太陽能相變蓄熱應用于吸收式制冷的研究

董 旭，張永貴

（燕山大學，河北秦皇島 066004）

太陽能是一種清潔環保、可再生的新型能源，各國對太陽能利用技術的研究始于20世紀70年代后期，太陽能空調技術也隨之出現。專家預測，到2020年太陽能將可滿足約10億人的能源需求，這為改善我國用能需大量依靠進口的現狀提供了出路[1]。我國太陽能資源豐富，可利用陽光輻射時間很長，南方每年有6～8個月可有效吸收太陽能，北方每年也有4～6個月的時間可應用太陽能技術[2]。太陽能空調技術的應用正好與季節特性相吻合，一年之中夏季溫度最高，空調負荷最大，所需制冷量也最大，而此時太陽輻射最強，太陽能輸出能量也最大，太陽能空調提供的冷量也最大。可利用太陽能的制冷系統主要有：壓縮式制冷系統、蒸汽噴射式制冷系統、吸附式制冷系統及吸收式制冷系統等，其中吸收式制冷系統發展最為成功[3]。20世紀90年代真空管太陽能集熱器和溴化鋰吸收式制冷機大量進入市場，二者的工作溫度恰好銜接，使實現太陽能制冷成為可能。

太陽能是典型的低品位不穩定熱源，受集熱器影響，收集利用太陽能光熱存在時效低、成本高的問題，導致尚未普及的太陽能空調系統的不穩定性和間斷性，而彌補這兩種缺陷達到太陽能驅動連續循環的效果是普及此新型空調系統的關鍵因素。因此，可在系統中增加蓄能裝置改善性能。傳統的蓄熱措施主要利用蓄熱材料的溫度變化儲存顯熱能量，即采用增加熱水容量和增強保溫效果的方法[4]。但是顯熱蓄熱比熱容小，且取熱放熱溫度變化大，不利于投放市場。

固液相變蓄熱是指利用蓄熱介質熔化或凝固的固液相變過程吸收或放出潛熱能量的特性進行熱量儲存和釋放的方法。其主要特點是：介質的固液相變潛熱蓄熱值遠大于其單相顯熱蓄熱值，因此儲存同樣多的熱量所需介質質量較少，占用裝置體積也較少[5，6]。而且蓄熱放熱過程可以在很小溫差范圍內進行，這正是太陽能空調系統適應用戶需求和商業開發的理想條件。因此在充分參考前人研究成果的基礎上，提出把太陽能固液相變蓄熱技術應用于吸收式制冷系統，并實驗測量蓄熱裝置放熱過程熱工參數及計算系統效率。

1 相變蓄熱裝置及放熱實驗

1.1 相變蓄熱裝置工作原理

相變蓄熱裝置內部結構如圖1所示。該裝置用來儲存和輸出太陽能光熱，所用復合蓄熱材料熱物性參數見表1。

此裝置在入水口處由布水器注入低溫水與蓄熱單元換熱，復合相變蓄熱材料罐裝在單元中。裝置對外放熱通過放熱盤管完成，以水作為導熱介質充入放熱盤管，產生較高溫度熱水加熱吸收式制冷系統中的發生器。在制作裝置時，根據所需蓄熱量大小確定裝置尺寸和蓄熱單元數量，根據放熱速率要求增減放熱盤管長度和尺寸，另外，為了減少能量損耗，在裝置外壁敷設保溫層以降低裝置與外界的傳熱速率[7]。

圖1 相變蓄熱裝置內部結構

表1 復合蓄熱材料熱物性參數

蓄熱單元中的相變材料吸收儲存熱能在某一溫度下由固態變為液態，當需要熱能時，使冷水通過放熱盤管與處在裝置中吸收了蓄熱單元能量的較高溫熱水進行熱傳遞，達到用戶用熱的要求。當蓄熱材料放出部分熱量后，蓄熱單元內靠近單元壁面的液體溫度下降到凝固點開始凝固，并產生液固相界面。隨著放熱過程的進行，此兩相界面漸漸遠離壁面，最終，復合蓄熱材料全部由液態變為固態，完成一周期加熱功能[8]。

1.2 相變蓄熱裝置放熱實驗

蓄熱裝置在充熱過程中，蓄熱單元內壁面處蓄熱材料最先開始熔化。當熔化層達到一定厚度時，因溫度梯度及密度差的存在，液體中必將產生自然對流換熱效應，這使其傳熱能力大大增強；在放熱過程中，蓄熱單元內靠近單元壁面的液體溫度最先下降到凝固點并開始凝固，變回固體，而固體之間只能靠導熱傳熱。相比于充熱過程，其放熱過程傳熱性能較差[9]。因此，蓄熱裝置放熱性能能否滿足使用要求對于商業投入至關重要。

為此，試對一特定蓄熱裝置放熱過程中放熱盤管出水溫度進行測量。實驗選用蓄熱裝置除去保溫層后內殼尺寸為1000mm×520mm×1000mm，蓄熱單元尺寸為L=950mm，R=70mm。選用放熱盤管進水溫度分別為60℃和65℃進行對比，實驗導熱介質和復合蓄熱材料初始溫度為85℃，根據表1所示，在此溫度下相變蓄熱材料已全部熔化成液態，環境溫度為20℃。

在控制出水流量變量為8L/min和16L/min條件下，得出進水溫度分別為60℃和65℃時時間—出水溫度變化曲線，如圖2所示。

圖2 時間—出水溫度變化曲線

由圖2分析可知，放熱前期出水溫度較高，隨著放熱過程的進行，出水溫度逐漸降低。這是因為隨著放熱時間的延長，蓄熱材料相變界面逐漸遠離蓄熱單元內壁面，傳熱過程中固體材料所占比例越來越大，致使導熱熱阻逐漸增大，引起傳熱裝置被出水吸收的熱量隨之減少，出水溫度逐漸降低。從圖中可以看出，整個放熱過程出水溫度變化不大，而且隨著進水溫度的增加，放熱盤管出水溫度顯著增加，這是適應實際需求的優點。

由圖2（a）、（b）對比可以得出，隨著出水流量的增加，放熱盤管出水溫差明顯增大，出水溫度下降速率明顯加快，蓄熱材料放熱速率明顯增大。因此，出水流量的變化對于放熱功率影響較大，在吸收式制冷系統中應用此裝置，便可通過對循環水泵變頻來調節循環水流量，進而調節放熱量，間接調節出水溫度。由于整個放熱過程出水溫差不大，所以只要對循環水流量稍加調節就可實現對吸收式制冷系統持續提供等溫熱源。

2 兩級吸收式制冷系統及效率分析

2.1 太陽能蓄熱應用于兩級吸收式制冷

吸收式制冷系統利用兩種沸點相差較大的物質組成二元溶液，在低溫低壓條件下低沸點制冷劑液體 （高沸點物質為吸收劑）吸熱氣化達到制冷目的。這里使用水為制冷劑，溴化鋰溶液為吸收劑這一常見的二元溶液。根據溴化鋰溶液的物理特性，當熱源溫度降低到某一溫度時，濃溶液和稀溶液的濃度差將為零，此時制冷系統將停止運行。因此，若想使低品位熱源 （65～85℃）持續應用于吸收式制冷系統，常采用兩級升壓的模式[10]。中科院廣州能源研究所研制的低溫熱水型兩級吸收式制冷機，所需熱源溫度只要60℃以上，特別適合利用太陽能相變蓄熱技術，而實驗中蓄熱裝置在與其連接的真空管集熱器夏季熱水溫度在85℃以上前提下，能持續提供70℃以上熱源溫度，因此匹配兩級吸收式制冷系統。如圖3所示，制冷系統主要由真空管集熱器、相變蓄熱裝置和兩級吸收式制冷機三部分組成[11]。

2.2 制冷系統運行原理

在有效太陽能輻射條件下，調節連接真空管集熱器的溫度控制器控制加熱水泵F1的啟停。真空管集熱器收集轉化光熱加熱其內部循環水。當集熱器內水溫達到90℃以上時加熱水泵開啟，水溫低于85℃時加熱水泵關閉。達到制冷系統熱源溫度的循環熱水進入相變蓄熱裝置將熱水顯熱轉化為蓄熱材料相變潛熱儲存起來。待蓄熱裝置放熱盤管內水溫達到使用溫度后，循環水泵F2開啟，使經放熱盤管加熱的熱水成為低壓發生器G2和高壓發生器G1的加熱熱源。變頻循環水泵可根據低壓發生器內溶液溫度情況自動變頻調節循環水流量，進而調節低壓發生器內溶液溫度和濃度。

兩級吸收式制冷循環有高、低壓兩套完整的溶液循環體系，首先來自蒸發器E的低壓制冷劑蒸氣在低壓級循環 （A2-T2-G2）中升壓為中壓制冷劑蒸氣，其中為使蒸氣吸收過程持續穩定進行，在低壓吸收器中通有冷卻水散熱，設置低壓熱交換器T2進行回熱，能最大限度利用熱能升壓；再進入高壓級循環 （A1-T1-G1）升壓為高壓制冷劑蒸氣，裝置安排與低壓級循環相似。高壓制冷劑蒸氣去冷凝器C放熱液化，液體經節流裝置減壓降溫進入蒸發器E。在蒸發器中，被處理過的液體吸熱氣化為低壓蒸氣，吸取被冷卻介質熱量產生制冷效應。最后在低壓吸收器中用液態吸收劑吸收蒸發器內低壓蒸氣，維持蒸發器內部低壓狀態，保證循環連續進行。吸收器內形成制冷劑-吸收劑溶液，經溶液泵升壓后再次泵入低壓發生器，至此完成一個循環。

圖3 太陽能相變蓄熱兩級吸收式制冷系統流程圖

2.3 系統效率分析

吸收式制冷循環的效率用熱能利用系數 ζ表示：

式中，Q2—制冷量 （kJ/h），Q1—發生器消耗熱量 （kJ/h）[12]。

將兩級吸收式制冷系統可逆理想化，設高壓發生溫度TG1為循環高溫熱源，高壓吸收溫度TA1與冷凝溫度TC相等，即TA1=TC=TM，蒸發溫度TE為循環低溫熱源。

定義可逆循環的工作溫差為：

則可逆條件下系統效率為：

由實驗數據可知，太陽能相變蓄熱兩級吸收式制冷系統在熱源溫度為70～85℃，冷媒水溫度為9℃，冷卻水溫度為32℃的條件下，可實現正常的制冷循環，系統效率在0.38左右。

3 結論

通過理論研究和實驗分析，得到如下主要結論：

（1）太陽能固液相變蓄熱技術能夠保證持續為兩級吸收式制冷系統提供恒定溫度熱源，較好解決了以往太陽能空調系統熱源的不穩定性和間斷性問題。

（2）相變蓄熱裝置具有體積小、蓄熱量大、放熱速率大、連續放熱溫度均勻、便于控制熱源加熱溫度等特點，適合存儲太陽能并為吸收式制冷系統提供加熱熱源。

（3）兩級吸收式制冷系統所需熱源溫度較低，一般在65～90℃即可，系統效率也在正常應用水平。綜合考慮系統設備簡單，加工要求低的制造特點，所以吸收式制冷以太陽能等低品位熱源驅動有著良好的發展前景。

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