太阳能相变蓄热应用于吸收式制冷的研究

董 旭，张永贵

（燕山大学，河北秦皇岛 066004）

太阳能是一种清洁环保、可再生的新型能源，各国对太阳能利用技术的研究始于20世纪70年代后期，太阳能空调技术也随之出现。专家预测，到2020年太阳能将可满足约10亿人的能源需求，这为改善我国用能需大量依靠进口的现状提供了出路[1]。我国太阳能资源丰富，可利用阳光辐射时间很长，南方每年有6～8个月可有效吸收太阳能，北方每年也有4～6个月的时间可应用太阳能技术[2]。太阳能空调技术的应用正好与季节特性相吻合，一年之中夏季温度最高，空调负荷最大，所需制冷量也最大，而此时太阳辐射最强，太阳能输出能量也最大，太阳能空调提供的冷量也最大。可利用太阳能的制冷系统主要有：压缩式制冷系统、蒸汽喷射式制冷系统、吸附式制冷系统及吸收式制冷系统等，其中吸收式制冷系统发展最为成功[3]。20世纪90年代真空管太阳能集热器和溴化锂吸收式制冷机大量进入市场，二者的工作温度恰好衔接，使实现太阳能制冷成为可能。

太阳能是典型的低品位不稳定热源，受集热器影响，收集利用太阳能光热存在时效低、成本高的问题，导致尚未普及的太阳能空调系统的不稳定性和间断性，而弥补这两种缺陷达到太阳能驱动连续循环的效果是普及此新型空调系统的关键因素。因此，可在系统中增加蓄能装置改善性能。传统的蓄热措施主要利用蓄热材料的温度变化储存显热能量，即采用增加热水容量和增强保温效果的方法[4]。但是显热蓄热比热容小，且取热放热温度变化大，不利于投放市场。

固液相变蓄热是指利用蓄热介质熔化或凝固的固液相变过程吸收或放出潜热能量的特性进行热量储存和释放的方法。其主要特点是：介质的固液相变潜热蓄热值远大于其单相显热蓄热值，因此储存同样多的热量所需介质质量较少，占用装置体积也较少[5，6]。而且蓄热放热过程可以在很小温差范围内进行，这正是太阳能空调系统适应用户需求和商业开发的理想条件。因此在充分参考前人研究成果的基础上，提出把太阳能固液相变蓄热技术应用于吸收式制冷系统，并实验测量蓄热装置放热过程热工参数及计算系统效率。

1 相变蓄热装置及放热实验

1.1 相变蓄热装置工作原理

相变蓄热装置内部结构如图1所示。该装置用来储存和输出太阳能光热，所用复合蓄热材料热物性参数见表1。

此装置在入水口处由布水器注入低温水与蓄热单元换热，复合相变蓄热材料罐装在单元中。装置对外放热通过放热盘管完成，以水作为导热介质充入放热盘管，产生较高温度热水加热吸收式制冷系统中的发生器。在制作装置时，根据所需蓄热量大小确定装置尺寸和蓄热单元数量，根据放热速率要求增减放热盘管长度和尺寸，另外，为了减少能量损耗，在装置外壁敷设保温层以降低装置与外界的传热速率[7]。

图1 相变蓄热装置内部结构

表1 复合蓄热材料热物性参数

蓄热单元中的相变材料吸收储存热能在某一温度下由固态变为液态，当需要热能时，使冷水通过放热盘管与处在装置中吸收了蓄热单元能量的较高温热水进行热传递，达到用户用热的要求。当蓄热材料放出部分热量后，蓄热单元内靠近单元壁面的液体温度下降到凝固点开始凝固，并产生液固相界面。随着放热过程的进行，此两相界面渐渐远离壁面，最终，复合蓄热材料全部由液态变为固态，完成一周期加热功能[8]。

1.2 相变蓄热装置放热实验

蓄热装置在充热过程中，蓄热单元内壁面处蓄热材料最先开始熔化。当熔化层达到一定厚度时，因温度梯度及密度差的存在，液体中必将产生自然对流换热效应，这使其传热能力大大增强；在放热过程中，蓄热单元内靠近单元壁面的液体温度最先下降到凝固点并开始凝固，变回固体，而固体之间只能靠导热传热。相比于充热过程，其放热过程传热性能较差[9]。因此，蓄热装置放热性能能否满足使用要求对于商业投入至关重要。

为此，试对一特定蓄热装置放热过程中放热盘管出水温度进行测量。实验选用蓄热装置除去保温层后内壳尺寸为1000mm×520mm×1000mm，蓄热单元尺寸为L=950mm，R=70mm。选用放热盘管进水温度分别为60℃和65℃进行对比，实验导热介质和复合蓄热材料初始温度为85℃，根据表1所示，在此温度下相变蓄热材料已全部熔化成液态，环境温度为20℃。

在控制出水流量变量为8L/min和16L/min条件下，得出进水温度分别为60℃和65℃时时间—出水温度变化曲线，如图2所示。

图2 时间—出水温度变化曲线

由图2分析可知，放热前期出水温度较高，随着放热过程的进行，出水温度逐渐降低。这是因为随着放热时间的延长，蓄热材料相变界面逐渐远离蓄热单元内壁面，传热过程中固体材料所占比例越来越大，致使导热热阻逐渐增大，引起传热装置被出水吸收的热量随之减少，出水温度逐渐降低。从图中可以看出，整个放热过程出水温度变化不大，而且随着进水温度的增加，放热盘管出水温度显著增加，这是适应实际需求的优点。

由图2（a）、（b）对比可以得出，随着出水流量的增加，放热盘管出水温差明显增大，出水温度下降速率明显加快，蓄热材料放热速率明显增大。因此，出水流量的变化对于放热功率影响较大，在吸收式制冷系统中应用此装置，便可通过对循环水泵变频来调节循环水流量，进而调节放热量，间接调节出水温度。由于整个放热过程出水温差不大，所以只要对循环水流量稍加调节就可实现对吸收式制冷系统持续提供等温热源。

2 两级吸收式制冷系统及效率分析

2.1 太阳能蓄热应用于两级吸收式制冷

吸收式制冷系统利用两种沸点相差较大的物质组成二元溶液，在低温低压条件下低沸点制冷剂液体 （高沸点物质为吸收剂）吸热气化达到制冷目的。这里使用水为制冷剂，溴化锂溶液为吸收剂这一常见的二元溶液。根据溴化锂溶液的物理特性，当热源温度降低到某一温度时，浓溶液和稀溶液的浓度差将为零，此时制冷系统将停止运行。因此，若想使低品位热源 （65～85℃）持续应用于吸收式制冷系统，常采用两级升压的模式[10]。中科院广州能源研究所研制的低温热水型两级吸收式制冷机，所需热源温度只要60℃以上，特别适合利用太阳能相变蓄热技术，而实验中蓄热装置在与其连接的真空管集热器夏季热水温度在85℃以上前提下，能持续提供70℃以上热源温度，因此匹配两级吸收式制冷系统。如图3所示，制冷系统主要由真空管集热器、相变蓄热装置和两级吸收式制冷机三部分组成[11]。

2.2 制冷系统运行原理

在有效太阳能辐射条件下，调节连接真空管集热器的温度控制器控制加热水泵F1的启停。真空管集热器收集转化光热加热其内部循环水。当集热器内水温达到90℃以上时加热水泵开启，水温低于85℃时加热水泵关闭。达到制冷系统热源温度的循环热水进入相变蓄热装置将热水显热转化为蓄热材料相变潜热储存起来。待蓄热装置放热盘管内水温达到使用温度后，循环水泵F2开启，使经放热盘管加热的热水成为低压发生器G2和高压发生器G1的加热热源。变频循环水泵可根据低压发生器内溶液温度情况自动变频调节循环水流量，进而调节低压发生器内溶液温度和浓度。

两级吸收式制冷循环有高、低压两套完整的溶液循环体系，首先来自蒸发器E的低压制冷剂蒸气在低压级循环 （A2-T2-G2）中升压为中压制冷剂蒸气，其中为使蒸气吸收过程持续稳定进行，在低压吸收器中通有冷却水散热，设置低压热交换器T2进行回热，能最大限度利用热能升压；再进入高压级循环 （A1-T1-G1）升压为高压制冷剂蒸气，装置安排与低压级循环相似。高压制冷剂蒸气去冷凝器C放热液化，液体经节流装置减压降温进入蒸发器E。在蒸发器中，被处理过的液体吸热气化为低压蒸气，吸取被冷却介质热量产生制冷效应。最后在低压吸收器中用液态吸收剂吸收蒸发器内低压蒸气，维持蒸发器内部低压状态，保证循环连续进行。吸收器内形成制冷剂-吸收剂溶液，经溶液泵升压后再次泵入低压发生器，至此完成一个循环。

图3 太阳能相变蓄热两级吸收式制冷系统流程图

2.3 系统效率分析

吸收式制冷循环的效率用热能利用系数 ζ表示：

式中，Q2—制冷量 （kJ/h），Q1—发生器消耗热量 （kJ/h）[12]。

将两级吸收式制冷系统可逆理想化，设高压发生温度TG1为循环高温热源，高压吸收温度TA1与冷凝温度TC相等，即TA1=TC=TM，蒸发温度TE为循环低温热源。

定义可逆循环的工作温差为：

则可逆条件下系统效率为：

由实验数据可知，太阳能相变蓄热两级吸收式制冷系统在热源温度为70～85℃，冷媒水温度为9℃，冷却水温度为32℃的条件下，可实现正常的制冷循环，系统效率在0.38左右。

3 结论

通过理论研究和实验分析，得到如下主要结论：

（1）太阳能固液相变蓄热技术能够保证持续为两级吸收式制冷系统提供恒定温度热源，较好解决了以往太阳能空调系统热源的不稳定性和间断性问题。

（2）相变蓄热装置具有体积小、蓄热量大、放热速率大、连续放热温度均匀、便于控制热源加热温度等特点，适合存储太阳能并为吸收式制冷系统提供加热热源。

（3）两级吸收式制冷系统所需热源温度较低，一般在65～90℃即可，系统效率也在正常应用水平。综合考虑系统设备简单，加工要求低的制造特点，所以吸收式制冷以太阳能等低品位热源驱动有着良好的发展前景。

[1] 万忠民，舒水明，胡兴华.新型高效太阳能吸收式制冷循环[J].华中科技大学学报：自然科学版，2006，34（9）：85-87

[2] 秘文涛，张建一，陈天及，等.一种新型的太阳能与地源热泵联合运行系统[J].制冷与空调，2007（1）：72-75

[3] 杨启容，姜培鹏，王翠苹.有辅助能源的太阳能吸收式制冷循环模式[J].煤气与热力，2006，26（11）：64-67

[4] 郑宋平，郑丹星.太阳能与地热结合利用的氨水吸收式循环 [J].太阳能学报，2005，26（4）：513-517

[5] 姜益强，姚杨，马最良，等.太阳能季节性相变蓄热热泵供暖系统的模拟研究 [J].建筑科学，2006，22（4）：16-19

[6] 马贵阳，张育才，王旭东.太阳能相变蓄热加热输送原油系统 [J].辽宁石油化工大学学报，2006，26（3）：66-69

[7] 齐琦，姜益强，马最良.相变蓄热材料及其在暖通空调领域中的应用[J].建筑热能通风空调，2006，25（3）：17-19

[8] Kang Y T，kunugi Y，Kashiwagi T.Review of advanced absorption cycles：performance improvement and temperature lift enhancement[J].International journal of refrigeration，2000（23）：388-401

[9] 陈焕新，谭显光.燃料电池汽车余热利用的可行性探讨 [J].建筑热能通风空调，2004，23（5）：81-84

[10] 吴嘉峰，陈亚平，施明恒.太阳能溴化锂吸收式制冷循环的改进 [J].工程热物理学报，2007，28（1）：21-23

[11] 万忠民，舒水明，胡兴华.新型太阳能混合吸收式制冷系统的蓄能研究 [J].制冷与空调，2006，6（1）：36-39

[12] 廉乐明，谭羽非，吴家正，等.工程热力学 （第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：214-216