太陽能煙囪制冷系統(tǒng)的研究

肖庭庭　李征濤

摘要：

通過分析制冷系統(tǒng)和太陽能煙囪熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)和特點，提出了太陽能煙囪制冷系統(tǒng).將太陽能煙囪系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行制冷，可實現(xiàn)制冷不用電.該系統(tǒng)由煙囪、集熱棚、蓄熱層、渦輪機、開啟式制冷壓縮機、冷凝器和變速器等組成.介紹了太陽能煙囪制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、工作原理以及系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的計算方法.分析結(jié)果表明，太陽能煙囪制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行維護(hù)方便，制冷不用電，無污染，具有良好的環(huán)境效應(yīng)，可根據(jù)環(huán)境溫度改變壓縮機運行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供冷負(fù)荷，能有效解決熱帶及沙漠地區(qū)的供冷及供電問題.

關(guān)鍵詞：

太陽能煙囪系統(tǒng)； 制冷系統(tǒng)； 系統(tǒng)參數(shù)

中圖分類號： TB 61+5； TK 514文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：

By analyzing the technical features of solar hot air chimney generating electricity and refrigeration system，a solar chimney refrigeration system combining with them to provide cooling water without electricity was proposed.It is made up of chimney，heat collector，heat storage layer，turbine，opentype compressor，condenser，and transmission.The operation principles，structure characteristics and geometric theory of this refrigeration system were formulated and analyzed，and the calculation formulae for refrigeration performance parameters and size of chimney and heat collector were deduced preliminarily basing on rated cooling capacity.The analysis results show that this mechanism is of simple structure，easy operation and maintenance，refrigerating without electricity，no pollution and has good environmental effect.It can change the speed of the compressor to regulate cooling load according to the ambient temperature，besides，it can effectively solve the problem of cooling and power supply in tropical and desert regions.

Keywords：

solar chimney； refrigeration system； system parameters

在壓縮式制冷系統(tǒng)中，壓縮機依靠電源供電，使制冷劑在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán).為使系統(tǒng)熱量能夠在冷凝器內(nèi)有效釋放，在冷凝器側(cè)安裝了電機和葉片.電機供電后，葉片強制環(huán)境空氣流過冷凝器進(jìn)行換熱，空氣帶走制冷系統(tǒng)的熱量，實現(xiàn)制冷.制冷系統(tǒng)耗電量大，在炎熱的夏季易產(chǎn)生用電高峰，造成供電緊張.因此，研究各類低耗電量或不用電的制冷系統(tǒng)，具有重大現(xiàn)實意義.

由于具有不依賴電力、不使用氟利昂作制冷劑、季節(jié)適應(yīng)性好、無運動部件、可利用余熱廢熱等優(yōu)點，吸收式制冷系統(tǒng)在中央空調(diào)中得到廣泛應(yīng)用.但該系統(tǒng)節(jié)電不節(jié)能，能效低，能耗大，機組笨重且價格無優(yōu)勢，所以，吸收式制冷系統(tǒng)的發(fā)展也受到了一定的限制[1-3].相對于太陽能吸收式制冷系統(tǒng)，太陽能光伏制冷系統(tǒng)具有制冷效果好、能量利用率高及自身損失低等優(yōu)點，尤其是近年來隨著光伏電池產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展以及光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，太陽能光伏制冷顯示出了強勁的發(fā)展勢頭.但光伏電池板和電能儲存裝置鉛酸蓄電池在制造過程中耗能及污染都很大，且工作壽命短，不易維護(hù)，光伏轉(zhuǎn)化效率仍然不高，光伏電池板也容易受自然因素的影響，同時成本的居高不下也大大限制了太陽能光伏制冷系統(tǒng)的發(fā)展[4-5].

為此，提出了太陽能煙囪制冷系統(tǒng)，利用流過制冷系統(tǒng)冷凝器的高速太陽能煙囪熱氣流帶走冷凝熱，并驅(qū)動制冷系統(tǒng)壓縮機進(jìn)行制冷.該系統(tǒng)利用可再生的太陽能作為驅(qū)動能源，可不使用電能.

1結(jié)構(gòu)特點

太陽能煙囪制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.它由煙囪系統(tǒng)、渦輪機系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)組成.

煙囪系統(tǒng)主要包括煙囪、集熱棚、支架及蓄熱層等.煙囪通常采用玻璃纖維材質(zhì)包覆木質(zhì)豎直框架制成；集熱棚用金屬支架支撐，其上鋪蓋玻璃、薄膜等透明或半透明材料；蓄熱層一般采用砂石或土壤制成.渦輪機系統(tǒng)包括渦輪機、傳動軸及變速器等.渦輪機安裝在煙囪底部入口處，主要作用是將熱氣流動能轉(zhuǎn)化為機械能，并通過變速器驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)；變速器安裝在渦輪機和壓縮機之間，用以調(diào)節(jié)壓縮機運轉(zhuǎn)速度.制冷系統(tǒng)主要包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、儲液罐、氣液分離器及連接管等.壓縮機為開啟式制冷壓縮機，安裝在渦輪機下方；冷凝器按平鋪方式安裝在壓縮機下方；蒸發(fā)器采用管殼式換熱器，通過該蒸發(fā)器向外界提供冷媒水.

2工作原理

太陽能煙囪制冷系統(tǒng)的基本原理是利用溫室效應(yīng)、煙囪效應(yīng)、風(fēng)力渦輪機技術(shù)和制冷技術(shù).太陽輻射透過集熱棚透明材料使蓄熱層和空氣的溫度升高，同時蓄熱層也參與加熱集熱棚中的空氣，使其密度小于集熱棚外相同高度處的大氣密度，從而和環(huán)境形成密度差.棚中央的煙囪起負(fù)壓管的作用，加大了系統(tǒng)內(nèi)外的壓力差，形成強烈的上升氣流.當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部空氣以一定的速度進(jìn)入煙囪入口時，熱氣流驅(qū)動設(shè)置在煙囪底部的渦輪機轉(zhuǎn)動，從而推動壓縮機運轉(zhuǎn)進(jìn)行制冷[6].熱氣流一方面驅(qū)動渦輪機轉(zhuǎn)動，另一方面也通過流經(jīng)冷凝器帶走制冷系統(tǒng)的冷凝熱.反過來，冷凝器加熱了熱氣流，對驅(qū)動渦輪機轉(zhuǎn)動起到促進(jìn)作用.

2.1煙囪系統(tǒng)

太陽能煙囪系統(tǒng)主要是將太陽能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)能，再轉(zhuǎn)化為動能.其運行原理為集熱棚構(gòu)成了一個巨大的溫室，空氣在其內(nèi)部受熱產(chǎn)生密度差，在重力和煙囪負(fù)壓的作用下產(chǎn)生上升的熱氣流.此外，蓄熱層在白天存儲的太陽能，可用于夜間加熱空氣，以保證煙囪系統(tǒng)在夜間也能產(chǎn)生上升氣流驅(qū)動制冷系統(tǒng)進(jìn)行制冷.

2.2渦輪機系統(tǒng)

渦輪機安裝在煙囪底部壓力梯度變化最大處，由系統(tǒng)內(nèi)部空氣進(jìn)入煙囪時形成的強烈上升氣流推動，將空氣流的動能部分轉(zhuǎn)變?yōu)闇u輪機的轉(zhuǎn)動機械能，通過變速器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速最終驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)進(jìn)行制冷.

當(dāng)太陽輻射較低、環(huán)境溫度低時，所需冷量較少，此時，渦輪機入口空氣流速度也低.為保證渦輪機能正常驅(qū)動壓縮機，變速器需同步降低壓縮機轉(zhuǎn)速，減小壓縮機輸入功率，減小冷量輸出.反之，當(dāng)太陽輻射較強時，所需冷量較多，此時渦輪機能提供壓縮機較多功率，通過變速器提高壓縮機轉(zhuǎn)速，增大冷量輸出.

2.3制冷系統(tǒng)

在渦輪機的驅(qū)動下，制冷系統(tǒng)在蒸發(fā)器處吸收熱量，在冷凝器處釋放熱量，從而通過蒸發(fā)器向外提供冷媒水，實現(xiàn)制冷.所采用的開啟式制冷壓縮機直接由渦輪機通過變速器進(jìn)行驅(qū)動.由于原動機與制冷劑和潤滑油不直接接觸，原動機不必滿足耐制冷劑和耐油的要求，因而該系統(tǒng)可采用氨制冷劑.該系統(tǒng)易拆卸，方便維修，但由于其密封性能較差，制冷劑易通過支承軸承向外泄漏，因此必須有軸封裝置[7].冷凝器為風(fēng)冷式換熱器，由于只作冷凝器使用，更適合采用結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的微通道換熱器.為保證系統(tǒng)的正常運行，在壓縮機進(jìn)、出口處加裝氣液分離器和油分離器.此外，在冷凝器出口加裝儲液器.

3系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計算

對太陽能煙囪制冷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，首先要確定供冷負(fù)荷（額定制冷量），并由此計算渦輪機輸入制冷系統(tǒng)的功率，再根據(jù)渦輪機輸出功率對集熱棚和煙囪進(jìn)行設(shè)計，從而評估經(jīng)濟(jì)效益，確定設(shè)計方案.計算中假設(shè)：① 煙囪內(nèi)不存在渦輪機；② 不考慮煙囪內(nèi)空氣在流動過程中產(chǎn)生的摩擦且煙囪壁面絕熱；③ 系統(tǒng)內(nèi)的氣體近似為不可壓縮流體.

3.1制冷系統(tǒng)性能參數(shù)[8]

假設(shè)制冷系統(tǒng)額定制冷量為Q0，制冷劑采用R134a.制冷循環(huán)的壓焓圖如圖2所示，其中：h為焓；p為壓力；點1、2分別對應(yīng)壓縮機吸氣口、排氣口狀態(tài)；點3對應(yīng)冷凝器出口狀態(tài)；點4對應(yīng)蒸發(fā)器進(jìn)口狀態(tài)；點2s為等熵壓縮過程的終點.

由采光面積Acoll即可計算集熱棚直徑.根據(jù)陳偉華[11]的研究，在特定規(guī)模下，煙囪高度決定了系統(tǒng)的最大抽力.集熱棚高度有一個最佳值，當(dāng)離地高度大于該最佳值時，系統(tǒng)不能提供足夠的內(nèi)外壓力差，多余的空氣受熱后形成不規(guī)則旋流，從入口處流出，帶走部分熱量，使系統(tǒng)效率降低.

4優(yōu)勢與不足分析

太陽能煙囪制冷系統(tǒng)無需消耗電能但可實現(xiàn)制冷.相比于傳統(tǒng)的電驅(qū)動式、吸收式和太陽能光伏制冷系統(tǒng)，具有明顯的優(yōu)勢.不過，該制冷系統(tǒng)也存在一些本質(zhì)上的不足.

4.1優(yōu)勢

（1） 設(shè)備簡單，制冷不用電，運行成本低.太陽能煙囪制冷系統(tǒng)制冷不用電，其冷凝器也是采用高速熱氣流進(jìn)行換熱，所以運行成本較低.

（2） 轉(zhuǎn)化效率高.制冷系統(tǒng)直接利用渦輪機機械能驅(qū)動壓縮機進(jìn)行制冷，減少了渦輪機機械能轉(zhuǎn)換為電能，輸送后轉(zhuǎn)換為機械能，再驅(qū)動壓縮機進(jìn)行制冷等中間環(huán)節(jié)，所以系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高.

（3） 太陽能存儲方便，夜間可制冷.蓄熱層在白天存儲了太陽能，在夜間加熱集熱棚內(nèi)的空氣，保證了系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定供冷，降低了對太陽光照變化的依賴性.

（4） 可有效解決熱帶及沙漠地區(qū)的供冷及供電問題，如中東地區(qū)、非洲的赤道地區(qū)等.將系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后，利用渦輪機一部分機械能驅(qū)動發(fā)電機，則該系統(tǒng)既能供冷，又能供電.

（5） 該制冷系統(tǒng)以太陽輻射為動力源，空氣為驅(qū)動工質(zhì)，不會產(chǎn)生氮、硫氧化物等化石能源所帶來的污染氣體，也不會產(chǎn)生二氧化碳、甲烷等溫室效應(yīng)氣體，無任何環(huán)境污染，具有良好的環(huán)境效應(yīng).

4.2不足之處

（1） 規(guī)模大，前期投資成本高.由于太陽能轉(zhuǎn)換為機械能的效率不高，使得所需的土地面積相當(dāng)大，對應(yīng)的集熱棚和煙囪規(guī)模也要很大，所以導(dǎo)致投資成本很高；

（2） 冷凝溫度高，對制冷效果影響大.冷凝器安裝在煙囪底部入口處，所處環(huán)境溫度很高，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)的冷凝溫度高，所以冷凝器的安裝位置有待進(jìn)一步研究.

5結(jié)論

提出了太陽能煙囪制冷系統(tǒng)，將太陽能煙囪與制冷系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行制冷，實現(xiàn)制冷不用電.介紹了該制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、工作原理以及系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的計算方法.分析結(jié)果表明，太陽能煙囪制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制冷不用電，運行成本低，能有效解決熱帶及沙漠地區(qū)的供冷及供電問題，無污染，具有良好的環(huán)境效應(yīng).總體上看，太陽能煙囪制冷系統(tǒng)在解決能源短缺和環(huán)境問題等方面，具有良好的應(yīng)用前景，但其商業(yè)化尚需在今后的實踐中進(jìn)一步探索和研究.

參考文獻(xiàn)：

[1]王永剛，鐘水庫.太陽能溴化鋰吸收式制冷技術(shù)的研究進(jìn)展[J].能源研究與信息，2009，25（3）：160-166.

[2]張寶懷，陳亞平，施明恒.雙效氨水吸收式制冷循環(huán)的性能[J].化工學(xué)報，2007，58（4）：829-834.

[3]萬忠民，杜健嶸，舒水明，等.新型太陽能降壓吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)特性的理論分析[J].制冷學(xué)報，2007，28（1）：49-53.

[4]劉忠寶，楊雙，劉挺.太陽能光伏直流蓄冷冰箱系統(tǒng)的實驗研究[J].太陽能學(xué)報，2012，33（5）：795-801.

[5]劉群生，付鑫，張鵬，等.太陽能光伏直流冰箱系統(tǒng)性能研究[J].太陽能學(xué)報，2007，28（2）：184-188.

[6]陳靜.太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[7]吳業(yè)正，李紅旗，張華.制冷壓縮機[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[8]楊宇飛，袁衛(wèi)星.光伏直接驅(qū)動的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)仿真[J].太陽能學(xué)報，2012，33（9）：1553-1559.

[9]田艷榮，李義科，楊燕，等.太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)塔囪高度直徑的設(shè)計計算[J].內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報，2011，30（1）：66-69.

[10]葛新石，葉宏.太陽煙囪發(fā)電系統(tǒng)及其固有的熱力學(xué)不完善性分析[J].太陽能學(xué)報，2004，25（2）：263-268.

[11]陳偉華.太陽能煙囪熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化模擬研究[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2013.