Солнечное абсорбционное охлаждение или адсорбционное охлаждение — какая система более эффективна

1. Фундаментальное различие в принципах работы

Охлаждение с абсорбцией солнечной энергии основано на физико-химических отношениях растворения между жидким абсорбентом и хладагентом, которые управляют циклом. Хладагент растворяется в абсорбенте, образуя раствор, который затем нагревается в генераторе за счет солнечной тепловой энергии. Хладагент испаряется и отделяется, затем подвергается конденсации, расширению и испарению, вызывая охлаждение. Пары хладагента низкого давления впоследствии повторно поглощаются абсорбентом, завершая полный цикл. Весь процесс происходит непрерывно между жидкой и паровой фазами — это установившийся непрерывный цикл .

Солнечное адсорбционное охлаждение использует свойства физической адсорбции и термодесорбции твердого адсорбента для управления циклом. Адсорбент улавливает пары хладагента при низких температурах, оказывая охлаждающий эффект. Затем солнечная тепловая энергия нагревает адсорбент, вызывая десорбцию — пары хладагента высвобождаются, попадают в конденсатор и сжижаются для регенерации. Поскольку твердые адсорбенты не могут течь непрерывно, как жидкости, адсорбция и десорбция чередуются в одном и том же адсорбционном слое. Это прерывистый квазистатический цикл .

Это фундаментальное различие приводит к расхождению между двумя типами систем с точки зрения непрерывности работы, структуры оборудования и методологии управления.

2. Сравнение процессов термодинамического цикла

Четырехэтапный цикл охлаждения с абсорбцией солнечной энергии

Стандартный термодинамический цикл солнечной абсорбционной холодильной системы состоит из четырех основных процессов:

Поколение: Разбавленный раствор в генераторе нагревается горячей водой от солнечной энергии — обычно от 80°C до 100°C для одноступенчатых систем. Хладагент испаряется, а концентрация раствора повышается, образуя концентрированный раствор.

Конденсат: Пары хладагента с высокой температурой и высоким давлением попадают в конденсатор, отдают тепло охлаждающей воде или воздуху и сжижаются, образуя жидкий хладагент под высоким давлением.

Испарение: Жидкий хладагент проходит через расширительный клапан, падает под давлением и поступает в испаритель. В условиях низкого давления и низкой температуры он поглощает тепло и испаряется — это основная стадия, на которой система оказывает охлаждающий эффект.

Поглощение: Пары хладагента под низким давлением поступают в абсорбер, где поглощаются концентрированным раствором, одновременно отдавая тепло охлаждающей среде. Раствор повторно разбавляется, создается давление с помощью насоса для раствора и возвращается в генератор для завершения цикла.

В системах бромид лития-вода вода служит хладагентом, а бромид лития — абсорбентом. Цикл работает в условиях отрицательного давления с минимальной температурой охлаждения выше 0°C, что делает его хорошо подходящим для кондиционирования воздуха. В системах аммиак-вода в качестве хладагента используется аммиак, и они могут достигать отрицательных температур охлаждения, предлагая более широкий диапазон применения, хотя и за счет более высокого рабочего давления в системе и более строгих требований к уплотнению.

Двухслойный переменный цикл солнечного адсорбционного охлаждения

В стандартной адсорбционной холодильной системе используются два адсорбционных слоя, работающих попеременно для обеспечения почти непрерывной мощности охлаждения:

Фаза адсорбционного охлаждения: Один адсорбционный слой поддерживается при низкой температуре. Твердый адсорбент — обычно силикагель — непрерывно адсорбирует пары хладагента из испарителя. Хладагент испаряется при низком давлении и низкой температуре внутри испарителя, поглощая тепло и производя охлаждение.

Фаза нагрева-десорбции: Солнечная горячая вода нагревает насыщенный адсорбционный слой. По мере повышения температуры адсорбента большие количества паров хладагента десорбируются и попадают в конденсатор, где они сжижаются. Затем жидкий хладагент расширяется и возвращается в испаритель, подготавливая систему к следующему циклу адсорбции.

Процесс рекуперации тепла: Высокопроизводительные адсорбционные системы включают в себя регенератор тепла, который обменивает тепловую энергию между высокотемпературным слоем, подвергающимся десорбции, и низкотемпературным слоем в фазе адсорбции. Это снижает общие требования к тепловложению и повышает КПД. Проектирование рекуперации тепла является одной из ключевых стратегий оптимизации эффективности адсорбционных холодильных систем.

Интервал переключения между двумя чередующимися слоями обычно составляет от нескольких минут до нескольких десятков минут. Мощность охлаждения в некоторой степени колеблется во время переключения — отличительная эксплуатационная характеристика, которая отличает адсорбционные системы от систем абсорбции с непрерывным циклом.

3. Температура движения и подбор солнечного коллектора

Температура движущего источника тепла является одним из наиболее важных параметров при выборе системы кондиционирования воздуха с солнечным тепловым приводом.

Охлаждение с абсорбцией солнечной энергии требует относительно более высокой рабочей температуры. Минимальная рабочая температура для однокорпусного охладителя на основе бромида лития составляет примерно от 75°C до 80°C, тогда как для агрегатов с двойным эффектом требуется 150°C или выше. Для стабильной работы обычно требуются вакуумные трубчатые коллекторы или концентрирующие коллекторы, такие как составные параболические концентраторы (CPC). Более высокие температуры вождения повышают давление испарения в генераторе и повышают эффективность цикла. Системы с двойным эффектом достигают КПД от 1,0 до 1,2, что значительно выше, чем у систем с одним эффектом, от 0,6 до 0,8.

Солнечное адсорбционное охлаждение работает в более низком диапазоне рабочих температур. Рабочая пара силикагель-вода эффективно работает при температуре от 60°C до 85°C, что напрямую соответствует диапазону рабочих температур плоских солнечных коллекторов — оборудование для сбора при высоких температурах не требуется. Эта характеристика придает адсорбционным системам большую адаптируемость в регионах с умеренной освещенностью или во время зимней эксплуатации. Рабочая пара цеолит-вода требует немного более высокой температуры возбуждения (от 100°C до 200°C), но обеспечивает более полную десорбцию, что делает ее подходящей для применений с источниками тепла более высокого качества. Рабочая пара активированный уголь-метанол может работать при температурах от 50°C до 80°C, хотя токсичность и воспламеняемость метанола накладывают более строгие требования к герметизации и безопасности конструкции.

4. КПД системы и показатели энергоэффективности

При эквивалентных условиях сбора солнечной энергии два типа систем демонстрируют измеримые различия в энергетической эффективности.

Абсорбционные охладители на основе бромида лития однокорпусного действия обычно достигают теплового КПД от 0,6 до 0,8, тогда как агрегаты с двойным эффектом могут превышать 1,0. Однако системы двойного действия требуют значительно больших коллекторных решеток и более высоких инвестиций в вспомогательное оборудование. Общий КПД солнечной энергии, учитывающий эффективность коллектора, находится в диапазоне от 0,3 до 0,5.

Системы адсорбции силикагель-вода обычно обеспечивают термический КПД от 0,4 до 0,6, что ниже, чем у абсорбционных систем. Однако, поскольку они совместимы с низкотемпературными плоскими коллекторами, эффективность коллектора относительно высока, а общее использование солнечной энергии сравнимо с системами одноэффектного поглощения. Внедрение современных адсорбирующих материалов, в том числе цеолита AQSOA и материалов с металлоорганическим каркасом (MOF), постепенно сокращает разрыв в COP. Некоторые лабораторные результаты с этими материалами уже превысили 0,8.

5. Структура системы и характеристики обслуживания

Холодильные системы с абсорбцией солнечной энергии состоят из нескольких компонентов, включая насос для раствора, генератор, абсорбер, конденсатор, испаритель и теплообменник. Архитектура системы относительно сложна, предъявляются строгие требования к чистоте рабочей жидкости и герметичности системы. Раствор бромида лития несет в себе риск кристаллизации и коррозии при высоких температурах или при контакте с воздухом, что требует периодического контроля концентрации и пополнения ингибитора коррозии. Для технического обслуживания требуется квалифицированный технический персонал.

Солнечные адсорбционные холодильные системы построены на основе твердых адсорбционных слоев в качестве основных компонентов. Контур перекачки жидкой рабочей жидкости отсутствует, а система не содержит движущихся частей, кроме вентиляторов охлаждения. В результате получается структурно простая, механически надежная система с низким уровнем отказов и минимальной нагрузкой на техническое обслуживание. Компромисс заключается в том, что объем адсорбционного слоя относительно велик — вес и занимаемая площадь системы обычно больше, чем у абсорбционных установок эквивалентной холодопроизводительности. Ограничения по пространству должны быть тщательно оценены на этапе планирования проекта.

6. Сценарии применения и варианты инженерного использования

Солнечные абсорбционные охладители на основе бромида лития хорошо зарекомендовали себя в крупных коммерческих зданиях, гостиницах, больницах и промышленных объектах. Коммерчески доступные продукты имеют холодопроизводительность от десятков киловатт до нескольких мегаватт. В сочетании с централизованными полями солнечных коллекторов эти системы могут обеспечить охлаждение в масштабе района и в настоящее время представляют собой доминирующую технологию в проектах централизованного солнечного холодоснабжения.

Кондиционеры с солнечной адсорбцией лучше подходят для небольших и средних зданий, приложений распределенного охлаждения и случаев использования, в которых приоритетом является надежность системы и низкие эксплуатационные расходы, например, базовые станции телекоммуникаций и медицинские учреждения в автономных местах. Поскольку характеристики адсорбентного материала продолжают улучшаться, а стоимость системы снижается, конкурентоспособность систем кондиционирования воздуха с солнечной адсорбцией в жилых и небольших коммерческих помещениях неуклонно растет.

Технологии солнечного поглощения и солнечного адсорбционного охлаждения занимают разные и взаимодополняющие позиции на более широком рынке солнечных кондиционеров. Выбор между ними в конечном итоге определяется качеством доступных солнечных ресурсов, масштабом нагрузки на здание, космическими условиями и общей структурой затрат жизненного цикла каждого конкретного проекта.