CN101943445A - 自流型太阳能制冷空调 - Google Patents

Abstract

自流型太阳能制冷空调，主要包括：发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、U形管、多管新月环形通道的热虹吸管，收器中的溴化锂浓溶液从喷淋盘中喷下，将蒸发器中的水蒸气不断地吸收，变成稀溶液后流进多管新月环形通道溶液提升泵装置，由太阳能集热器产生的加热水流进加热水套筒装置，将多管新月环形通道中的溴化锂溶液加热，使得溴化锂稀溶液在新月环形狭缝通道内沸腾，形成气液两相流，水蒸气的气泡推动溴化锂溶液向上浮升，将溴化锂溶液提升到发生器中，水蒸气也经蒸发器到达冷凝器，经节流阀流回蒸发器；蒸发器中由于液态水不断的蒸发成水蒸气，需要带走冷媒水大量的热量，因此，冷媒水的出口温度会降低，出口的冷媒水将为制冷空调系统提供冷量。

Description

自流型太阳能制冷空调

技术领域：

本发明涉及太阳能利用技术，具体涉及太阳能空调控制领域。

背景技术：

随着社会的发展和百姓生活水平的不断提高，人们对室内环境舒适性的要求已经越来越高，家用空调已进入普通百姓的家庭。然而，当前家用空调大部分都是以电能为动力，以氟里昂等氟化物为制冷工质。这种传统的压缩式空调技术存在着两大缺点：首先，传统的空调系统所消耗的电能非常大，世界各国用于民用空调系统所消耗的电能约占民用总电耗的25％以上；其次，氟里昂等氟化物的广泛使用，会使大气的臭氧层遭到破坏。

目前，能源短缺问题已成为世界各国面临的严峻问题之一。为了节约能源和解决环境问题，世界各国都在积极探索新能源驱动的制冷技术。利用太阳能制冷的理念，就是这种概念下的产物，太阳能制冷被称为无污染的节能和绿色的空气调节方式。而且，夏季强烈的太阳辐射恰好与夏季迫切的制冷需求相匹配。因此，利用太阳能进行制冷最能发挥自然资源的优势。

太阳能是一种清洁的可再生自然能源。利用太阳能，既不会产生大气污染，也不会破坏生态环境，加之其取之不尽、用之不竭且使用时无需开采等特点，自二十世纪六十年代以来，世界各国都已开始对太阳能的利用给予了高度的重视。

1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元，1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标；日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”(节能计划)，“环境计划”和“阳光计划”合并成“新阳光计划”；德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。联合国召开了一系列由各国领导人出席的高峰会议，讨论并制定了世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立了国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发和利用太阳能和可再生能源成为国际社会的共同主题，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。太阳能是世界上最丰富的永久能源，地球表面的太阳辐射能通量为1.7×1014kw，相当于全世界年需要能量总和的5000倍。目前，人们对太阳能的利用主要有以下两种方式：一是通过光热转换，将太阳能通过贮热、集热等方式收集热量并加以应用。如现已广泛使用的太阳能热水器、太阳灶、空调机、被动式采暖太阳房、干燥器、集热器、热机等，都属于光热转化应用的例子；二是通过光电转换，将太阳能转化为电能并加以储存，最终以电能形式满足人们的需求。这是目前太阳能应用的主要方向，现已制作出各种太阳能光电池、制氢装置及太阳能自行车、汽车、飞机等。

关于太阳能空调的研究也是目前的一个重点，1960年，世界上第一套太阳能氨-水吸收式空调系统在美国建成。70年代以后，我国也开始进行太阳能制冷机和空调的研究，研制出几台小型本发明性制冷机，同时对太阳能空调也进行了本发明研究，先后建成了几套小型太阳能空调系统。

1983年，Chametal在香港大学完成了太阳能吸收式空调的理论设计。后来，Yeuang和Mak在1986年完成了该太阳能吸收式空调的建造和运行。香港大学制造的太阳能空调系统通过实际的应用，已经说明了它的制冷性能和适用能力。但它的主要问题是系统无法从储藏罐提供有效的热水给制冷机，这就导致了通过集热器收集的热能利用不足和制冷量的减少。尽管集热器收集了相对多的能量，但制冷机的平均制冷能力比设计的要低很多。

1987年，中国科学院广州能源研究所与香港理工大学合作，在深圳建成了国内第一座太阳能空调系统。其系统制冷能力为14kW，该空调采用日本出产的单级溴化锂吸收式制冷机，热源温度要求88℃以上。为了配合这种制冷机的使用，专门研制了三种高性能太阳能中温型集热器：真空管集热器、热管式真空管集热器和V型膜平板集热器。

上海交通大学阙雄才、李红等人在1988年也曾对无泵LiBr吸收式太阳能制冷机的机理进行研究。他们应用两相流模型、溶液热力学和吸收式制冷循环等理论，对无泵太阳能吸收式制冷机中热虹吸泵在绝热弹状工况下的热虹吸特性进行了研究。研究结果揭示了浓溶液提升高度，稀溶液浸没高度，热虹吸管内径等重要参数跟制冷剂蒸气，LiBr溶液的物性参数，流动参数之间的内在关系。求出了维持热虹吸泵正常工作所必须具备的加热负荷范围，为这种热虹吸泵的设计和运行提供了依据。在意大利，Ispra，Van Hattem和Dato也进行了太阳能驱动的溴化锂-水吸收式制冷系统的研究，这个系统采光面积36m，总制冷效率(冷负荷与太阳能的比率)大约为11％。

九五期间，中科院广州能能源研究所和北京太阳能研究所分别在我国南方和北方各建了一座大型实用性的太阳能空调系统。其中广州能源研究所所建的太阳能系统以平板型集热器收集太阳能产生热水，分别储藏在制冷及生活热水水箱中。采用一台100kw的两级溴化锂吸收式制冷机，用太阳能热水输入制冷机制冷。采取中央空调供冷方式，制取9℃左右的冷冻水送到用户的风机盘管，然后返回冷冻水箱。当天气不好、水温不足时，用一台燃油热水炉辅助升温，保证系统能全天候运行。生活用热水则直接送到用户，系统全自动采集数据和控制运行。这几十年来，国内外在太阳能制冷与空调技术的实用化方面，已经进行了大规模的研究。但究其原理归纳起来，可以将目前的研究热点分为三类：

(1)太阳能压缩式制冷与空调技术

这方面研究的重点是研究如何将太阳能有效地转换成电能，再利用电能驱动压缩式制冷系统。从目前的情况来看，由于光-电转换技术的成本相当高，与市场化的距离还比较远。

(2)太阳能吸附式制冷与空调技术

太阳能本身是一种低热流密度、易于波动的低品位能源，而吸附式制冷技术的特点正好与太阳能的特点相匹配。所以太阳能在吸附式制冷方面(尤其是小型制冷方面)的应用前景和发展势头非常良好。包括上海交通大学制冷与低温工程研究所等的国内外机构在利用太阳能驱动的吸附式制冷技术方面取得了长足的进步，基本已经达到了可以实用的水平。但由于吸附式系统存在能流密度低的缺点，所以这种系统的制冷量不可能很大，只适用于供冷量较小的制冷系统，应用范围非常有限。

(3)太阳能吸收式制冷与空调技术

太阳能吸收式制冷技术的研究已最接近于实用化，而且已经有了很多成功的实例。这种系统常规的配置是：采用真空管集热器来收集太阳能，用来驱动单效、双效或双级吸收式制冷机，工质对主要采用溴化锂-水，有的也采用氨-水。当太阳能不足时采用燃油或燃煤锅炉来进行辅助加热。这种系统除了具备制冷和制热的能力外，还能提供生活用的热水。

对无泵太阳能吸收式空调中提升溶液的热虹吸泵，西安交通大学的张联英，吴裕远等老师就曾做过一些研究。他们曾对LiBr溶液在3种不同截面尺寸新月环形通道中的沸腾传热及热虹吸提升过程进行了本发明研究。结果发现，在相同的条件下，通道间隙尺寸对传热及溶液提升性能有直接影响。

在生活水平的不断提高的同时，人们对生活环境舒适程度和空调的经济性的要求也是越来越高。普通的压缩式空调已经满足不了人们对节能和环保的需求。小型无泵太阳能吸收式空调的整个系统由太阳能提供系统需要的热源，节约电能，具有良好的经济效益。而且，它的热量来源于对环境毫无污染的太阳能，完全可以满足人们对环境保护的要求。

正因为自流型太阳能制冷空调有着诸多的无与伦比的优点，它才汇集了越来越多优秀专家的目光，集中了大量的智慧，各种新奇的构思也不断涌现。所以，小型自流型太阳能制冷空调的研究将具有非常大的意义和价值。影响其整体性能最关键的部分就是热虹吸溶液提升泵。热虹吸溶液提升泵提升性能的好坏将直接影响到该空调系统的性能和效率。前人已对单管新月环形通道溶液提升泵的性能进行了一些分析和研究，研究表明，单管提升泵有效地降低了溶液沸腾换热的过热度，实现了较低加热水温度下溴化锂水溶液的沸腾和提升。但单管新月环形通道溶液提升泵溶液提升量非常有限，而且溶液提升过程中的连续性和稳定性较差。

因此，本发明在总结单管新月环形通道溶液提升泵诸多优点的基础上，提出了在热虹吸泵中采用多管新月环形通道结构，对多管新月环形通道溶液提升泵的性能进行了本发明研究，以实现溶液提升的连续性和稳定性。通过理论分析和本发明研究相结合，将多管新月环形溶液提升泵进行了优化，从而实现了对整个空调系统优化的目的，为人们设计出高性能环保空调提供便利。

发明内容：

本发明提出自流型太阳能制冷空调，主要包括：发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、U形管、多管新月环形通道的热虹吸管，如附图1所示，其主要特征是：吸收器中的溴化锂浓溶液从喷淋盘中喷下，溴化锂浓溶液具有极强的吸收水蒸气的特性，它能够将蒸发器中的水蒸气不断地吸收，吸收水蒸气后的溴化锂溶液将变成稀溶液；溴化锂稀溶液流进多管新月环形通道溶液提升泵装置，由太阳能集热器产生的加热水流进加热水套筒装置，将多管新月环形通道中的溴化锂溶液加热，使得溴化锂稀溶液在新月环形狭缝通道内沸腾，形成气液两相流，水蒸气的气泡不断地推动溴化锂溶液向上浮升，将溴化锂溶液提升到发生器中，水蒸气也经蒸发器到达冷凝器，在冷凝器中，水蒸气被冷却水凝结为液态水，经节流阀流回蒸发器；而溴化锂浓溶液则从发生器处流至吸收器的喷淋盘中进行喷淋，继续吸收水蒸气。蒸发器中由于液态水不断的蒸发成水蒸气，需要带走冷媒水大量的热量，因此，冷媒水的出口温度会降低，出口的冷媒水将为我们的空调系统提供冷量。

自流型太阳能制冷空调，依靠溶液提升泵实现稀溶液的加热沸腾与输送。溶液提升泵效率的高低将直接影响到整个空调系统的性能，而加热水的温度又会直接影响到溶液的提升效果。要是采用内外管同时给新月环形通道内的溴化锂稀溶液进行加热的方法，则可以大大减小加热水与溴化锂溶液之间的传热温差，从而实现较低太阳能加热水温度(70～80℃)下的溶液的沸腾与提升，新月环形通道截面如附图2所示。

新月环形通道内的小温差强化传热是与微膜蒸发机理，气泡扰动机理以及自然对流机理紧密联系的。由微膜蒸发机理可知：新月环形通道溶液提升泵内的溴化锂溶液由内外管壁面同时进行加热，溶液与管壁之间的微液膜层(μm级)在传导热的作用下蒸发，在汽化核心处首先形成气泡，气泡在不断加热的过程中迅速长大，直至脱离壁面。由于新月环形通道的尖角处起到了人工汽化核心的作用，在同样的热流密度下促成了气泡的形成，加上内外管壁同时受热，热边界层较薄，所以气泡形成需要的过热度大大减小；与此同时，形成的气泡在新月环形通道空间结构的约束下，不断的挤压变形，横向运动速度迅速增大，向宽缝处流动加剧。随着通道内含汽量的增加，干度不断加大，两相流的密度差也越来越大，纵向流动速度不断加快，与横向运动叠加后，在通道内形成强烈的扰动作用，大大强化了通道内的传热，进一步降低了通道内外的传热温差。

过冷态的单相流在提升管底部受热后，在壁面处(特别是通道尖角处)开始形成小气泡，传热也进入过冷沸腾阶段；溶液继续受热，气泡不断长大并开始汇合，逐步形成泡状流和弹状流，传热也开始进入饱和核态沸腾阶段。在密度差作用下的两相流在沿程热水的继续加热下，含汽量不断增大，干度增加，弹状流中的气泡剧烈变形，最终形成较大的汽块，两相混合溶液便不断提升至气液分离器。

整个自流型太阳能制冷空调所需的热量是由太阳能热水提供的，系统中稀溶液提升的部分采用的是多管新月环形通道热虹吸泵，利用热虹吸原理提升溶液，从而取代了常规的机械泵。这样，整个系统运行起来，就无需其它的能源，而且系统将在无噪声的情况下运行，从而实现节能和环保的目的。

附图说明：

图1为无泵太阳能空调运行原理图

图中1：热虹吸管；2：太阳光；3：太阳能集热器；4：发生器；5：吸收器；6：冷却水；7：冷凝器；8：节流阀；9：冷媒水；10：蒸发器

图2为新月环形通道溶液提升管截面结构图

图3提升管及溶液加热套管示意图

图中11：新月环形通道溶液提升管

图4贮液桶结构图

图中12：浓溶液流入口；13：压力平衡孔；14：冷剂水流入口；15：液位计；16：液位计

图5加热水管路系统

图中17：溶液提升泵；18：去内管的加热水；19：进套筒加热水；20：加热水回路；21：旁通回路；22：电加热；23：太阳能热水

图6冷却水管路系统

图中24：旁通水路；25：冷却水回流；26；冷却水进口

具体实施方式：

本发明由气液分离器、冷凝器、溶液提升泵、贮液桶、太阳能模拟热源系统、冷却水系统以及各个部件之间的连接管和压力平衡管等组成。整个系统除换热元件和控制元件外，均由不锈钢材料制成。下面将几个部分的实施方式给出：

1冷凝器和气液分离器

从合理布置空间位置以及减小蒸汽流动过程中压力损失的角度考虑，本发明将冷凝器和气液分离器设计成一个整体，其外形是个圆筒形。分离器与冷凝器之间有一个上端开口的气液分离挡板，是用以将提升后的浓溶液与冷剂水分离开的装置。蒸汽由此装置上端开口部分进入冷凝器，而浓溶液由此装置底部的浓溶液管流至贮液桶。隔板外侧为冷凝器，内置冷凝盘管，用于冷凝蒸汽，蒸汽在此处被18℃的冷却水冷凝成冷剂水，然后通过外部开口流回至贮液桶。在冷凝器桶壁顶部设有压力平衡管，本发明中，保证冷凝器中的压力与贮液桶中的压力平衡。气液分离器及冷凝器均被放置在一个圆柱形不锈钢筒内，筒体由2mm不锈钢板制成，筒长400mm，直径为300mm。冷凝器内的冷却盘管由19mm外径紫铜管盘绕而成，总长度15m。

2热虹吸溶液提升泵

溶液提升泵是整个无泵吸收式空调制冷系统运行的关键部分。该本发明采用了由4组新月环形通道提升管组成的提升泵，其外管外径为32mm，壁厚为1.2mm。内管外径为19mm，内管厚度为1mm，提升管高度为1550mm，内外管材质均为不锈钢。新月环形通道内流过的物质为溴化锂溶液，其截面结构如附图3所示。内管出热水口在加热筒顶端下60mm处。

2贮液桶

贮液桶是一个竖直放置的不锈钢圆筒，用于贮存溴化锂稀溶液，同时为提升管正常工作提供必要的浸液高度。贮液桶顶部有一个压力平衡孔，与气液分离器顶部的压力平衡孔相连，用于保持贮液桶和气液分离器的压力平衡。

贮液桶直径200mm，筒体高度为750mm。贮液桶与溶液提升泵间的连通管由外直径25mm，厚2mm的不锈钢管制成，其结构图如附图4所示。

3溶液加热套筒

溶液加热套筒由外径143mm的无缝钢管制成，管长1600mm，套筒内流动的物质为加热水，加热水从下端进，上端出。

4加热水和冷却水系统

加热水系统是用来给无泵自流型太阳能制冷空调提供所需热量的装置，它的主要功能是用来加热溴化锂稀溶液使之沸腾。加热水系统进口分两条管路：一路是直接进入加热套筒，加热提升泵内的LiBr稀溶液；另一加热水管路经过新月环形通道提升管的底部进入各提升管的内管，从内管壁加热提升管内的LiBr稀溶液。两条管路中同时通入加热水，对新月环形通道提升管内的溴化锂溶液进行加热。

新月环形通道溶液提升泵工作时需要在其管内和管外提供80℃左右的加热水。因此，本发明装置系统需要一套供热系统，如附图5所示。由前述计算可知系统运行需要供热的功率为9kW，因此在考虑系统热量损耗的情况下在加热桶内布置三个加热器，每个6kW，加热器通过电节点温度计测量热水温度来控制闭合与断开，以确保加热水温度始终保持在本发明预先设定的温度范围之内。冷凝器需要用冷却水带走系统中多余的热量。因此，需要安装一套冷却水系统，其结构如附图6所示，冷却水流量通过冷水表控制和测量。冷却水的流量大小则是根据要求来调节，以保证冷凝器中蒸汽能够充分凝结。

Claims (7)

1.自流型太阳能制冷空调，主要包括：发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、U形管、多管新月环形通道的热虹吸管，其特征在于收器中的溴化锂浓溶液从喷淋盘中喷下，将蒸发器中的水蒸气不断地吸收，变成稀溶液后流进多管新月环形通道溶液提升泵装置。

2.根据权利要求1所述的自流型太阳能制冷空调，由太阳能集热器产生的加热水流进加热水套筒装置，将多管新月环形通道中的溴化锂溶液加热。使得溴化锂稀溶液在新月环形狭缝通道内沸腾，形成气液两相流，水蒸气的气泡推动溴化锂溶液向上浮升，将溴化锂溶液提升到发生器中。

3.根据权利要求1所述的自流型太阳能制冷空调，冷凝器和气液分离器设计成一个整体，其外形是个圆筒形。分离器与冷凝器之间有一个上端开口的气液分离挡板，是用以将提升后的浓溶液与冷剂水分离开的装置。

4.根据权利要求1所述的自流型太阳能制冷空调，热虹吸溶液提升泵由4组新月环形通道提升管组成的提升泵，内外管材质均为不锈钢。新月环形通道内流过的物质为溴化锂溶液。

5.根据权利要求1所述的自流型太阳能制冷空调，贮液桶是一个竖直放置的不锈钢圆筒，用于贮存溴化锂稀溶液，同时为提升管正常工作提供必要的浸液高度。贮液桶顶部有一个压力平衡孔，与气液分离器顶部的压力平衡孔相连，用于保持贮液桶和气液分离器的压力平衡。

6.根据权利要求1所述的自流型太阳能制冷空调，加热水系统进口分两条管路：一路是直接进入加热套筒，加热提升泵内的LiBr稀溶液；另一加热水管路经过新月环形通道提升管的底部进入各提升管的内管，从内管壁加热提升管内的LiBr稀溶液。两条管路中同时通入加热水，对新月环形通道提升管内的溴化锂溶液进行加热。

7.根据权利要求1所述的自流型太阳能制冷空调，加热器通过电节点温度计测量热水温度来控制闭合与断开，以确保加热水温度始终保持在实验预先设定的温度范围之内。

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