利用灶台余热的吸附式冰箱研究

王生软，韩贤贵

(黄冈职业技术学院机电学院，湖北黄冈438002)

利用灶台余热的吸附式冰箱研究

王生软，韩贤贵

(黄冈职业技术学院机电学院，湖北黄冈438002)

通过分析我国农村能源的利用情况，提出了一种利用灶台余热的吸附式冰箱，介绍了其工作原理，并进行了技术可行性分析。

灶台余热;吸附式冰箱;节能

0 引言

随着我国经济的发展，能源问题已经成为制约我国经济发展一个重要因素。另一方面，臭氧层的破坏和全球气候变暖问题，已成为全球面临的主要环境问题。2000年，对全国农村居民生活用能作了一次调查，据调查农村能源消耗总量达3.7亿吨标准煤，其中薪柴占21.76%，秸秆占33.41%，煤炭占 31.9%，电力占9.31%，成品油占 2.04%，液化气、沼气等占1.58%。全国农村居民每年要烧薪柴1.45亿吨，按每750公斤折合1立方米木材计算，约计消耗木材1.88亿立方米。近几年，又对25个省、自治区、直辖市和新疆生产建设兵团2.1万户农村居民用能情况作了调查，其中，烧薪柴为主的占47%(包括秸秆)，烧煤为主的占24.5%，用电为主的占 19%，燃气为主的占 6%，其他占3.5%［1］。我国农村能源利用和农村电气化大大落后于世界先进国家水平。

从上面可以看出来，薪柴(包括秸秆)作为农村能源的主要来源，农村大部分家庭所使用的主要燃料为植物性燃料，包括木柴、稻草和麦秸等。而我国13亿人口中，农村人口占8亿，燃料放在灶里直接燃烧，热能的利用率极低，只有10%左右。就是采用节能灶，利用率也只有30% ，大部分热量都通过围护结构和烟气散失掉了。假设每家每天消耗15kg木柴(其发热值为16MJ/kg，则每家每天就要浪费 216MJ热量［2］，并且这部分热量是高温热源，具有很高的利用价值。如果利用这部分热量来制冷，则可以不用运行费用就可解决或部分解决农村的冰箱和空调问题。固体吸附制冷是利用这部分热量来制冷的有效工具。假设216 MJ余热全部被利用，吸附制冷系统的COP为0.2，则所有余热能提供的最大制冷量为43.2MJ，这相当于6台每天用电1kWh的冰箱产生的制冷量。也就是说，只要能够利用热的1/6，就可以满足一个家庭对冰箱的要求。本文给出了一种利用灶台余热的吸附式冰箱，介绍了其工作原理，针对该冰箱进行了技术可行性分析。

1 系统原理及组成

图1 利用灶台余热的吸附式冰箱

该方案利用灶台烟气的余热来给冰箱提供动力，冰箱的结构如图1所示，包括：灶台、单向阀A、左侧帮冷凝器、膨胀阀、储液罐、冷冻室蒸发器、右侧帮冷凝器、冷冻室蒸发器、单向阀B、吸附床。

来自灶台的烟气给吸附床加热，吸附剂的温度升高，达到一定温度，吸附在其上的吸附物质开始脱附，单向阀A打开制冷剂从高温高压的灶台发生器向冷凝器扩散，在冷凝器中的制冷剂通过冰箱的侧帮和外界空气进行热量交换凝结为液体，液体最后储存在储液器中，等煮饭完成后，烟气停止对吸附剂加热，在环境空气的对流作用下吸附床温度降低，吸附床的压力降低，吸附剂逐渐恢复吸附来自灶台的烟气给吸附床加热，吸附剂的温度升高，达到一定温度，吸附在其上的吸附物质开始脱附，单向阀A打开制冷剂从高温高压的灶台发生器向冷凝器扩散，在冷凝器中的制冷剂通过冰箱的侧帮和外界空气进行热量交换凝结为液体，液体最后储存在储液器中，等煮饭完成后，烟气停止对吸附剂加热，在环境空气的对流作用下 吸附床温度降低，吸附床的压力降低，吸附剂逐渐恢复吸附能力，单向阀B打开，单向阀A关闭，制冷剂液体流经膨胀阀进行节流降压，在蒸发器中吸收来自被冷却对象的热量(箱体内的热量)，此时，吸附剂开始吸附来自蒸发器的内制冷剂蒸气，至此，制冷剂完成一个循环。

1.1 制冷工质对选择

1.2 吸附床的结构

吸附式制冷和传统的压缩式制冷最显著的区别就是吸附式制冷循环中以吸附床代替了压缩机，因此，吸附式制冷系统设计的核心是吸附床，它的性能好坏直接影响了整个系统的性能。根据吸附制冷的系统的特点，吸附床可以采用各种类型的换热器，根据换热面的结构可以分为管式、板式和有伸展表面三类，管式又分为：管壳式、套管式、螺旋管式等。根据农村烟囱余热利用冰箱，我们采用管壳式结构，之所以采用管壳式是因为结构简单、结构紧凑，造价低廉、选材范围广;烟气管道容易清洗，适应性强，另外，它的容量较大、耐高温、耐高压能力强。吸附床采用自制的方式，吸附床的结构如图2所示，由17个烟气管道和两端封头的铁筒组成，为了使烟气均匀通过吸附床，十七根管道成均匀在两个正六边形上，要求十七根烟气管道和封头有良好焊接密封，另外，两端风头上各焊接一个管子，如图所示，分别为制冷剂的进口和制冷剂的出口，氯化钙——氨工质对需要购买，准备完成后，将吸附剂放置在筒中，然后加封头密封焊接。

图2 吸附床的示意图

图3 吸附床的截面图

表1 常用工质对［3］

图3表示的是吸附床的A-A截面图，从截面 图上可以看出来，吸附材料和烟气管道紧密接触。

2 经济可行性分析

本项目利用灶台烟气的余热提供动力，给农民一种经济低廉保存的食物的冰箱，只要烧火做饭，就能满足冰箱的能源要求。据资料显示中国共有大约35352万户家庭，农村家庭占家庭总量的67.6%［4］，农村冰箱的占有率大约为30%。

则农村冰箱市场需求量

Q=35352×67.6% ×(1-30%)=16728.5664万台

以一台耗电量0.5kWh/24h的冰箱为例，则16728.5664万台冰箱一年的耗电量

E=0.5 ×360 ×16728.5664=3.0 ×1010kWh

据资料显示生产1kWh的电能，需要消耗0.4 kg的标准煤，产生0.997kgCO2如果16728.5664 万台都采用灶台余热吸附式冰箱，那么每年可以减少煤的消耗量为：

资源储备：西部矿业企业的总资产从2007年的157.86亿元增加至2017年的311.31亿元，拥有的矿山在2016年底铅的储量达156万t、锌的储量243万t、铜的储量684万t、钼36万t、银2 268t及黄金18t。尽管西部矿业发展迅速，资源储蓄量较多，但所面临的竞争也很激烈，除来自发达国家跨国矿业公司外，在国内市场也有较多的竞争者，如有中国最大规模铜生产公司之称的江西铜业、云南铜业及紫金矿业等。同时，由于光纤、复合材料等有色金属替代品的出现也加剧了企业的竞争，所以企业应利用稳定的产业政策环境、丰富的有色金属资源及技术优势来增强自身的竞争力。

G=30 ×1010×0.4=1.2 ×1010kg

减少CO2的排放量为：

C=30×1010×0.997=3×1011kg

对于用户：

按照每台冰箱寿命10年计算，电价0.5元/kWh

则该冰箱10年的运行费用

m=0.5×360 ×0.5 ×10=900 元

采用灶台余热吸附式冰箱10年可以为用户节约900元。

对于冰箱生产厂家：

以目前市场上冰箱BCD-189为例，冰箱造价大约为1030元，而制造容积相同的吸附式冰箱，由于其减少了压缩机，而且蒸发器和冷凝器与目前冰箱的两器相比采用钢管，另外，吸附式冰箱采用天然工质NH3做制冷剂，原料便宜。从以上看出吸附式冰箱成本比目前市场上的冰箱成本大大降低。

安装时，用户只需将灶台的烟囱和吸附式冰箱吸附床预留的烟气管道连接即可。

3 市场应用分析

薪柴是农村能源的主要来源，说明我们的灶台冰箱在农村有能源保证。另外据有关数据显示，我国目前人口为13亿，而农村人口占8亿，农村冰箱的占有率是30%，说明，冰箱在农村还有很大的市场，而我们设计的冰箱利用农村灶台的余热驱动来制冷，不用电，给农民节省了开支，让农民在做饭的过程中将食物保鲜，所以吸附制冷的冰箱将会受到农民的极大欢迎。

4 结论

利用灶台余热的吸附式冰箱，对能源的合理利用和余热回收效果显著，不消耗电能，结构简单、投资小，在我国农村地区未来的推广应用和市场前景十分广阔。

［1］孙宾，罗泉等.农村小水电及小水电代燃料工程刍议［J］.农村经济，2005(6)：118 ～119.

［2］王正根，王如竹.利用农村家用灶余热驱动固体吸附冰箱的可行性研究［J］.新能源，2000(6)：5 ～8.

［3］崔群，陶刚等.固体吸附制冷吸附剂的研究进展［J］.南京化工大学学报，1999(6)：102 ～107.

［4］蒋湘陵等，陶刚等.关于“家电下乡”电冰箱产品的调查报告［Z］.

An Research on Adsorption Refrigerator By Low Grade Heat of the Rural Area Stove

WANG Sheng-ruan，HAN Xian-gui
(Huanggang Polytechnic College，Huanggang 438002 Hubei)

By analyzing the energy utilization status of China’s rural area，the adsorption refrigerator which is powered by low grade heat of the stove is analyzed.The working principle of the refrigerator and technical feasibility analysis are also given in this paper.

Low grade heat;Adsorption refrigerator;Energy saving

TK115

A

1672-1047(2011)05-0100-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2011.05.26

2011-09-19

王生软，男，河南新乡人，硕士，能源系教师。研究方向：制冷与低温设备研究开发。

［责任编辑：曾 鑫］