太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 燃煤污染物減排國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 ■ 劉巖 馬春元 張夢(mèng)

0 引言

能源是當(dāng)今世界發(fā)展的關(guān)鍵，各國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和技術(shù)進(jìn)步都取決于能源，可提供能源的總量反映了一個(gè)國(guó)家的綜合水平，擁有大量能源成為21世紀(jì)的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)能源的大量燃燒破壞了環(huán)境，而太陽(yáng)能以其清潔環(huán)保、可利用資源總量大等特點(diǎn)得到快了速的發(fā)展。高效合理地利用太陽(yáng)能可帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重效益，其中，太陽(yáng)能制冷是太陽(yáng)能利用的重要方面，并且太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的季節(jié)也是制冷需求量最大的時(shí)期，太陽(yáng)輻射在時(shí)間上的變化規(guī)律和制冷空調(diào)在時(shí)間上的用能規(guī)律可以高度匹配[1]，所以，以太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的吸附式制冷系統(tǒng)以所需的驅(qū)動(dòng)熱源溫度低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛重視和大力發(fā)展，成為各國(guó)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。1848年，法拉第將固體吸附劑引入蒸汽吸附技術(shù)，被認(rèn)為是吸附式制冷系統(tǒng)的開端；在19世紀(jì)90年代，吸附劑開始用于制冷和熱泵，固體吸附劑克服了液體吸附劑的缺點(diǎn)；1992年以后，隨著全球爆發(fā)了能源危機(jī)，世界各國(guó)都在加緊太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)的研究，因此，該技術(shù)取得了快速發(fā)展。

1 工作原理

太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)主要由吸附床(集熱器)、冷凝器、蒸發(fā)器、儲(chǔ)液器組成，如圖1所示。該系統(tǒng)的運(yùn)行主要包括吸附制冷和受熱解吸2個(gè)過(guò)程。當(dāng)在無(wú)陽(yáng)光暴曬的加熱狀態(tài)時(shí)，吸附劑在低溫低壓下對(duì)制冷劑進(jìn)行吸附，液態(tài)的制冷劑蒸發(fā)吸熱，實(shí)現(xiàn)制冷；該過(guò)程一般在夜間進(jìn)行，吸附反應(yīng)實(shí)際上是氣體或液體在固體微空表面的傳質(zhì)過(guò)程。當(dāng)在有陽(yáng)光曝曬的加熱狀態(tài)時(shí)，夜間被吸附的制冷劑受熱解吸為高溫水蒸氣，通過(guò)冷凝器時(shí)凝結(jié)為液體流回蒸發(fā)器中，進(jìn)行下一個(gè)制冷循環(huán)[2]。

太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了迅速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外如譚盈科、王如竹、李明、Saha等及其課題組對(duì)太陽(yáng)能吸附式制冷進(jìn)行了較深入的研究。但由于昂貴的初期投資和較低的性能系數(shù)COP值，太陽(yáng)能吸附式制冷尚還處于發(fā)展初期。

圖1 太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)

表1 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的研究概況

2 工質(zhì)對(duì)的選擇

在吸附式制冷技術(shù)中，工質(zhì)對(duì)對(duì)系統(tǒng)的制冷性能起著至關(guān)重要的作用。

吸附劑應(yīng)具有的特點(diǎn)為：較高的吸附和解吸能力、較低的比熱容、良好的導(dǎo)熱性、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、與制冷劑有較好的兼容性、符合成本效益且可以大量提供。

制冷劑應(yīng)具有的特點(diǎn)為：較小的分子直徑、較高的汽化潛熱和熱導(dǎo)率、良好的熱穩(wěn)定性、較低的黏度和比熱、無(wú)毒、無(wú)污染、無(wú)腐蝕性。

工質(zhì)對(duì)的吸附能力取決于吸附劑的多孔屬性(表面積、孔隙尺寸和孔隙體積)和等溫特性。常見的一些工質(zhì)對(duì)有：硅膠-水、沸石-水、活性炭-甲醇、活性炭纖維-甲醇、復(fù)合工質(zhì)對(duì)等。

2.1 硅膠-水工質(zhì)對(duì)

硅膠是一種附有水化SiO4的膠體小顆粒，吸附性能取決于形成羥基氧化物的羥基離子的極化。Saha等[9]的研究表明，硅膠可以在較低熱源下工作，而且與甲醇和其他傳統(tǒng)的制冷劑相比，水有更大的汽化潛熱，硅膠-水較低的解吸溫度使該工質(zhì)對(duì)可以更好的利用太陽(yáng)能、工業(yè)余熱等低品位能源，但硅膠-水工質(zhì)對(duì)不能用于蒸發(fā)溫度小于0 ℃以下的制冷系統(tǒng)。余楠等[10]將硅膠-水工質(zhì)對(duì)用于改進(jìn)型太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)的制冷功率為14.0 kW，COP值為0.4，在近似的工況下制冷功率比之前提高了60%。徐圣知等[11]將硅膠-水用于回質(zhì)回?zé)嵛绞街评溲h(huán)中，并應(yīng)用熱力學(xué)第一定律與第二定律中的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)基本循環(huán)、回質(zhì)循環(huán)、回質(zhì)回?zé)嵫h(huán)的COP值、火用 效率和循環(huán)熵產(chǎn)進(jìn)行了分析。

2.2 沸石-水工質(zhì)對(duì)

沸石-水工質(zhì)對(duì)在高溫下可以保持較好的穩(wěn)定性，其吸附等溫線在較高壓力下基本保持不變，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)；但該工質(zhì)對(duì)的缺點(diǎn)是不適用于蒸發(fā)溫度小于0 ℃的制冷系統(tǒng)。另外，由于吸附過(guò)程中溫度較高，使得沸石-水工質(zhì)對(duì)的循環(huán)周期較長(zhǎng)，吸附解吸速率慢。為了提高沸石的吸附解吸速率，相關(guān)研究學(xué)者采用將分子篩與高導(dǎo)熱材料復(fù)合的方法來(lái)提高分子篩的導(dǎo)熱系數(shù)[12]，并得出結(jié)論，沸石-水工質(zhì)對(duì)適用于以高溫?zé)嵩礊閯?dòng)力且蒸發(fā)溫度在0 ℃以上的制冷系統(tǒng)。

2.3 活性炭-甲醇及活性炭纖維-甲醇工質(zhì)對(duì)

活性炭-甲醇工質(zhì)對(duì)有較強(qiáng)的吸附能力、較低的吸附熱(1800～2000 kJ/kg)、較低的解吸溫度和較大的蒸發(fā)潛熱等優(yōu)點(diǎn)，并由于其解吸溫度低而得到了廣泛應(yīng)用。但是甲醇有毒，要求較高的真空性，不能有不凝性氣體的存在；另外，活性炭-甲醇的導(dǎo)熱性較差，這些缺點(diǎn)都限制了該工質(zhì)對(duì)的應(yīng)用。

為了避免甲醇的分解，活性炭-甲醇工質(zhì)對(duì)應(yīng)在120 ℃以下的場(chǎng)合應(yīng)用。當(dāng)溫度大于120 ℃時(shí)，甲醇在活性炭存在時(shí)會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

化學(xué)式中，反應(yīng)產(chǎn)物二甲醚(CH3-O-CH3)為系統(tǒng)中的不凝性氣體，影響系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)性能。

Jrad等[13]設(shè)計(jì)出太陽(yáng)能吸附-噴射混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用活性炭-甲醇和沸石-水為工質(zhì)對(duì)，研究表明，與普通太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的COP值分別增加約17.96%和3.65%。

活性炭纖維在合適的條件下可以替代活性炭。Sur等[14]的研究表明，活性炭纖維-甲醇的吸附能力是活性炭-甲醇的2～3倍，而吸附時(shí)間是活性炭-甲醇的1/10～1/5，并且活性炭纖維的COP值比活性炭的高10%～20%。

2.4 復(fù)合工質(zhì)對(duì)

普通工質(zhì)對(duì)的吸附量不高、吸附-解吸速率慢，這制約了太陽(yáng)能吸附式制冷裝置的發(fā)展，而復(fù)合工質(zhì)對(duì)可有效提高吸附量和吸附-解吸速率。Wang等[15]對(duì)活性炭-膨脹石墨復(fù)合吸附劑做了大量的研究工作，發(fā)現(xiàn)膨脹石墨經(jīng)過(guò)酸化處理后再與吸附劑復(fù)合，會(huì)有更好的傳熱效果；并將導(dǎo)熱系數(shù)為2.47 W/(m?K)的復(fù)合吸附劑與未經(jīng)處理的粒狀活性炭進(jìn)行性能比較試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合吸附劑吸附-解吸速率比未經(jīng)處理的粒狀活性炭提高了29%。卜憲標(biāo)等[16]分別將孔徑為2～3 nm、4～7 nm和8～10 nm的硅膠與CaCl2復(fù)合，組成的復(fù)合工質(zhì)對(duì)的吸附量分別是純硅膠吸附量的1倍、4倍和8倍；與微孔硅膠相比，在中高濕度下，中孔硅膠更適合與CaCl2組成復(fù)合工質(zhì)對(duì)。使用復(fù)合工質(zhì)對(duì)可以增大吸水量和吸附-解吸速率，對(duì)促進(jìn)太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)的發(fā)展起到了一定的作用。常烜宇等[17]將硅膠浸泡在氯化鋰溶液中制成硅膠-氯化鋰復(fù)合材料，該復(fù)合材料的平衡吸水量約為硅膠的2.3倍，且最大蓄能密度可以達(dá)到1723 kJ/(kg吸附劑)，約為硅膠的1.65倍。

表2 各種工質(zhì)對(duì)的比較

3 吸附床的設(shè)計(jì)

作為太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的核心部件，吸附床在太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要[12]。強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)和減小熱阻是提高吸附床整體效率最便捷有效的方法，對(duì)此，研究學(xué)者們進(jìn)行了大量的模擬和實(shí)驗(yàn)。

3.1 強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)

范介清等[18]提出一種整體強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)的新型翅片管設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)在晴天及晴天多云時(shí)能有效制冰，COP值可高達(dá)0.129，當(dāng)全天多云及陰天時(shí)，COP值仍為0.039，說(shuō)明該吸附床對(duì)天氣有良好的適應(yīng)性。廣州萬(wàn)寶集團(tuán)有限公司的陳二雄等[19]設(shè)計(jì)了一種一體式兩床連續(xù)型吸附式制冷系統(tǒng)，機(jī)組的制冷功率為4 kW，當(dāng)循環(huán)時(shí)間為10 min、驅(qū)動(dòng)熱源溫度為80 ℃、冷凝溫度為42 ℃、冷凍水進(jìn)口溫度為15 ℃、出口溫度為10 ℃時(shí)，該系統(tǒng)的COP值大于0.2。Deshmukh等[20]設(shè)計(jì)了一種以硅膠-水為工質(zhì)對(duì)，帶有3個(gè)吸附床的太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)制冷，COP值和單位吸附劑的制冷功率SCP值分別達(dá)到了0.63和337.5 kJ/kg。云南師范大學(xué)的張少波等[1]設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)化傳質(zhì)的太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)，在吸附床和冷凝器之間安裝了管道泵，實(shí)現(xiàn)了縮短解吸時(shí)間、增加解吸量的目的，提高了系統(tǒng)的制冷性能和能源利用率。宋向波等[21]研究了有、無(wú)閥門控制對(duì)水浴式吸附制冰系統(tǒng)性能的影響，當(dāng)接收能量相等時(shí)，無(wú)閥門控制的系統(tǒng)比有閥門控制的系統(tǒng)的制冷性能提高了20%；當(dāng)冷凝溫度為10 ℃時(shí)，無(wú)閥門控制的系統(tǒng)日制冰量可達(dá)8.5 kg，系統(tǒng)純吸附制冷性能系數(shù)COPpure值為0.0893。

3.2 減小熱阻

Restuccia等[22]將吸附劑涂層和金屬管附著在一起形成新型吸附床，該吸附床的吸附劑與換熱壁面、吸附劑均直接接觸，使吸附劑與換熱壁面的換熱系數(shù)和吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)都大幅提高，熱阻降低。Brites等[23]以硅膠-水為工質(zhì)對(duì)設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)，并通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在硅膠和吸附床之間加入鋁箔或石墨箔可以減小熱阻。Hassan等[24]研究了吸附劑表面的密度對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響，得出結(jié)論，吸附劑表面密度越小，系統(tǒng)的制冷性能越好。當(dāng)吸附劑表面密度為12.6 kg/m2時(shí)，系統(tǒng)的COP值為0.43；當(dāng)吸附劑表面密度大于44 kg/m2時(shí)，由于熱阻過(guò)大使制冷裝置無(wú)法完成循環(huán)制冷，吸附床的吸附和解吸能力隨著吸附劑厚度的增加而減小。

綜上所述，增大有效換熱面積、提高換熱管內(nèi)流體的換熱系數(shù)、計(jì)算最優(yōu)的吸附劑的質(zhì)量和密度等都可以提高系統(tǒng)的制冷性能和能源的利用率。

4 經(jīng)濟(jì)性分析及應(yīng)用

太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的成本比傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的成本高，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，具有相同制冷能力的太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的成本是傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)成本的7～9倍。投資成本高、投資回收期長(zhǎng)制約了太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的發(fā)展[25]。有相關(guān)研究學(xué)者調(diào)研得出，太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的投資回收期約為21～25年，投資回收期隨著初投資的減少呈線性減少；能源通貨膨脹率也會(huì)影響投資回收期的年限，隨著能源通貨膨脹率的增加，投資回收期呈線性減少。

盡管太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的初投資大、投資回收期長(zhǎng)，但是其運(yùn)行成本低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)依然使該系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中得到了極大的應(yīng)用[26]。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者羅會(huì)龍等[27]提出并構(gòu)建了一種用于低溫儲(chǔ)糧的太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以四季連續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行費(fèi)用低、無(wú)污染，具有較大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)；但該技術(shù)發(fā)展還不成熟，系統(tǒng)的制冷性能、投資回收年限大力依賴于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件。近年來(lái)，有研究學(xué)者提出供熱-制冷-供電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。Chemisana等[28]設(shè)計(jì)出一種太陽(yáng)能集中制冷與建筑一體化系統(tǒng)，與分散安裝使用太陽(yáng)能相比，太陽(yáng)能集中制冷系統(tǒng)的集熱器面積減少、熱損失降低、安裝和運(yùn)行成本降低，取得了快速的發(fā)展。高鵬等[29]設(shè)計(jì)了一套新型冷電聯(lián)供系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，熱量的利用效率得到明顯提高。當(dāng)制冷溫度為-10 ℃、加熱溫度為90 ℃時(shí)，系統(tǒng)制冷量和COP值分別為1.29 kW和0.176。

5 展望

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，太陽(yáng)能吸附式制冷技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)入了中試和商品化生產(chǎn)階段，但就整體水平而言，現(xiàn)階段該系統(tǒng)還無(wú)法完全替代傳統(tǒng)的可壓縮式制冷系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的初投資成本高、投資回收期長(zhǎng)、制冷性能低，且其具有節(jié)能環(huán)保性能、不依賴傳統(tǒng)動(dòng)力、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。目前，太陽(yáng)能吸附式制冷的發(fā)展呈現(xiàn)出多元化的趨勢(shì)，多床式、多級(jí)式和制冷-制熱聯(lián)產(chǎn)的太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)是未來(lái)主要的發(fā)展方向。

太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

1)選擇合適、高效、安全的工質(zhì)對(duì)，可以在復(fù)合工質(zhì)對(duì)方面多做研究。

2)提高吸附床的傳熱傳質(zhì)效率，應(yīng)在優(yōu)化吸附床的結(jié)構(gòu)上(增大換熱面積和減小接觸熱阻)進(jìn)行進(jìn)一步研究；優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使各個(gè)部件之間達(dá)到良好的匹配。

3)為了使太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，提高制冷性能和能源利用率，應(yīng)加大對(duì)多床式、多級(jí)式的太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)的研究力度。

4)加強(qiáng)太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，可將其與太陽(yáng)能熱泵相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)制冷-制熱聯(lián)產(chǎn)，使太陽(yáng)能吸附式制冷更好地實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。