新能源制冷技术的研究及前景

　随着当今世界能源紧缺和生态环境恶化，制冷空调业面临着能源与环境问题的双重挑战，寻求低能耗、使用新能源的环境友好型制冷方式及其工质是制冷空调业实现可持续发展的迫切需要。
　　太阳能固体吸附式制冷具有以下优点：首先，太阳能是一种环境友好、可再生的能源；其次，太阳能制冷技术使用无氟工质，能吸收太阳辐射，减弱热岛效应也满足环保的要求；再有，太阳能固体吸附式制冷具有结构简单、初投资少、运行费用低、无运动部件、噪音小、寿命长等优点。因此，太阳能固体吸附式制冷是极具发展前途的绿色制冷（制冷设备的合理性从优预设）技术。

　　1太阳能固体吸附式制冷的工作原理
       固体吸附式制冷是通过微孔固体吸附剂（如沸石、活性炭等）在较低温度下吸附制冷剂（如水、甲醇等），在较高温度下解析出来的吸附-解析循环来实现制冷的。太阳能固体吸附式制冷就是利用这种吸附原理，以太阳能为热源驱动制冷。太阳能固体吸附式制冷系统以太阳能驱动的吸附床代替了蒸气压缩式制冷系统中的压缩机，系统主要由四大部件即吸附床（集热器）、冷凝器、蒸发器、节流阀等构成，如所示。其操作过程是间歇式的，分为受热解吸和冷却吸附两个过程。
　　（1）受热解吸
         白天，吸满制冷剂的吸附床被太阳能加热，使得制冷剂从吸附床中解吸出来，当制冷剂的压力升高至冷凝温度下的饱和压力时，进入冷凝器冷凝，凝结液经过节流阀流到蒸发器中储存起来；
      （2）冷却吸附
        晚上，环境温度降低，吸附床被环境空气冷却，吸附剂开始吸附制冷剂蒸汽，系统中制冷剂蒸汽压力下降，当压力下降至蒸发温度下的饱和压力时，储存在蒸发器中的液态制冷剂开始蒸发制冷，产生的蒸汽继续被吸附床吸附，直至吸附结束，完成一个吸附制冷循环。

　　2太阳能固体吸附式制冷技术及进展
       2.1集热方式
        太阳能固体吸附式制冷系统是以太阳能作为驱动能源，因此太阳能集热器的性能直接影响整个系统的制冷性能。太阳能的能流密度低，利用时要有足够大的装置对其进行采集。目前主要有平板式、真空管式和各种聚光集热器。
　　平板式集热器的特点是结构简单、工作可靠、无需太阳能跟踪装置，使用最广泛。另外在太阳能固体吸附式制冷装置中，通常将吸附器与集热器的功能合二为一，利用太阳能直接加热床层。平板型集热器的优化工作主要集中在更高效地吸收太阳辐射，使能量均匀迅速地传给吸附床层，也能在夜间及时地将吸附热散除等方面。
　　与其它太阳能集热器一样，平板式太阳能吸附集热器主要热损失集中于受热面吸热板和玻璃面盖之间的自然对流、辐射和热传导。为了减少热损失，提高集热温度，人们提出了真空管式吸附集热器，这种吸附集热器的主要特点是将吸热面和外玻璃层之间抽成真空，以有效地抑制自然对流和热传导。吸附剂层设在中心，吸附剂颗粒间的自然间隙作为传质通道。吸附时产生的吸附热由通过吸附层中心的水管或热管换热器带走。Bansal等研究了利用太阳能真空集热管加热的SrCl2-NH3吸附式制冷机。
　　Headley等采用抛物聚焦面（CPC）加热活性炭-甲醇吸附式冰箱，该系统在太阳能辐射较低的情况下也可制冷。Vasiliev等试制了一台太阳能-天然气固体吸附热泵，采用抛物面聚焦型太阳能集热器加热循环水，驱动一台双吸附器回热型吸附制冷机，可实现连续制冷。
　　2.2吸附床的传热传质强化技术
       吸附床作为整个吸附制冷系统中的心脏，其传热传质的性能对整个系统的性能有着决定性的影响。吸附床传热传质性能的强化主要有以下几种途径：第一，结构法，即采用高效传热结构来强化传热；第二，对吸附床中吸附剂进行物化处理，从而强化床层的传热传质过程；第三，从制冷循环的改进来实现强化传热。
　　结构改进法：这种方法是对现有的吸附床进行结构改进或者是重新设计新型结构吸附床，主要是增加吸附床的传热面积，从而大大提高吸附床的导热系数。几乎所有的太阳能吸附床都采用翅片或类似的结构形式增加吸附器与吸附剂间的接触面积，减小热阻。M.Rons等在其系列实验设备中装有翅片；J.J.Guilleminot等对翅片厚度、深度、翅片间距等作了优化研究。蔡宏伟、刘震炎运用软件对吸附床模型结构进行了传热数值分析，为管式吸附床的强化传热结构设计提供了参考。
　　吸附剂物化处理法：导热性能的强化还常采用在吸附剂中掺加一些具有良好导热性能的材料，增加导热系数。最简单的方法是将不同大小的吸附剂颗粒混合，但这样做的效果很有限，还有一种方法是将吸附剂颗粒与导热性能较好的金属粉末或石墨混合，另一种更有效的方法是将吸附剂与粘接剂混合，形成固化的复合吸附剂。意大利的Restuccia等研制了紧贴于金属肋片的沸石与Al（OH）3的复合吸附剂薄层。李春华等通过对太阳能平板型吸附床内温度分布的计算，分析了吸附床中嵌入金属肋片和吸附剂（活性炭）中掺铜粉等提高其导热系数的强化传热方法的效果；上海交通大学的齐晓霞等对活性炭纤维浸SrC12（SrCl2：活性炭纤维―4.27：1，m：m）的复合吸附的吸附/解吸过程进行了传热传质的初步分析，证明了加强吸附剂的导热性能对提高系统制冷性能的重要性。
　　制冷循环改进法：此方法采用两个或两个以上吸附床使之交替工作，从而实现连续制冷。从连续制冷的角度，来提高吸附床的制冷量，从而实现吸附床的强化传热，而且此方法对余热回收利用有实际意义。
　　另外，R.ECritoph曾提出一种较新颖的方法―――对流热波循环，即利用制冷剂气体和吸附剂间的强制对流，采用高压制冷剂蒸汽直接加热、冷却吸附剂而获得较高的热流密度。
　　2.3吸附式制冷工质对
       吸附式制冷能否得到工业应用很大程度上取决于所选用的工质对，工质对的热力性质对系统性能系数、设备材料、一次性投资等影响很大。通过优化选择吸附―――制冷工质对可以增大单位质量工质的制冷量，提高系统的制冷系数，减小设备尺寸，缩短循环时间，使整机的性能有较大的提高，还可以配合不同的热源、制冷工况、设备结构的特殊要求。因此，工质对的选择成为研究的热点。一般认为，用于吸附式制冷的工质对应满足以下要求：（1）吸附容量大；（2）制冷剂的相变潜热大，工质对的吸附热小；（3）吸附容量对温度变化比较敏感；（4）吸附等温线较为平坦；（5）具有良好的导热性和扩散性；（6）能使系统处于正压操作；（7）化学稳定和热稳定；（8）无毒、无腐蚀、无污染、不可燃；（9）来源充分，廉价易得。
　　能够满足上述要求的工质对当然是最佳的，但是实际应用中很难找到，只能综合考虑后作出选择。常用的工质对主要有：活性炭―甲醇、沸石―水、硅胶―水（物理吸附）和氯化钙―氨、氯化锶―氨（化学吸附）等。
　　活性炭―甲醇是太阳能吸附制冷中应用最广的工质对，吸附解吸量较大，所需的解吸温度不高（100℃左右），甲醇的熔点（-98℃），使得系统可用于制冰，但活性炭―甲醇工质对的最高解吸温度不能超过150℃，否则甲醇将分解，另外，甲醇有毒，不利于其广泛应用。
      沸石―水工质对的解吸温度范围较宽（70～250℃），吸附热、蒸发潜热均较大，沸石―水性质稳定，在高温下不起反应，且多次吸附―解吸后，吸附性能不变，沸石的吸附等温线在超过一定压力后基本水平，随压力变化不大，这样，冷凝温度升高对制冷量和系统COP的影响不大，能使吸附制冷系统在较大的温度范围内冷凝散热而保持高性能，对环境的适应能力强。但该系统蒸发温度大于0℃，不能用于制冰，另外系统是真空系统，对真空密封性要求很高，而蒸发压力低也使得吸附过程较慢。
　　硅胶水―水的解吸温度较低，常用于100℃以下的低温余热吸附制冷。
　　华南理工大学的陈砺等建立了化学吸附式制冷单元，对氯化锶―氨工质对的制冷性能进行研究，实验研究结果表明，在相同的制冷工况下，氯化锶―氨工质对的制冷量远远大于活性炭―甲醇工质对。
　　在热源温度为100℃时，他们所用的工质对单位质量吸附剂的制冷量是活性炭―甲醇工质对的3.2倍以上，最高达到5.9倍。王如竹等提出了一种新型吸附剂―活性炭纤维（ACF），其系统的吸附解吸时间缩短为活性炭系统的1/10，制冷量可达活性炭的2～3倍，其制冷性能系数也比活性炭系统提高15以上。
　　马刚等对新型化学吸附式制冷工质对CoF2―NH3的吸附特性进行了实验研究，得出了吸附等温线，研究结果表明，CoF2―NH3工质对的单位吸附量大，达到最大吸附量时的温度要求降低，吸附周期缩短，并且多次重复吸附后既不结块，也不膨胀，为化学吸附式制冷的小型化和实用化提供了新的可能性。
　　3太阳能固体吸附式制冷存在的不足与展望
        综上所述，太阳能固体吸附式制冷技术正在不断发展，并取得了一些进步，但是还处于探索研究阶段，技术还很不成熟，其存在的问题仍然亟待解决。
　　目前太阳能吸附式制冷技术所存在的问题主要表现在以下几个方面。首先，吸附床的传热传质性能不理想。太阳能是低品位能源，且供能不连续，目前的太阳能集热技术难以保证高温而稳定的驱动热源，系统需要较低的驱动温度，因此吸附床的传热传质强化成为研究主攻方向。其次，工质对的选择。
　　物理吸附大都采用水和醇类为制冷剂，使系统工作于负压，负压系统真空密封性要求高，且传热性能不如正压系统好，这是太阳能吸附式制冷技术走向实用的一大难题；化学吸附中大都采用氨作为制冷剂，但是化学反应速度慢，循环周期长，另外氨有毒，与空气混合还会引起燃烧爆炸。所以，研究更加高效、安全、合理的工质对显得非常的必要。再次，太阳能固体吸附式制冷系统的效率普遍偏低、产品成本高，与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比不具竞争性，为此开发更高效、廉价的设备，提高单位集热面积的制冷量成为研究工作的主要方向。此外，系统的工作稳定性较差，存在间断性，不能连续制冷，而且循环周期很长（24小时），晚上制冷也不符合空调用能规律，大大限制了太阳能吸附式制冷的应用。因此，蓄能、恶劣天气时替代能源等问题必须得到解决。
　　4结语
       本文在介绍太阳能固体吸附式制冷原理的基础上，对其技术及进展方面做了比较详细的分析。同时，文章对太阳能固体吸附式制冷技术存在的缺点进行了概括，明确了研究方向，为今后太阳能固体吸附式制冷技术的研究提供了参考。