新型吸收式制冷机,有望成为新一代太阳能冷却器!

   电子分析员        

目前,具有独特技术特点的新型吸收式制冷机已经出现在全球市场上,实验室和工业前的原型也已经开发出来。这些冷却器是为有效利用低品位热源而设计的。此外,一些先进的商用吸收式制冷机在驱动的热流中有很大的温度滑移(30 K),这能提取大约两倍于单效制冷机的热量(~200%)。这种巨大的温度下滑意味着冷却器非常适合太阳能热集热器安装和区域供暖网络,而额外的驱动热量增加了冷产量。此外,R718涡轮压缩机技术的最新进展,通过使用压缩机增压式吸收式冷水机组,帮助解决了吸收式冷水机组在适应极端操作条件(如环境温度高,35℃)方面存在的问题。本文对这些吸收式制冷机技术的发展进行了综述和讨论。总而言之,新型吸收式制冷机可能有助于开发高效、成本效益高、强有力的太阳能制冷解决方案,以减轻全球空间制冷需求不断上升带来的不可持续的影响。


相关论文以题为“New Developments and Progress in Absorption Chillers for Solar Cooling Applications”发表在《Applied Sciences》上。




研究背景


根据国际能源机构的报告,如果现行的政策和目标继续下去,全球用于太空冷却的能源需求将在未来30年增加3倍(也就是说,到2050年将增至6200 TWh)。预计的能源需求主要是由于全球较热地区的经济增长和人口增长,其中50%是由三个国家(即中国、印度和印度尼西亚)贡献的。此外,越来越多的人对舒适的制冷感兴趣,因为这些国家生活水平的提高和新兴中产阶级收入的增加。因此,2016年至2050年,建筑空调总量将增加约250%,从16亿台增加到56亿台。此外,满足这些空间制冷需求的全球电力容量也将从2016年的850万千瓦增加到2050年的3350万千瓦。2018年,空调和电扇用于满足制冷需求的用电量占建筑总用电量的近20%(相当于世界用电量的10%)。此外,到2050年,空调将占到世界电力需求增长的大约37%。


全球空调市场由电力驱动的蒸汽-压缩制冷循环技术主导,并使用合成制冷剂(具有相当大的全球变暖潜力)。目前的空调系统包括包装空调,分裂系统空调,和各种类型的压缩冷却器(例如,离心,往复式,或螺杆式压缩冷却器)。包装空调包括窗式空调、终端空调、便携式空调和屋顶空调。此外,分体式空调的范围从小的单间单元到可以向大型建筑提供冷的大型系统都有。


历史研究


基于经典吸收式制冷机技术的太阳能吸收式制冷系统已经在其他地方进行了综述,相关的方面也被讨论过。这些综述论文集中于理论研究和对太阳能热驱动冷却系统(包括吸收、吸附和喷射冷却系统)的实验研究。此外,Infante Ferreira和Kim利用特定位置的数据(针对西班牙中部和荷兰)审查和讨论了各种类型的太阳能冷却技术(包括基于吸收式制冷机的系统)的技术和经济性能。此外,Shirazi et al.对这些冷却系统使用的太阳能集热器技术类型、集成以及系统的运行性能进行了描述和讨论。然而,这些评论忽略了商业上可获得的吸收式制冷机技术的现状,以及实验室和工业前的吸收式制冷机原型的发展集中在太阳能制冷应用上。因此,在这些方面的文献和吸收式制冷机技术的新进展方面存在空白。因此,本文介绍的这些技术有助于在空间冷却应用中有效和经济有效地使用太阳能资源。


系统描述


天然气或工业废热驱动吸收式制冷机通常部署在大型建筑物的空间冷却应用。然而,近年来,吸收式制冷机利用太阳能的潜力已在世界各地的几个示范项目中得到展示。典型的太阳能吸收式制冷系统(见图1)有四个主要部件:即太阳能集热器、吸收式制冷机、备用加热器和储热单元(如储热水箱)。



图1.太阳吸收式冷却系统的总体布局。注:CP =循环泵。


太阳热能收集器将入射太阳辐射转换成热量,这是转移到通过传热流体热能存储介质(通常是水或热油)流传使用循环泵(即图1中CP1),收集到的热驱动吸收式制冷机提供所需的冷却效果,它是由冷却水循环冷分布单元可以在最终用户(例如,风扇线圈)。从吸收式制冷机排出的热量(即驱动热量和最终用户热负荷的总和)通常通过一个冷却水循环通过冷却塔散发到大气中。由于太阳能的间歇性的性质,系统配备一个备用加热器和热能存储单元(图1)。这些单位需要太阳能冷却系统运作顺利通过提供停留时间在冷却太阳辐射变化(例如,由于云层)。它们对于具有缓慢启动时间和进入关闭时的稀释循环的吸收式制冷机尤为重要。对于系统的特定组件和操作策略,有许多影响系统性能和操作边界的因素。


风冷小容量制冷机


如果使用干式冷却塔,太阳能吸收式冷却系统将受益,因为需要的维护更少,运行成本更低,特别是在小容量范围内。


一种用于小规模应用的风冷小容量水/溴化锂制冷机(ASC)被开发,这引入了太阳能空间冷却的新概念。它包括三个主要components-flat板太阳能热收藏家,ASC,几种类型的室内冷却设备成为可能取代最典型的空间冷却系统用于住宅和小型商业建筑(也就是说,分裂空调系统通常是设计安装室内冷却设备和室外的电动蒸汽压缩冷却装置)。采用ASC的太阳能空间制冷系统(如图2所示)是一个基于模块化设计的独立系统,取代了电力驱动的分体式空调系统,2018年全球约有1.45亿部分体式空调系统。



图2.一种模块化的独立的小型太阳能空间冷却系统,由PURIX ApS (type A25s)开发并商业化。(a)室外装置:太阳能集热器和两个平板太阳能集热器;(b)室内机:风机盘管型式。注:ASC =风冷小容量水/溴化锂冷水机组。


此外,太阳能冷却系统与后备中央供暖系统(例如中央锅炉和区域供暖网络)相连,以确保在太阳辐射断断续续的情况下,全年都能向最终用户提供持续的空间冷却。该系统的模块化特点提供长期运行可靠性和方便安装。此外,设计的灵活性使各种室内冷却设备能够被纳入室内设计,以适应现有建筑和新建筑的建筑需求。这些室内冷却设备包括壁挂式风机盘管、盒式磁带、辐射天花板和悬挂/集成冷却梁(图2),根据设计要求,可用于单布置或多布置。


高效、紧凑的吸收式热泵


新一代的水/溴化锂吸收式热泵,new- ahp,由低温热驱动,由柏林工业大学(TU Berlin)与Vattenfall Europe和ZAE Bayern合作设计和开发。该新型ahp技术的开发始于2008年,通过对热力学设计、成本效益、制造工艺等各方面进行优化和案例研究,并于2012年至2017年进行了各种现场试验。这款冷水机技术的商用产品版本自2014年开始推出:型号为“Bee”(50kw) ;“大黄蜂”型(160kw) 和模型“大黄蜂”(500千瓦)最近出现在市场。该技术是为了满足对高能效的需求而开发的(热COP >低温驱动限热(60℃),高散热温度(45℃),高能量密度,尺寸紧凑。新的层次分析法将整机分为两个主要的独立模块(如图3“Bee”模型所示):高压容器(包含冷凝器和解吸器)和低压容器(包含吸收器、蒸发器、溶液热交换器和溶液泵)。



图3.W. Baelz & Sohn GmbH & Co.根据参考资料[26]设计的单效水/溴化锂吸收式热泵机组,型号为“Bee”,制冷量为50kw。注:ABS =吸收体;基础框架;反对=冷凝器;DES =解吸塔;伊娃=蒸发器;SHX =溶液热交换器;溶液泵。


在标称运行条件下,新的AHP提供冷水的供应/返回温度为16/21℃,热COP为0.8。驱动热水和冷却水进/出口温度分别为90/72℃(即温度下滑为18 K)和30/37℃(对于“蜜蜂”模型)或30/38℃(对于“大黄蜂”模型)。的创新的热交换器布局new-AHP机(即u型弯管)与稳定过程方面避免热桥使机器能够延长其温度限制热量放出50°C(约35 - 40°C在传统吸收式制冷机)具有良好的热力性能(优秀的警察在这些操作条件)。此外,与其他商用吸收式制冷机相比,新的AHP具有更紧凑的设计(“Bee”型为0.052 m3/kWcold,“大黄蜂”型为0.026 m3/kWcold),重量更轻(“Bee”型为15 kg/kWcold,“大黄蜂”型为10.94 kg/kWcold)。


新型ahp机器(“Bee”和“Bumblebee”)已经在约旦安装并在太阳能空间冷却应用的四个试点项目中进行了实地测试。这些设施展示了新的AHP机作为制冷机在极端条件下的干式冷却塔在炎热的气候(见图4)。冷却装置是由热水从复合抛物面太阳能收集器(总面积480平方米,388平方米,449平方米,140平方米,每个试验项目)。系统显示稳定和成功的操作在现场测试的电气和热警察30 kWhcold / kWhel和0.8 kWhcold / kWhdhs,分别与制冷机的90 - 100%。在控制策略中采用了体积流量控制方法,提高了系统的电气效率。


紧凑型吸收式制冷机


通常,水平管束热交换器是水/溴化锂吸收式制冷机(即吸收器、冷凝器、解吸器和蒸发器)的主要部件。此外,设计紧凑的水/溴化锂吸收式制冷机是一个挑战,因为水蒸气比体积大,需要较大的换热器表面积。在水/溴化锂吸收式制冷机技术中,传统的板式换热器(即在两流体流动侧具有相同的通道高度)的使用受到了高水蒸气比体积和换热器蒸汽通道中允许的低压降的阻碍。相比之下,在冷水机的外部热载体一侧(即驱动热水、冷却水和冷冻水),为了更好的传热,需要较小的尺寸。因此,常规PHEs不能用于冷水/溴化锂冷水机,因为通道高度需要不同。不同的通道高度可以在换热器的两侧创造最佳的换热条件(即蒸汽和液体两侧的最佳换热)。因此,EAW Energieanlagenbau GmbH和德国德累斯顿ILK公司专门设计了一种用于水/溴化锂吸收技术的新型非对称PHE。这种不对称PHE雕刻的图案可以改善板的润湿性和流动条件。在水/溴化锂冷水机组(特别是吸收器和蒸发器)组件的运行条件下,研究人员开发了具有优化通道高度的非对称PHEs,这是冷水机组的低压侧。这些PHEs可用于制造冷却能力高达400kw的吸收机。




图4.新型吸收式热泵机,new- ahp,在约旦的极端环境条件下作为太阳能空间制冷的制冷机运行。(a)驱动热量输入和冷却能力;(b)外部热载体流的温度。


EAW公司利用新开发的不对称PHEs开发了新一代单效水/溴化锂吸收式制冷机,如图5所示,并将其商业化。该公司目前的产品系列,型号WEGRACAL®Maral,包括标称容量为15 kW (Maral 1)、30 kW (Maral 2)和65 kW (Maral 3)的冷水机,在冷水供应/返回温度为9/15℃时,其热COP为0.75。在公称条件下,驱动热水和散热介质(水/乙二醇混合物(66%/34%)或水)的进/出口温度分别为86/71℃和27/32℃。这些冷却器使用75 - 95℃的低温热水来启动。具体的冷水机体积和运输重量(和运行重量)大约在0.062-0.101 m3/kWcold和20.9-30.0 kg/kWcold 范围内。这台冷水机的体积平均比使用管束热交换器的同等容量冷水机少40%。



图5.30 kW单效水/溴化锂吸收式制冷机,采用EAW Energieanlagenbau GmbH生产的非对称板式热交换技术。(a) WEGRACAL®Maral 2的内部视图;(b) WEGRACAL®Maral 2的外部视图。


结论


利用太阳能进行空间制冷是一种很有吸引力的绿色解决方案,可以减少电网的压力,特别是在高峰时段,同时减少化石燃料的消耗和相关的温室气体排放。使用太阳能冷却系统的另一个主要驱动因素是太阳能辐射和大多数建筑的空调需求的并发。太阳能吸收式冷却系统可以大大减少空间冷却需求对全球环境的不利影响。然而,市场上现有的大多数传统吸收式制冷机不能有效地利用太阳能资源,因为它们昂贵、笨重,并且为寄生负荷消耗大量电能。


近年来,具有独特技术特点的新型水/溴化锂吸收式制冷机在全球市场上出现。它们在本文中被描述和彻底地讨论。在这些新开发的冷水机中,有一款2.5千瓦的风冷小容量冷水机;采用非对称板式热交换器(15,30,65kw公称容量)设计的紧凑冷水机组;用于冷却和加热的高效紧凑吸收式热泵(额定冷却能力为50,160和500kw);单效双升式冷水机(40k及以上温度在驱动热下下滑);以及太阳能燃气单/双效吸收式制冷机。此外,还开发了使用典型的对称板式换热器的氨/铌吸收式制冷机的工业前和实验室原型,并在不同的操作条件下进行了测试。此外,使用R718涡轮压缩机增压吸收式冷水机组,水/溴化锂冷水机组能够适应极端操作条件(例如,高温排热温度,35℃)。这一概念的应用和测试使用了一台15千瓦的专门设计的水/溴化锂单效吸收式制冷机,该制冷机带有涡轮增压压缩助推器,显示了所需的操作灵活性。


此外,由于太阳能资源的间断性和白天(全年)冷却负荷的变化,吸收式制冷机如果要在全负荷和部分负荷运行中发挥最佳性能,就需要进行安全控制和运行。因此,基于外部热载体流体回路的变容流量的主动控制策略,主要用于排热,可以减少整个系统的寄生电力消耗(即更高的电气COP)。最后,使用这些新开发的具有先进控制策略的吸收式制冷机,可以帮助开发高效、成本效益高和强劲的太阳能热冷却解决方案,从而减轻未来全球对空间冷却需求的不可持续影响。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/12/4073/htm



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