CN100491849C - 一种家用太阳能吸附式中央空调 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种家用太阳能吸附式中央空调，包括太阳能气体加热器、冷气泵、冷凝器、吸附床、蒸发器、冷却水循环水箱、地下贮冷水池、空调风机，太阳能气体加热器的加热气体管路与吸附床连通，吸附床上下出口处通过闸阀分别和蒸发器冷凝器连通；冷气泵输出管路分别与太阳能气体加热器和吸附床连通；冷凝器的冷凝水管路通过毛细节流阀与蒸发器连通；冷凝器的冷却水管路通过循环水泵与冷却水循环水箱连通；蒸发器的冷凝液管路与地下贮冷水池连通；地下贮冷水池内的冷空气管路与空调风机连通。本发明直接利用太阳能加热后的热空气作为热媒，具有小能量起动、热导率高、热容损失少、解吸速度快、制冷效率高等优点。

Description

一种家用太阳能吸附式中央空调
技术领域
本发明涉及一种利用太阳能制冷的空调装置，尤其是涉及一种家用的太阳能吸附式空调装置。
背景技术
作为普通吸附式制冷原理，早在上世纪40年代，英国利物浦火车上的冷藏车就是这种吸附式空调。但因制冷效率低，随后人们又发明了吸收式制冷，这种空调一开始出现就以它的高效率胜出。因此，吸附式空调就逐渐从人们的视线中消失。直到上世纪70年代第二次石油危机后，能源问题显得突出起来，再加上世界范围内的环境污染日益严重，人们逐渐又把目光投入到太阳能上来。而太阳能的开发，人们首先想到的就是空调，这是因为当夏天太阳能辐射最强烈，环境温度也最高，而空调作为一种高能耗，生活中依附性又如此强，能不能用太阳能来进行制冷，就成了人们普遍关注的焦点。因此，太阳能空调的设想也就应运而生。
研究开发太阳能空调，为什么人们要把目光投放在吸附式空调上，这是因为太阳能自身密度比较低，能量又不稳定，但太阳能没有污染，不化钱因而吸附式制冷是唯一一种以热源为动力的制冷工艺。由于太阳能光状发电至今其成本仍然居高不下，而吸收式制冷离不开以电力为动力，因此以热源为动力的太阳能吸附式空调，特别家用小型太阳能吸附式空调，就特别引起人们的重视。
太阳能吸附式空调原理，从应用上说技术是成熟的。家用太阳能吸附式空调和普通吸附式空调应用原理是一致的。所谓吸附式空调就是利用吸附剂对其蒸发器液体吸附质的吸附，使液体吸附质表面的热量被吸附剂不断带走，这样液体吸附质的蒸气也就不断被吸附，液体吸附质的表面就不断蒸发，不断被带走。最后因热量蒸发被不断带走，所以温度也跟着不断下降。最后达到制冷的温度。如果液体吸附质是水(也可以是甲醇、液氨等)水就逐步变成冰(冷)水。如果这时吸附剂所吸附的液体达到了饱和状态，则这个吸附剂就停止了吸附，这就是制冷的结束。这个阶段为制冷所化的热量和这个阶段所获得的制冷量，它们之比，就是我们平时所说的制冷效率。要把这个阶段吸附剂内所吸附的吸附质全部脱附出来，采用的办法就是对吸附剂进行加热。我们利用太阳聚焦来收集太阳能的热量，其目的就是用于加热吸附剂，直到把饱和状态的吸附质全部从吸附剂内解吸出来。从开始吸附吸附质到吸附质从吸附剂中解吸出来，这就是制冷循环的一个周期。周期的多少，我们称它效率系数。显然不同吸附剂和不同的吸附质(又称它们为工作对)它们的效率不是一样的。目前太阳能吸附式空调的效率实验的数据都在0.25到0.35之间似乎没有太多的突破，而吸收式空调的效率一般都在0.8以上。
太阳能吸附式空调效率低的原因在于目前市售的吸附剂，象活性炭、硅胶，合成佛石(又称分子筛)活性氧化铝，它们的热导率都很低，热容也很小，普遍存在传热传质的性能差，导致效率很低。虽然有报导有人采用在各种吸附剂上添加各种金属粉压制成型，或在装置上增加传热金属丝网等等，也有在装置的总热容上进行了精心设计，但效果并不显著，至今据资料介绍吸附式空调的效率都没有超过0.5，但人们的信心并没有丧失，特别当前电力供应缺口如此之大的背景下，太阳能空调的前景是诱人的。
本申请人在发明专利申请02110953.2公开了一种家用太阳能智能人工环境系统，由结构简单，成本低廉，长期露天使用无故障的太阳能全自动跟踪聚光式加热装置、蓄能装置和可连续制冷、制冷效率高的太阳能高温吸附式空调装置组成，利用加热介质的循环，结合其它家用装置组成人工智能环境系统，充分利用太阳能为生活服务，满足人们各种需要。其中的太阳能高温吸附式空调装置由冷凝器、吸附床、空调加热器和蒸发器组成；导热介质进液管路、出液管路和空调加热器连接，空调加热器的过热蒸气加热管路一端并联组合的二组吸附床连通，另一端通过循环风机与冷凝器连通；吸附床内冷却管路与循环水管路连通；冷凝器的冷凝水管路与蒸发器连通，蒸发器的冷凝水蒸气管路与吸附床连通，管道的控制通过电磁阀控制。吸附床内装一刚性吊篮，吸附剂成型板和冷却盘管分别固定在吊篮内。整个吸附床内每层吸附剂成型板和冷却盘管之间分别设有传热传质通道。吸附床采用分子筛和水作为工质对。
发明内容
本发明在原有太阳能高温吸附式空调装置基础上进行进一步改进，提供一种直接利用太阳能加热后的热空气作为热媒，具有小能量起动、热导率高、热容损失少、解吸速度快、制冷效率高等优异性能的家用太阳能吸附式中央空调。
家用太阳能吸附式中央空调，包括太阳能气体加热器、冷气泵、吸附式中央空调主机、冷却水循环水箱、地下贮冷水池、空调风机，吸附式中央空调主机由冷凝器、吸附床和蒸发器组成；太阳能气体加热器的加热气体管路与吸附式中央空调主机内并联组合的二组吸附床连通，吸附床上下出口处通过闸阀分别与冷凝器和蒸发器连通；冷气泵输出管路分别与太阳能气体加热器和吸附床连通；冷凝器的冷凝水管路通过毛细节流阀与蒸发器连通；冷凝器的冷却水管路通过循环水泵与冷却水循环水箱连通；蒸发器的冷凝液管路与地下贮冷水池连通；地下贮冷水池的冷空气管路与空调风机连通。
所述的冷凝器上部中央设有气水分离器，分离器上部装有压力传感器。所述的气水分离器为一园形槽，槽内装不锈钢丝网卷成的网卷。
所述的太阳能气体加热器包括铜管、真空层、高硼硅玻璃管，高硼硅玻璃管在铜管外，铜管与高硼硅玻璃管间为真空层，铜管外部磁控溅射一层高温选择性吸收涂料，内部填充金属丝网，下端带有冷却气体入口，上端带有加热气体出口。
所述的太阳能气体加热器中的气体为空气或惰性气体。
所述的吸附床和冷凝器还设有管路与热水箱连通。
本发明的太阳能气体加热器中用冷空气作为快速冷热交换的介质，也可用O族的惰性气体作为快速冷热交换的介质，可通过循环体系对惰性气体进行回收，其效果更好，但成本较高，因此一般采用空气作介质，本发明的效果和具体实施例说明也以空气为介质进行说明。
本发明通过太阳能加热冷空气作为家用太阳能吸附式中央空调热源，通过左右两吸附床，当热空气加热左吸附床，吸附剂被不断加热，加热到吸附质(水)达到蒸发温度时，热空气夹带着蒸气进入冷凝器，与冷凝器内冷凝盘管、散热片等进行热交换。与此同时循环水泵开始启动，以强制加速冷凝。热空气降温后蒸气变成冷凝水，但冷凝器内压力不变，仍带有少量水蒸气的热空气上升到上部与气水分离器进行再一次的热交换。分离出的冷凝水，通过不锈钢丝网流向四壁流回冷凝器，热空气则从压力传感器的出口流向热水器与热水换热后，冷空气排空。此时左吸附床内吸附质虽然全部解吸(脱附)但床内吸附剂的温度仍然居高不下，为此从气泵中引入冷空气，与左吸附床进行热交换，使左吸附床迅速降温达到正常温度。至此左吸附床的解吸工作全部结束。与此同时带有一定压力的冷凝水，通过冷凝器的毛细节流阀进入蒸发器，由于毛细节流阀突然降温降压，蒸发器表面的热蒸气被右吸附床所吸附，这样毛细节流阀连续不断送入冷凝水，在蒸发器液面上就连续不断出现被蒸发的热蒸气为右吸附床所吸附。这样蒸发器内部的液体就不断地降温，整个制冷过程就这样持续下去，直到吸附床的吸附质达到饱和状态。至此本发明中的太阳能吸附式中央空调就完成了从脱附至吸附制冷的一个循环全过程。
为克服太阳能自身的间隙性和不稳定性，本发明将冷媒贮水池设在地下与蒸发器通过管道串连起来，这样就贮冷于地下，大大减少了热能损失也减少了高温介质保温的成本。这样，既便3-5天内没有太阳能供应，中央空调由于冷媒的贮存仍然能保证照常工作。
由于早上太阳辐射不强烈，要加热到一定热量相对累积时间较长，液体载体又不能直接进行热交换，中间要通过管道热容损失又较大。因此采用空气作为载体，起动快，热容损失少。且彼此不发生反应，吸附剂使用寿命长。空气既可作为热载体也可作冷载体，没有污染，不需要贮存，用之即来，不用弃之，没有成本，因此本发明的空调运行成本很低。
附图说明
图1为本发明的系统的主要装置流程示意图；
图2为本发明空气加热器的结构示意图。
具体实施方式
如图1，1为太阳能气体加热器，2为冷空气气泵，3为吸附式中央空调主机，4为冷却水循环水箱，5为地下贮冷水池，6为热水箱，7为空调风机。
由气泵2将冷空气送入太阳能气体加热器1中进行不断的热交换。热交换的热空气由管道输送入中央空调的主机3的吸附床32开始工作，加热器串连的数量由制冷量需要多少来决定增减，全部输送管道均经保温包扎。中央空调主机3分三大部件：即冷凝器31、吸附床32、蒸发器33。冷凝器31的外壳可以是铝合金压力浇铸，也可以是铸铁的。冷凝器31上带有散热筋，壁要薄，尽量减少热容损失。冷凝器31内是带吸热片的冷凝盘管313，通过循环水泵41与冷却水循环水箱4连通，管内流通的是循环冷却水。冷凝盘管313已有标准设计，只需选用标准件即可。
在冷凝器31上部中央设有气水分离器311，即一园形槽，槽内装不锈钢丝网卷成的网卷，用于分离气水。冷凝器31的出口处即在气水分离器311上部装有压力传感器312，这里既是排气口，又要控制冷凝压力，毛细节流阀323在排放冷凝水时，冷凝器31内要有一定的压力。
吸附式中央空调主机的左右两吸附床为32a和32b。吸附床32的材料用不锈钢薄板制成(钢板厚度只要保证受力强度够的情况下，材料越薄越好，目的是减少吸附床的热容损失。吸附床32外层加保温层，保温层外边是保护装饰层，每个吸附床的上下部分分别装有平板式闸阀323a、323b，闸阀的孔要尽可能大，让热空气、吸附质通过不受阻力。吸附床32的上部和冷凝器31相遇，是热空气，蒸气，进行热交换的共同通道。吸附床32的下部和蒸发器33相通，是吸附床32吸附吸附质的通道，要做到无阻力畅通。吸附床32下部装有通风通气的网板324，一方面是支承吸附剂的重量，另方面也是热风和吸附质制冷的通道。吸附床32a和32b内装有若干根导管322是为传热传质的通道。在导管322的轴向每隔若干距离按园周等分占小孔若干，以供体系内传热传质，不至造成体系内阻力过大。吸附剂321填满吸附床，在上部留一点间隙供冷空气热交换后出口。左右吸附床32a和32b组成一组整体并加以固定。
冷凝器31通过毛细节流阀323与蒸发器33连通，毛细节流阀323是制冷的关键另件，有标准化产品。蒸发器33主体可用铝合金压力浇铸也可铸铁的或薄板制成，空调机整体组装时不能出现漏气。
由太阳能气体加热器1通过管道送来的热空气，此时左平板闸阀322a关，左平板闸阀323b开，热空气进入左吸附床32a与吸附床内吸附剂322(此处可选用分子筛和水工作对)进行热交换。热交换后，热空气的热量部分被吸附剂所吸收，部分随吸附质的水蒸气一道带入冷凝器31。热空气不断补充，吸附剂则不断被加热，吸附质的水也同时被加热，当达到蒸发的温度时，吸附质的蒸气就从吸附剂的孔穴内蒸发出来，吸附颗粒是由无数孔隙组成的，吸附剂表面积可以达到400-750m2/克左右，具有很强的吸附能力。带着大量水蒸气进入冷凝器31的热空气与冷凝器31内的冷凝盘管331进行一场冷热交换，这时循环水泵41启动，对循环水进行强制循环，如果单靠自然循环冷却所化时间很长，且影响前面的脱附，也影响后面的吸附，为此要启动循环水泵41，提高冷却水循环速度，加速冷凝水冷凝，以提高空调效率。蒸气被冷凝成冷凝水，热空气降温，但冷凝器31内的压力不会变。
当带有少量水份进入冷凝器31上部的热空气再一次通过气水分离器311进行气水分离。分离的水通过不锈钢丝网和器壁流回冷凝器31。热空气则继续上升到冷凝器31的出口处的压力传感器312的部位，在确保体系内压力不变的情况下，超出压力的部分热空气，通过压力传感器312上部的出口，进入到热水箱6内的盘管61与盘管外的水进行交换后，剩余的热量不多，冷空气就排空。
此时左吸附床32a全部解吸(脱附)但吸附床内温度仍保留很高，自然冷却时间长，为此利用气泵2自右(左管道将冷空气送入太阳能加热器1)管道进入冷空气，此时电磁阀a关，b开，c开，d关，引入的冷空气进入左吸附床32a与吸附剂进行热交换。被加热的冷空气自c阀出经过d阀进入热水箱6进行热交换，热交换后冷空气排空。通过如此不断的热交换后，左吸附床32a就迅速降温，达到规定温度后，左吸附床32a的解吸(脱附)工作就全部结束。与此同时，带有一定压力的冷凝水通过毛细节流阀323进入蒸发器31，由于毛细节流阀323突然降温降压，在蒸发器33表面的热蒸气就被右吸附床32a所吸附(此时平板闸阀323a敞开而平板闸阀323b闭)，这样毛细节流阀323连续不断地送入冷凝水，在蒸发器33的液面上就连续不断地出现被蒸发的热蒸气，这样蒸发器33内部的液体就不断地降温，整个制冷过程就这样持续下去，直到右吸附床32a吸附达到了饱和状态。与此同时，右边吸附床32b的吸附剂通过与热空气持续不断的热交换后，原来所吸附的吸附剂也全部解吸(脱附)并通过与冷空气热交换后，右吸附床32b的吸附剂温度也降到正常。至此家用太阳能吸附式中央空调就完成了从吸附至制冷的一个周期。
紧接着两个吸附床开始互相切换，原来吸附的变成脱附，原来脱附的变成吸附。新一轮的循环周期随即开始。整个吸附式中央空调就是这样在太阳能的热能驱动下周而复始的工作，直到太阳能停止供给热能。
由于太阳能受自身自然规律的制约，如昼夜、季节等地理纬度的影响和自然界中阴晴雨雪等不确定因素的影响，给太阳能造成间断性和不稳定性。为解决此问题，本发明采用了一个既简单又节约的办法，即把太阳能中央空调的蒸发器33通过上升管和下降管和地下贮冷水池5结合起来，地下贮冷水池5内带有热交换盘管51，蒸发器33内的液体将进入地下贮冷水池5的热风冷却后通过空调风机7输送各处分机使用。这样把太阳能的冷媒存于地下，这样不仅大大节约了热能高温贮存昂贵的保温投资，而且高温贮存的能量损失显然要比低温大好多。这样通过低温贮存，即使三、五天没有太阳，但贮存地下的冷媒却可照常供应空调。
图2所示为太阳能气体加热器结构。导热性能特好的铜管11的外表磁控溅射一层高温选择性吸收涂层。铜管11外为高硼硅玻璃管13，中间为真空层12。铜管11内部为导热性能特好的金属丝网卷成的圆形网卷14。金属丝网卷14填满整个金属管，且紧贴管内壁。铜管上部为上封头15，下部为下封头16，下封头16上带有冷空气入口17，上封头15上带有热空气出口18。冷空气从空气入口17进口后，即不断与铜管11和金属丝网卷14进行热交换，使冷空气按工艺要求温度达到后，即送往吸附床32加热床内吸附剂。可通过若干个加热器串连以增加热空气量，加热器串连的数量由需要制冷量决定增减。太阳能气体加热器1进行太阳能加热时，可结合已公开的太阳能CPC复合聚光装置加热，以达到较高的温度和热利用效率。
有关整个温度、压力、传感器，电磁阀的开关其操作程序均由电脑自动控制是已成熟的技术这里也不再复述。
针对家用太阳能吸附式空调效率偏低的不足，本发明的要点是在确保提高效率的基础上尽可能提高效率系数，即提高吸附制冷的循环周期，利用气体作为吸附式空调的传热介质，是提高吸附式空调制冷循环周期的关键，通过本发明的结构，使太阳能吸附式空调可以达到吸收式空调的效率。

Claims (6)

1.一种家用太阳能吸附式中央空调，包括太阳能气体加热器、冷气泵、吸附式中央空调主机、冷却水循环水箱、地下贮冷水池、空调风机，其特征在于：吸附式中央空调主机由冷凝器、吸附床和蒸发器组成；太阳能气体加热器的加热气体管路与吸附式中央空调主机内并联组合的两组吸附床连通，吸附床上下出口处通过闸阀分别与冷凝器和蒸发器连通；冷气泵输出管路分别与太阳能气体加热器和吸附床连通；冷凝器的冷凝水管路通过毛细节流阀与蒸发器连通；冷凝器的冷却水管路通过循环水泵与冷却水循环水箱连通；蒸发器的冷凝液管路与地下贮冷水池连通；地下贮冷水池的冷空气管路与空调风机连通。
2.根据权利要求1所述的家用太阳能吸附式中央空调，其特征在于：所述的冷凝器上部中央设有气水分离器，分离器上部装有压力传感器。
3.根据权利要求2所述的家用太阳能吸附式中央空调，其特征在于：所述的气水分离器为一圆形槽，槽内装不锈钢丝网卷成的网卷。
4.根据权利要求1所述的家用太阳能吸附式中央空调，其特征在于：所述的太阳能气体加热器包括铜管、真空层、高硼硅玻璃管，高硼硅玻璃管在铜管外，铜管与高硼硅玻璃管间为真空层，铜管外部磁控溅射一层高温选择性吸收涂料，内部填充金属丝网，下端带有冷却气体入口，上端带有加热气体出口。
5.根据权利要求1或4所述的家用太阳能吸附式中央空调，其特征在于：所述的太阳能气体加热器中的气体为空气或惰性气体。
6.根据权利要求1所述的家用太阳能吸附式中央空调，其特征在于：所述的吸附床和冷凝器还设有管路与热水箱连通。
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