太阳能吸收式制冷机性能分析.pdf

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1、 节能 EN 王 : RGY C ONS E RVATI ( N 2 0 0 7 年第8 期 ( 总第3 0 1 期) 太阳能吸收式制冷机性能分析 赵宗 祥 ， 刘 金亮 2 ， 张晓冬2 ， 杨发柱3 ( 1 . 营口 新港换热设备有限公司， 辽宁营口1 1 5007; 2 . 大 连理工大学化工学院， 辽宁大连 1 1 601 2; 3 . 克拉玛依威特科技开发有限公司， 新疆 克拉玛依 834000) 摘要: 在太阳辐射动态变化的情况下， 对制冷量为s k w的水冷式太阳能吸收式制冷机的性能进行了模 拟， 得出了集热器出口水温随时间变化的规律曲线以及在此规律的影响下吸收式制冷机的性能曲线

2、。 模拟结果表明水冷式太阳能吸收式制冷机在理论上是切实可行的， 但是集热器出口水温度的变化以及 冷却水温度对系 统性能有较大的影响。冷却水温度越低、 系 统的性能系 数越高。 关键词: 太阳能; 水冷; 吸收式制冷机; 性能系 数 中图分类号二 T K 4 1 4 . 2 干 2 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 4 一 7 9 4 8 ( 2 0 0 7 ) 0 8 一 0 0 1 8 一 0 4 1引言 太阳能辐射强度与制冷空调的需求有很好的一 致性， 即夏季太阳能辐射最强烈时， 也是制冷空调最 为需要的时节。因此， 利用清洁、 廉价的太阳能进行 夏季制冷， 替代或部分替代传统的压

3、缩制冷， 不仅可 以 节省大量宝贵的不可再生的化石燃料， 而且可以 减少大量温室气体和粉尘的排放， 具有节能、 环保双 重 作能 一 “ 。 通过太阳能集热器将太阳辐射能转化成热能， 用于加热热水储槽中的热水， 储槽中的热水作为吸 收式制冷机的加热热源， 驱动制冷机进行制冷循环。 由于太阳能是低辐射能量， 大功率的吸收制冷机需 要面积很大的太阳能集热器， 城市中由于受到建筑 面积的限制， 对于高层民用建筑和商业建筑并不太 合适。然而民用住宅小型太阳能吸收制冷机需求集 热面积相对较小， 易于和城乡中的低层民用建筑一 体化， 应用市场广阔。因此， 研究和开发民用住宅太 阳能吸收制冷机意义重大。 本

4、文在考虑太阳辐射和冷却水温度等参数变化 的情况下， 以s k w的小型太阳能制冷机夏季制冷过 程为例， 对集热器性能以及吸收式制冷机的性能进 行动态模拟， 为设计和制造小型水冷式太阳能吸收 式制冷机提供参考。 2 太阳能吸收式制冷机的基本原理 如图1 所示， 水冷式太阳能吸收式制冷机主要 包括太阳能集热器、 热水储槽和吸收式制冷装置。 冷水 基金项目: 大连市科技计划项目( 2006E21 SF1 0 3); 新疆克拉玛依市科技计划项目( S K 2 0 06一 3 0) 图1 水冷式太阳能吸收式制冷机 吸收式制冷装置主要包括蒸发器、 冷凝器、 吸收 器、 发生器和换热器五部分。吸收制冷所采用

5、的工 质通常为LI Br一 践0溶液。利用吸收器与发生器 中吸收剂( L IB r 溶液) 对制冷工质( 践0 ) 的吸收放热 解吸吸热的特性， 在蒸发器与冷凝器中依靠纯制冷 剂( 线0 ) 蒸发吸热和冷凝放热实现热量的转移。工 作原理是: 集热器将太阳的辐射能量转化为热能加 热集热器中的循环热水， 循环热水作为发生器的加 热热源， 加热发生器使其蒸发出易挥发的制冷剂 玫0 ， 并得到浓度较高的澳化锉溶液。浓溶液经过 换热器换热和节流阀减压后进人吸收器， 而蒸发出 的 制冷剂进人冷凝器中被冷却水冷却为液体， 通过 节流阀减压后进人蒸发器， 在蒸发器中制冷剂吸收 热量变成蒸汽， 从而产生制冷效果

6、。来自发生器的 浓溶液在水冷式吸收器中吸收来自 蒸发器的制冷剂 蒸汽后变成稀溶液， 经换热器换热后泵人发生器， 从 而完成一个循环过程。 万方数据 2 0 0 7 年第8 期 ( 总第3 0 1 期) 节能 EN E R GYC ONS E RVATI ( ) N 3太阳能集热器分析 太阳能作为一种清洁廉价的能源很早就备受关 注。 但是太阳能能量密度较低的事实， 一直是限制 太阳能利用的最大瓶颈。因此， 太阳能集热也就成 为太阳能制冷的一个关键技术。太阳能集热器的任 务是为吸收式制冷机提供高温热源。 对于一个一定 负荷的制冷机来说， 需要选择与之匹配的太阳能集 热器， 过小会影响制冷机的制冷性

7、能， 过大又会增大 成本。目 前的 太阳能集热器大体可以分为两类: 平 板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器。本文 以平板集热器为例进行模拟。 ( 1 ) 集热器的有效利用能计算公式如下所 示 6 : Q 。 =A c X 5 一U L x (t 二一 ta ) (1 ) 式中: Q 。 一集热器有效利用能， 呵小; A 。 一 集 热 器 面 积， 时; 5 一吸热面吸收的 太阳 辐照量， 叨/(时 h); u 总 热 损失系 数， W/( 澎 h); t 阳 1一吸 热 板平均 温 度， ; t 厂环境温度， 。 式( 1)计算的主要困难在于不易确定吸热板的 平 均 温 度t Pm 。

8、它与人 射的 太阳 辐照量、 进人集热 器的流体状况( 流体的种类、 质量流率、 温度等) 以及 集热器设计参数等许多因素有关， 在此将获得的有 用 能 用 进口 流 体 温 度t i 与 热 迁 移因 子F R 来 表 达 仁 7 】 ( 见式( 2 ) ) 。 Q 。 =A 。 X F R X 5 一U L X ( t i 一 t a ) ( 2 ) 集热器出口 水温t 。 计算公式: 素、 气候因素、 地理因素和几何因素的影响。 影响太 阳辐射照度的天文因素主要是日一 地距离和太阳赤 纬角等; 天气因 素通常有云量指数灭 T ( 也称为大气 晴朗指数) ; 影响太阳辐射照度地理因素主要有

9、纬 度、 海拔高度等; 几何因素的影响主要包括太阳辐射 接受表面的方位和倾角等。其中天文、 气候和地理 因素对一个地区来说是不可控制的因素， 其影响的 程度也是因地而异， 至于集热器的倾斜角的值一般 为当 地地理纬度的 值减去10一1 5 川， 在周围没有 遮蔽物时方位角的值一般为00。 针对太阳能辐射的间歇性， 除了采用辅助加热 装置外， 将日 照时间内收集多余的热量存储在储热 装置中是很必要的， 这样不但可以充分利用太阳能 产生更多的冷量， 还可以使系统能更稳定地工作。 储热装置对制冷机工作时间延长的多少与集热器的 面积、 热水储槽的初始温度以及容积等条件有关。 在太阳能和热水储槽存储的能

10、量不足以使系统运行 的 情况下， 需要靠辅助热源 来维持系 统的 正常 工作。 4 水冷式太阳能吸收式制冷机性能模拟 吸收式制冷机是太阳能空调的关键设备， 其热 力循环过程如图2 所示。 p 。发生 目d创久 t o= t i + Q 。 x( 1 一厂) Ac xF R XU L ( 3 ) 式中: t i一人口 水温; F ，-流动因子。 集 热 器 性 能 用 集 热 效 率刀 来 衡量， 它 是 规 定时 间内吸收的 有用热量与人射在集热器表面上的太阳 辐射能之比， 集热效率与吸热面温度成反比， 因此为 得到较高的集热效率， 吸热面温度不宜太高。 集热器瞬时 集热效率的 计算式( 式中

11、升为 倾斜 面上辐射量) 为: Qu 专 =A c xI T ( 4 ) 集热器的性能除了受到自 身因素的影响外， 还 受到太阳辐射变化、 人口 水温、 水的流率和环境温度 等外部因素的影响。而太阳辐射度主要受天文因 图2 吸收式制冷机热力循环过程 根据水在集热器以及工质在吸收式制冷机循环 过程中焙值和状态参数的变化情况， 可以 得到各个 设备的热量和质量平衡关系式， 进而求出水在集热 器中 熔值变化， 溶液在发生器内消耗的发生热、 在吸 收器内 放出的吸收热、 在蒸发器内吸收的蒸发热以 及在冷凝器内放出的冷凝热。为了简化计算的模 型， 在平衡计算中采用如下的假设: ( 1)整个系统处于动态的

12、热平衡和质量平衡状 态; ( 2)离开发生器、 吸收器的 工质为饱和 溶液; ( 3)离开冷凝器、 蒸发器的工质为饱和 状态; ( 4)浓溶液的浓度为58%， 稀溶液浓度为5 4 %; 万方数据 节能 E NE R GY 以) NS E R V戌1 ， 1 0N 2 0 0 7 年第8 期 ( 总第3 0 1 期) ( 5)流阻、 压力损失和热损失( 集热器除外) 可以 忽略; ( 6)流体通过节流阀的烩变可以忽略; ( 7)泵功可以忽略。 依据L 旧 r 一 玩0溶液的热力学性质( 烩、 露点、 蒸 汽 压等) 的 关系 式8， 通过各个部分的质量守恒 和能量守恒方程， 可以计算出发生器、

13、冷凝器、 蒸发 器和吸收器的热负荷。 吸收式制冷机其性能系数主要取决于发生器和 蒸 发 器的 热 负 荷Q g 、 Q e : 。 。 尸=Q e / Q g( 5 ) 对于制冷负荷是s k w的 制冷机来说， 如果冷凝 温 度 t 。 为30， 蒸发温度t 。 为6 ， 冷端温差为 6 ， 其运行过程中的主要参数见表1 : 表 1 制冷机运行过程中主要性能参数 Q 。Q cQ :Mp p g卿 瓜 W/kW/k W了 飞 9 . 5 一 1 月 d a/kP a 影响制冷效果。 、J 凡J 7 . 0 兔勺Q 图 3 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3

14、 5 冷凝温度j 冷凝温度对制冷系数的影响 : .; t.=犯 * 发生器热负荷 冷凝器热负荷 一 吸收器热负荷 渗洲、振唱篆 : 仁 1二 生 二 亡 艺 二 芝 里 二 “2 5262 72 82 93 0313 23 33 43 5 冷凝温度/ 6 . 5 256 36 . 7 70 . ( M ) 2 30 . 9 44 . 3 00 . 7 4 图4 冷凝温度对热负荷的影响 2 52 62 7 2 8 2 93 03 1 3 23 33 43 5 冷凝温度 / 787674727068666462605856 尸侧峭州绷 但是对于水冷式太阳能吸收式制冷机， 除集热 器受到环境温度和太

15、阳辐射度的影响作用外， 因为 吸收器和冷凝器是由水冷却的， 冷却水温度的变化 也会使冷凝器和吸收器的性能发生变化。s k w 的 制冷机， 在蒸发温度是6 ， 不同的冷凝温度对系统 的制冷系数 以 尸以及各个部件的负荷影响如图3 一图5 所示， 从图中可以看出随着冷凝温度的降低， 最低发生温度会升高， 制冷机的制冷系数成明显下 降的趋势， 而且冷凝温度的上升还会使发生器、 冷凝 器以及吸收器的热负荷有所上升。 由此可以知道， 冷凝温度对系统性能有很大的 影响， 降低冷却水的温度或者在冷凝水温度不变的 情况下强化冷凝器和吸收器的散热效果会提高系统 的制冷性能， 而且由于降低冷凝温度可以使得发生

16、温度降低， 这可以降低太阳能制冷机的对热源的要 求， 因此可以更加充分地利用太阳能。 在制冷过程中蒸发温度也是受室内温度变动的 影响， 可以从图6(冷凝温度为30) 看出， 制冷系数 随着蒸发温度的升高而升高， 这说明蒸发温度升高 对于提高制冷系数 工 护是有利的， 因此强化蒸发 器与室内空气的换热， 有利于系统制冷性能的提高。 此外， 吸收器也需要被空气冷却到最高吸收温度t ab 以 下， 否则吸收器内的吸收压力升高， 导致蒸发器的 压力也升高， 致使制冷剂在蒸发器内 气化温度升高， 图5 冷凝温度对发生温度的影响 67891 0 6气4月j，110900月16芍 4444444内j，飞，j

17、，j 77，行了，771了，了门产7 . 0000八“0000U八“0 蒸发温度/ 图6 蒸发温度对 D P的影响 从图7( 冷凝温度为30 ) 可以看出随着蒸发温度 的 升高， 吸 收器的 最高吸收温度也随之升高， 这对于吸 收器的散热是有利的， 可以降低对吸收器换热器的要 求。 但是考虑到制冷温度的要求， 蒸发温度不可能有 很大升高幅度， 这就要根据实际的制冷要求强化蒸发 器与室内 空气之间的 换热效果， 在避免系统 “护降低 的同时， 保持蒸发温度在一个合理的 水平。 万方数据 2 0 0 7 年第8 期 ( 总第3 0 1 期) 节能 E NE RGY以) N S E R VA I 、

18、 1 ( ) N OR，6工f4 ，J份、门、内j，、内、 9、侧明娜督 3 3 L- 了 一万 一 万一 不 厂 一 而 蒸发温度/ 图， 蒸发温度对吸收温度的影响 为了充分利用热能， 提高整机热效率， 使制冷循 环更加完善， 要在制冷机的发生器和吸收器之间添 加换热器。通过加换热器可以使发生器出来的高温 溶液温度降低， 便于在进人吸收器后吸收制冷剂蒸 汽; 同时可以 使吸收器出 来的稀溶液温度升高， 减少 其在发生器内沸腾所需要的热量。因此这个换热器 的 换热效果对系统的性能有很大的影响， 图8 和图 9 分别模拟了在蒸发温度为6 、 冷凝温度为30 时冷端温差( 冷端温差的大小由 换热器

19、的性能决定) 的 变化对系统 仪护 以及对各主要部件负荷的影 响。 4567891 0 1 1 冷端温差/ 冷端温差对C O P的影响 5结论 通过对水冷式太阳能吸收式制冷机的模拟计算 和分析， 所得结论如下: ( 1 ) 小型水冷式太阳能吸收式制冷机的性能受 到太阳辐射强度和冷却水温度的影响， 如果太阳能 不能使热水达到发生器的温度要求， 系统就不能运 行。而发生温度的高低与冷凝器冷凝温度的高低有 密切的关系， 冷却水温度的降低会降低冷凝器的温 度， 从而降低发生温度， 这对充分利用太阳能是很有 帮助的。但是夏季冷却水的温度是受环境温度限制 的， 为此需要强化冷却水与冷凝器的换热， 以 增强

20、制 冷效果。 ( 2)蒸发温度对系统 仪护 有很大的影响。考 虑到室内的 舒适度， 室温应在20左右， 因此， 如果 强化蒸发器与室内环境的热交换， 完全可以使蒸发 温度在10以上， 这样可以提高吸收温度， 有利于 吸收器散热及系统 D尸的提高。 ( 3)热水储槽对手稳定系统操作、 延长制冷时间 起到关键作用。 ( 4 ) 发生器和吸收器之间的换热器对系统的性 能有很大的影响， 在设计和制造吸收式制冷机时应 该格外注意。 参考文献 1 L u s i H川va. Si mulatio n ofan ai r 一 c ooled 印 la r 一assisted a 恢 刃 甲 t lon ai

21、rc o n d it loni ngs ys t eln J . J oum a l of骊aren er - 盯 E ll g i 眼， 2 0 0 2 ， 1 2 4 : 2 7 6 一 2 8 2 . 2 压 dC 启 e h ， 段】 e ll l N ij nleh ， e t a l . P e r f 6 rma n c e e v 习 u a t ionof 刻ar一assl st ed d o t lb l e 一t u b e e v a l琳 ) r 母 tor h eat p umps y s t eln J . H ea t N 肠 sst r ansfer， 2

22、0 0 4 ， 3 1 ( 2 ) : 1 9 1 一 2 0 1 . 3 I brah ill l A O 1 1 a c a ， A bd ul va 脚 Yi sit. si mulation of刻ar- 户 w e r 司a l斓r p t ionc 以 1 1呀哪t em J ， R enewa b le E n e 详 界 ， 2 0 0 3 ， 2 8 : 1 2 7 7 一1 2 9 3 . 4 N . KG h a ddar ， MShil l al . M 记 e li ngan d si mulat ionofso lar a b 以 r p t ion邺t ern 详

23、r fo n n a ll c e i n Bei ru t 仁 J . R enew abl e En- e r g y ， 1 9 9 7 ， 1 0 : 5 3 9 一 5 5 8 . 5 1 . A t n l a c a ， AY igl t ， M K il iC . T h e e f fe c t ofi即u t t e ll l 咪 r a - t u resont h e a b so r b e r p aramet ers J . H e a t M a SSJT r a ll s l e r ， 2 0 0 2 ， 2 9 ( 8 ) : 1 1 7 7 一 1 1

24、8 6 ， 【 6 张鹤飞. 太阳能热利用原理与计算机模拟 M . 2版. 西 安: 西北工业大学出版社， 2 0 03. 【 7 吴业正. 制冷原理及设备 M . 2 版. 西安: 西安交通大学 出版社， 2 0 0 2 ， 【 8 赵宗昌， 阎 雪峰， 沙庆云， 等 第二类LI Br一 践0 吸收式热 泵热力循环分析 J. 节能技术， 2 0 02， 2 0(6 ) : 5 一 9 . 1100声只 7门矛66 :，. 0000 0八7 图7 6 . 5 6 一 发生器热负荷 冷凝器热负荷 吸收器热负荷 沐乏恒斌撼 5 比份广丫片气广丁气犷石 冷端温差/ 图9 冷端温差对热负荷的影响 通过图8 和图9 可以看出随着冷端温差的增 大， 系统得制冷系数 C O 尸在减小， 而且吸收器和发 生器的热负荷在明显增大， 这表明冷端温差的增大 即换热器性能的降低对制冷机系统的运行是不利 的。因此， 在设计和制造制冷机时应尽可能地提高 换热器的性能。 作者简介: 赵宗祥( 1 9 5 1 一) ， 男， 助理工程师， 从事节能和换 热设备设计工作。 收稿日 期: 2 0 0 7 一 0 4 一 2 1 万方数据