冷劑蒸汽直接加熱冷卻吸附劑而獲得較高的熱流密度。因吸附床內的傳熱條件良好，在較短的時間內可將吸附床加熱或冷卻到預定溫度，加快吸附／解析過程，提高循環效率。英國Critoph對該循環的近期研究表明其COP可達到0．90。

5．3．3 多級復疊型循環

多床循環中各級循環都是用同樣的工質對，吸附熱利用率不高。Douss和 Meunier［9］提出了雙效復疊循環，利用工作在不同溫度范圍內的循環來提高吸附熱的利用率，以沸石－水為工質對的高溫循環來驅動以活性炭－甲醇為工質對的低溫循環，系統的COP可達1．06。王如竹等［10］研究了一種四床三效復疊循環，COP可高于1．1。

6 太陽能固體吸附式制冷技術的應用前景展望

隨著對太陽能固體吸附式制冷技術研究的不斷深入，太陽能吸附制冷技術已經逐步向實用化推進，發揮其節能、環保的優勢，有著廣闊的應用前景和價值。如上海交通大學制冷與低溫工程研究所提出了一種高效、綜合利用太陽能的新設備——太陽能熱水器－冰箱復合機裝置，其特點是一方面復合機系統能有效地解決目前太陽能吸附式制冷中普遍存在的許多問題，如夜間散熱問題、太陽能真空管在吸附制冷中的應用問題、間隙制冷效果的影響問題等。只要選用高性能的真空管并把吸附制冷中的新技術加以推廣應用，有望在短期內試制出同時供熱與制冷的實用新型產品。另一方面復合機系統的總能利用率高，若將太陽能真空管集熱器與建筑業的設計有效結合，并用電加熱器來輔助解決陰雨季節的影響，則一種全天候的太陽能利用裝置將會帶來巨大的社會效益和經濟效益。

將太陽能吸附式制冷技術應用于家庭中央空調冷熱聯供是一個很好的選擇。家用中央空調在國內市場剛剛興起，它不僅適用于家庭住宅，也適用于辦公樓、寫字樓及商用住宅公寓樓等場所。傳統的寫字樓或辦公室通常采用大樓集中空調，沒有集中空調則可能選擇安裝若干分體式空調機，但是這些都不是最佳選擇。同時，在可持續發展的潮流下，太陽能吸附式制冷技術在汽車空調系統、住宅小型化太陽能熱驅動冷暖并供系統和列車、船舶食品冷藏等系統中也有非常廣泛的應用前景。

7 結語

太陽能固體吸附式制冷技術與傳統的蒸汽或電動壓縮式制冷相比還不是很成熟，但隨著太陽能固體吸附式制冷技術研究的不斷進步，良好的社會與經濟效益都將促進吸附式制冷技術的實用化進程。同時，由于節能和環保優勢，決定了它具有廣闊的應用前景。相信以后在政府的大力支持下，不斷鼓勵廣大民眾使用太陽能吸附式制冷裝置，再加上大批在太陽能吸附制冷領域的研究人員的不懈努力下，太陽能固體吸附式制冷技術將逐步實現民用商業化，為社會的發展和人類的進步做出更大的貢獻。

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