吸收式制冷技术的前景与研究

引言
　　
　　能源与环境是现代经济与技术发展的基础与推动力。吸收式技术也是在能源与环境问题日益突出的情况下得以迅速发展。吸收式制冷机组，因为能够利用廉价能源和低品位热能解决电力供应不足、不含 CFC类对臭氧层有破坏的物质，而得到广泛的推广应用。
　　1973 年的中东石油危机，推动了能源利用技术的发展，使利用低品位热能的吸收式热泵技术、热电冷联产技术等吸收式冷热源设备的研究，进入了实用化的开发阶段。1987 年蒙特利尔协议签订后，由于吸收式制冷技术可采用对环境无破坏作用的天然制冷剂，它作为一种现实可行的替代制冷技术得到了进一步的发展。氨-水工质对也随之得到了科学界的重新认识和推广应用。在 20 世纪 90 年代，随着吸收式制冷机性能的显著提高，直燃型多效溴化锂吸收式制冷机、高效氨-水 GAX 循环吸收式制冷机，以及小型氨-水吸收式制冷机进入了商业化开发阶段。各种吸收式机组在余热利用、总能系统和区域集中供热（冷）方面得到了进一步推广应用。
　　
　　1 吸收式制冷技术的研究
　　
　　由于 20 世纪 70 年代世界性能源危机的影响，世界各国都十分重视吸收式制冷技术的研究。从 1982年开始，平均每两年就专门召开一次关于吸收式制冷技术的国际会议，这也加速了吸收式制冷技术的发展。目前，该技术的研究热点主要集中在新工质对的研究、吸收循环的研究、传热与传质的研究、智能化控制方式的研究等几方面。
　　1.1新工质对的研究
　　氨-水工质对在欧美广为使用，缺点是热效率低，且有毒性与爆炸性；溴化锂-水工质对的使用较为普遍，缺点是以水为制冷剂，不能制取 0℃以下的冷源，腐蚀性强，对设备真空度要求高。因此为提高吸收式制冷机的热效率，其途径之一是进行新工质对的研究。
　　目前国际上主要研究与开发的新型吸收式制冷工质对见表 1。在国内，2001 年，大连理工大学徐士鸣等人对 TFE-NMP 工质对进行了数值模拟研究；2003年，大连理工大学苏保国等人对 TFE-TEGDME 工质对进行了数值模拟研究；2006 年，北京科技大学的靳华栋等人对氨-硝酸锂工质对进行了研究。在国外，2004年，西班牙 M.Venegas 等 人对氨-硝酸锂工质对进行了数值模拟研究；2006 年，德国 E. C.Ihmels 和阿塞拜疆 J.T. Safarov 对甲醇-硝酸锂工质对进行了实验研究，2007 年，又对甲醇-碘化锂工质对进行了研究。
　　
　　1.2吸收循环的研究
　　双效溴化锂吸收式制冷机中，溶液的循环方式大致有串联、倒串联、并联、串并联四种。目前国外机组仍以串联流程为主。为提高溴化锂吸收式制冷机的热效率，达到节省能耗的目的，国外提出了三效、多效溴化锂吸收式制冷机的设想，并进行研制。这种多效机组提高循环热效率的方法，目前主要有两种：1）冷剂蒸汽凝结热的多次利用；2）利用冷剂蒸汽被溶液吸收时产生的吸收热。
　　为了充分发挥吸收式制冷系统的优势，目前世界各国正在积极研究各种新的吸收式制冷循环。其目的有两个：1）提高循环的性能系数，以降低能源的消耗；2）扩大其功能，以增加其应用范围。前者主要包括复叠循环、复合循环、GAX 循环及辅助循环等；后者主要有利用夜间电力的吸收-压缩循环、附有发电机的循环、常温热输送系统和浓度差蓄能系统等。
　　在国内，2005 年，天津大学马利蓉等人对复叠循环进行了理论研究；2006 年，大连理工大学夏梦心等人对采用氨水溶液的蓄能制冷与压缩制冷复合循环系统进行了数值模拟研究。在国外，2006 年，西班牙José Fernández-Seara 等人对吸收-压缩复叠循环进行了数值模拟研究；2007 年印度 A. Ramesh Kumar 等人对 GAX 循环进行了数值模拟研究。
　　1.3 传热与传质的研究
　　1.3.1 高效传热管的研究与开发
　　吸收式制冷机为热交换器的集合体，其热效率的提高与价格的降低无不与传热管的性能相关。高效传热管的采用，不仅增加了传热面积，更主要的是使溶液在管子表面形成涡流和对流，增强了扰动，有利于传热与传质。采用高效传热管后，不仅使机组的质量与体积大幅度减小，而且使机组溶液充注量降低，提高了起动、运转性能。2004 年，上海电力学院陈达卫等人对高效传热管进行了实验研究。
　　1.3.2 活性剂的研究
　　活性剂的作用是减少溶液在管子表面的张力，产生马拉各尼效应，增强传热效果。2005 年，我国大连海事大学高洪涛等人对几种界面活性剂进行了实验研究。2007 年，日本 Jin-Kyeong Kim 等人对氨-水吸收式制冷中的表面活性剂和微观粒子进行了实验研究。俄罗斯进行了氟化醇活性剂的试验研究，由于氟化醇与溴化锂水溶液的互溶性较好，因而起到了较好的增强传热的效果。然而迄今为止，人们对活性剂增强传热的作用机理尚未完全了解清楚。
　　1.3.3 吸收机理的研究
　　吸收器是吸收式制冷机中最关键的部件，因而国外一直注重吸收机理方面的研究，进行吸收器新设计方法的探讨，从传热传质的观点考虑传热面积与管排合理配置等。1997 年，日本 H. Daiguji 等人对溴化锂-水吸收式制冷的吸收机理进行了研究。
　　1.4 智能化控制方式的研究
　　控制方式的研究是使机组操作简便、稳定可靠运行的重要保证。国外在 20 世纪 80 年代后期实现了吸收式制冷机的智能化。目前国内大多数吸收式制冷机均装备了微机控制、屏幕显示、菜单提示、触摸屏操作的智能化控制系统。
　　
　　2吸收式制冷技术的应用
　　吸收式制冷与蒸汽压缩制冷的原理相同，都是利用液态制冷剂在低温、低压条件下，蒸发、汽化吸收载冷剂的热负荷，产生制冷效应。不同的是，吸收式制冷是利用制冷剂与吸收剂组成的二元溶液为工质对完成制冷循环的。可供考虑使用的制冷剂与吸收剂溶液很多，但较为常用的只有氨-水溶液、溴化锂-水溶液 2种。由于氨具有刺激性臭味，且氨水吸收式制冷机热效率低、体积庞大，故一般用于工业工艺过程。目前，应用最为广泛的就是溴化锂吸收式机组。吸收式制冷所需的驱动能源是热能，可以为蒸汽、燃料的燃烧热、热水、工业或生活余热、太阳能、地热能等。
　　随着吸收式制冷研究的发展、技术的不断进步与国家能源结构的调整，溴化锂吸收式机组的应用主要集中在热电冷联产、直燃型吸收式冷热水机组、蒸汽型吸收式冷水机组、热水型吸收式冷水机组、太阳能吸收式机组等方面。
　　2.1 热电冷联产
　　所谓热电冷联产是指照明或动力用电、生活用热水和冷暖空调用热能的联合供应。以柴油机、燃气轮机或燃气发动机驱动发电机组供给电力，并以回收发动机的排热供给热能，由排热驱动吸收式冷热水机组供给冷、热水，实现区域能量自给。燃气发动机驱动发电机组的热电冷联产系统工艺流程如图 1 所示。
　　
　　
　　热电冷联产作为综合、合理利用能源的一个途径，实现了热能的梯级利用，从而提高了一次能源的利用率，填补了热电机组夏季热负荷的低谷，确保了稳定的发电负荷率，在国内外已得到普遍推广。而且，发展热电冷联产技术已被列入我国的《节约能源法》。
　　2003 年，在广州大学城建设了首个以 10 万 kW级的燃气-蒸汽联合循环为基础的热电冷联产系统。2004 年，中国远大空调有限公司成功将 4 台吸收式制冷机应用于西班牙巴塞罗那第一届世界文化论坛垃圾厌氧消化热电冷联产系统中。目前，江苏双良空调设备股份有限公司与中国华电工程公司正联手共建具有世界级规模的热电冷联产系统—北京中关村国际商城，该系统采用 2 台 5000kW 燃气发电机组，并配有双良公司生产的 3 台 9300kW 蒸汽型溴化锂吸收式制冷机，可提供 27 900kW 的冷量。
　　2.2直燃型吸收式冷热水机组
　　随着西气东输、俄气南供、液化天然气进口、近海气登陆和煤层气的开发利用等，能源结构的调整、环保意识的增强，以及分布式能源系统的发展，我国已将快速发展天然气作为一项非常重要的能源政策。国家在燃气空调设备设计、使用、安装、消防、安全、质量等方面正在制定相适应的支持性法规。不少燃气发展城市正在进一步明确燃气空调的能源政策，并积极策划制定鼓励推广燃气空调的金融、财政、税收、环保、城市建设等措施。由于以天然气为能源的直燃型机组对环境的排尘量最小，所以在对环境要求高的场合使用更为适宜。
　　燃气吸收式冷热水机组在上海、京津地区都得到了较快发展。1994 年，上海煤气公司美华大楼内的 2台煤气直燃型溴化锂吸收式冷热水机组投入使用。2002 年，北京国际药械大厦的 2 台燃气型溴化锂吸收式冷热水机组投入使用。1998 年，天津天然气公司大楼的燃气吸收式机组在津率先投入使用，随后有十几座建筑相继使用。
　　2.3蒸汽型吸收式冷水机组
　　蒸汽型吸收式冷水机组的研究应用较早，目前已被广泛应用于空调系统。1986 年，铁路上海站主站屋的 3 台蒸汽型吸收式制冷机投入使用。1990 年，上海银河宾馆的 4 台蒸汽型吸收式冷水机组投入使用。1996 年，杭州中北大酒店的 2 台蒸汽型吸收式冷水机组投入使用。
　　2.4 热水型吸收式冷水机组
　　热水型吸收式冷水机组通常以工业余热、废热、地热热水、太阳能热水为热源。目前，热水型吸收式冷水机组技术已成熟，并被广泛应用于空调系统。1999 年，青岛黄金广场的 4 台热水型吸收式冷水机组投入使用。
　　2.5太阳能吸收式机组
　　在 20 世纪70 年代，世界性能源危机爆发，促使可再生能源利用技术以及低电耗、不破坏臭氧层的吸收式制冷技术得到较大发展。太阳能是地球上最大的可再生能源，是取之不尽、用之不竭的优质清洁能源。因此，以太阳能为能源的溴化锂吸收式制冷机，在节能、环保与可持续发展等方面无疑有着无可比拟的应用前景，同时也受到了更多关注。
　　1983 年，建立于科威特国防部办公楼的大型太阳能吸收式制冷系统投入使用。直到 1995 年，其运行状况依然良好。
　　中国科学院广州能源研究所于 1997 年为国家“九五”科技攻关项目“太阳能空调及供热示范系统”研制了 1 台 100kW 的两级吸收式制冷机，并成功地应用于太阳能系统中。
　　在广泛的研究热潮下，目前世界上尚没有实现一个真正商业化的可以与传统电动压缩式制冷系统进行竞争的太阳能吸收式机组系统。吸收式制冷机的 COP与压缩式系统相比偏低是其中原因之一，但真正的瓶颈在于太阳能集热系统成本的居高不下。
　　
　　3 结语
　　
　　吸收式制冷技术自 1777 年问世以来，在相当长一段时间内发展较慢。20 世纪 70 年代的石油危机和1984 年南极上空“臭氧空洞”的发现，使全世界都更加深刻地认识到节约能源与保护环境的重要性。由于吸收式制冷技术具有可采用对环境无破坏作用的天然制冷剂、有效缓解电网高峰负荷和可利用低品位热源等优点，随之得到了科学界的高度认识和推广应用，并取得了较快发展。在未来 20 年中，我国要走“能源消耗最少，环境污染最小”的发展道路，就必须实行“节能优先、结构多元、环境友好、市场推动”的可持续能源发展战略。推广应用吸收式制冷技术能有效地起到调整能源结构和保护环境的作用，所以，如果再从节能角度加大研发力度，吸收式制冷技术的前景会更加广阔。