În cadrul tehnologiei de climatizare solară termică, refrigerarea cu absorbție și refrigerarea prin adsorbție reprezintă două căi paralele de dezvoltare. Ambele folosesc energia termică generată de colectoarele solare ca sursă de antrenare, dar diferă fundamental în mecanica ciclului termodinamic, selecția fluidului de lucru, arhitectura sistemului și caracteristicile operaționale. Înțelegerea acestor diferențe este o condiție prealabilă esențială pentru selecția și proiectarea sistemului de inginerie.
1. Diferența fundamentală în principiile de lucru
Refrigerarea cu absorbție solară se bazează pe relația fizico-chimică de dizolvare dintre un absorbant lichid și un agent frigorific pentru a conduce ciclul. Agentul frigorific se dizolvă în absorbant pentru a forma o soluție, care este apoi încălzită în generator prin energia termică solară. Agentul frigorific se evaporă și se separă, apoi este supus condensului, expansiunii și evaporării pentru a produce răcire. Vaporii de agent frigorific de joasă presiune sunt ulterior reabsorbiți de absorbant, completând un ciclu complet. Întregul proces are loc continuu între fazele lichide și de vapori - aceasta este a ciclu continuu în regim de echilibru .
Refrigerarea cu adsorbție solară utilizează proprietățile fizice de adsorbție și desorbție termică ale unui adsorbant solid pentru a conduce ciclul. Adsorbantul captează vaporii de agent frigorific la temperaturi scăzute, producând un efect de răcire. Energia termică solară încălzește apoi adsorbantul, provocând desorbție - vaporii de agent frigorific sunt eliberați, intră în condensator și se lichefiază pentru regenerare. Deoarece adsorbanții solizi nu pot curge continuu așa cum fac lichidele, adsorbția și desorbția alternează în același pat de adsorbție. Acesta este un ciclu cvasistatic intermitent .
Această distincție fundamentală conduce la diferența dintre cele două tipuri de sisteme în ceea ce privește continuitatea operațională, structura echipamentelor și metodologia de control.
2. Comparația proceselor ciclului termodinamic
Ciclul în patru etape de refrigerare cu absorbție solară
Ciclul termodinamic standard al unui sistem de refrigerare cu absorbție solară constă din patru procese de bază:
Generație: Soluția diluată din generator este încălzită cu apă caldă solară - de obicei, în jur de 80 ° C până la 100 ° C pentru sistemele cu un singur efect. Agentul frigorific se evaporă, iar concentrația soluției crește pentru a forma o soluție concentrată.
Condens: Vaporii de agent frigorific la temperatură înaltă și de înaltă presiune intră în condensator, eliberează căldură în apa de răcire sau în aer și se lichefiază în agent frigorific lichid de înaltă presiune.
Evaporare: Agentul frigorific lichid trece printr-o supapă de expansiune, scade presiunea și intră în evaporator. În condiții de presiune scăzută și temperatură scăzută, absoarbe căldura și se evaporă - aceasta este etapa centrală în care sistemul își produce efectul de răcire.
Absorbție: Vaporii de agent frigorific de joasă presiune intră în absorbant, unde sunt absorbiți de soluția concentrată, eliberând simultan căldură într-un mediu de răcire. Soluția este re-diluată, presurizată de pompa de soluție și returnată la generator pentru a finaliza ciclul.
În sistemele cu bromură de litiu-apă, apa servește ca agent frigorific și bromura de litiu ca absorbant. Ciclul funcționează în condiții de presiune negativă, cu o temperatură minimă de răcire peste 0°C, făcându-l bine potrivit pentru funcționarea aerului condiționat. Sistemele de amoniac-apă folosesc amoniacul ca agent frigorific și pot atinge temperaturi de răcire sub zero, oferind o gamă mai largă de aplicații - deși cu prețul unor presiuni mai mari de funcționare a sistemului și al cerințelor de etanșare mai stricte.
Ciclul alternativ cu două paturi de refrigerare cu adsorbție solară
Un sistem de refrigerare cu adsorbție standard utilizează două paturi de adsorbție care funcționează alternativ pentru a furniza o putere de răcire aproape continuă:
Faza de adsorbție-răcire: Un pat de adsorbție este menținut la temperatură scăzută. Adsorbantul solid - de obicei silicagel - absoarbe continuu vaporii de agent frigorific din evaporator. Agentul frigorific se evaporă în condiții de joasă presiune și temperatură scăzută în interiorul evaporatorului, absorbind căldură și producând răcire.
Faza de incalzire-desorbtie: Apa caldă solară încălzește patul saturat de adsorbție. Pe măsură ce temperatura adsorbantului crește, cantități mari de vapori de agent frigorific sunt desorbite și eliberate în condensator, unde se lichefiază. Agentul frigorific lichid este apoi expandat și returnat în evaporator, pregătind sistemul pentru următorul ciclu de adsorbție.
Proces de recuperare a căldurii: Sistemele de adsorbție de înaltă performanță încorporează un regenerator de căldură care schimbă energie termică între patul de temperatură înaltă aflat în desorbție și patul de temperatură joasă în faza de adsorbție. Acest lucru reduce cerințele generale de aport de căldură și îmbunătățește COP. Proiectarea de recuperare a căldurii este una dintre strategiile cheie de optimizare a eficienței în sistemele frigorifice cu adsorbție.
Intervalul de comutare dintre cele două paturi alternative este de obicei între câteva minute și câteva zeci de minute. Ieșirea de răcire prezintă un grad de fluctuație în timpul comutării - o caracteristică operațională distinctivă care distinge sistemele de adsorbție de ciclul continuu al sistemelor de absorbție.
3. Potrivirea temperaturii de conducere și a colectorului solar
Temperatura de antrenare a sursei de căldură este unul dintre cei mai critici parametri în selecția sistemului de aer condiționat solar.
Refrigerarea cu absorbție solară necesită o temperatură de rulare relativ mai ridicată. Temperatura minimă de rulare pentru un răcitor cu bromură de litiu cu efect unic este de aproximativ 75°C până la 80°C, în timp ce unitățile cu efect dublu necesită 150°C sau mai mult. Funcționarea stabilă necesită de obicei colectoare cu tuburi evacuate sau colectoare de concentrare, cum ar fi concentratoarele parabolice compuse (CPC). Temperaturile mai ridicate de conducere cresc presiunea de evaporare în generator și îmbunătățesc eficiența ciclului. Sistemele cu efect dublu realizează un COP de 1,0 până la 1,2, semnificativ mai mare decât sistemele cu efect unic la 0,6 până la 0,8.
Refrigerarea cu adsorbție solară funcționează într-un interval mai scăzut de temperatură de rulare. Perechea de lucru silicagel-apă funcționează eficient la 60°C până la 85°C, potrivindu-se direct cu intervalul de temperatură de funcționare a colectoarelor solare cu plăci plate - nu este necesar niciun echipament de colectare la temperatură înaltă. Această caracteristică conferă sistemelor de adsorbție o adaptabilitate mai puternică în regiunile cu iradiere moderată sau în timpul funcționării de iarnă. Perechea de lucru zeolit-apă necesită o temperatură de antrenare puțin mai mare de 100°C până la 200°C, dar realizează o desorbție mai completă, făcându-l potrivit pentru aplicații de calitate superioară a surselor de căldură. Perechea de lucru cărbune activat-metanol poate fi condusă la temperaturi de până la 50°C până la 80°C, deși toxicitatea și inflamabilitatea metanolului impun cerințe de proiectare de etanșare și siguranță mai exigente.
4. COP al sistemului și performanța eficienței energetice
În condiții echivalente de colectare solară, cele două tipuri de sisteme prezintă diferențe măsurabile în performanța energetică.
Răcitoarele cu absorbție de bromură de litiu cu efect unic realizează de obicei un COP termic de 0,6 până la 0,8, în timp ce unitățile cu efect dublu pot depăși 1,0. Cu toate acestea, sistemele cu efect dublu necesită rețele de colectoare semnificativ mai mari și investiții mai mari în echipamente auxiliare. COP-ul total solar - care ține cont de eficiența colectorului - se încadrează în intervalul de la 0,3 la 0,5.
Sistemele de adsorbție cu silicagel-apă oferă de obicei un COP termic de 0,4 până la 0,6, mai mic decât sistemele de absorbție. Deoarece sunt compatibile cu colectoarele plate cu temperatură scăzută, totuși, eficiența colectorului este relativ ridicată, iar utilizarea generală a energiei solare este comparabilă cu sistemele de absorbție cu un singur efect. Introducerea materialelor adsorbante avansate - inclusiv zeolitul AQSOA și materialele cadru metal-organic (MOF) - închide progresiv decalajul COP. Unele rezultate de laborator cu aceste materiale au depășit deja 0,8.
5. Structura sistemului și caracteristicile de întreținere
Sistemele de refrigerare cu absorbție solară încorporează mai multe componente, inclusiv o pompă de soluție, un generator, un absorbant, un condensator, un evaporator și un schimbător de căldură. Arhitectura sistemului este relativ complexă, cu cerințe stricte pentru puritatea fluidului de lucru și etanșeitatea sistemului. Soluția de bromură de litiu prezintă un risc de cristalizare și coroziune la temperaturi ridicate sau la contactul cu aerul, necesitând monitorizarea periodică a concentrației și completarea cu inhibitor de coroziune. Întreținerea necesită personal tehnic calificat.
Sistemele de refrigerare cu adsorbție solară sunt construite în jurul unor paturi solide de adsorbție ca componente de bază. Nu există circuit de pompare a fluidului de lucru lichid, iar sistemul nu conține piese mobile în afară de ventilatoarele de răcire. Acest lucru are ca rezultat un sistem simplu din punct de vedere structural, fiabil din punct de vedere mecanic, cu rate scăzute de defecțiuni și volum minim de lucru de întreținere. Compensația este că volumul patului de adsorbție este relativ mare - greutatea sistemului și amprenta la sol sunt de obicei mai mari decât unitățile de absorbție cu capacitate de răcire echivalentă. Constrângerile de spațiu trebuie evaluate cu atenție în etapa de planificare a proiectului.
6. Scenarii de aplicare și cazuri de utilizare în inginerie
Răcitoarele solare cu absorbție cu bromură de litiu au un istoric stabilit în clădiri comerciale mari, hoteluri, spitale și unități industriale. Produsele disponibile comercial acoperă capacități de răcire de la zeci de kilowați la câțiva megawați. Combinate cu câmpuri de colectoare solare centralizate, aceste sisteme pot furniza o aprovizionare de răcire la scară districtuală și reprezintă în prezent tehnologia dominantă în proiectele de răcire solară districtuală.
Aparatele de aer condiționat cu adsorbție solară sunt mai potrivite pentru clădirile la scară mică și medie, aplicațiile de răcire distribuită și cazurile de utilizare care acordă prioritate fiabilității sistemului și întreținerii reduse - cum ar fi stațiile de bază de telecomunicații și unitățile medicale din locații în afara rețelei. Pe măsură ce performanța materialului adsorbant continuă să avanseze și costurile sistemului scad, competitivitatea aerului condiționat cu adsorbție solară în aplicații rezidențiale și comerciale mici crește constant.
Atât tehnologiile de răcire cu absorbție solară, cât și cu absorbție solară ocupă poziții distincte și complementare pe piața mai largă a aparatelor de aer condiționat solar. Selecția dintre cele două este determinată în cele din urmă de calitatea resurselor solare disponibile, scara de încărcare a clădirii, condițiile de spațiu și structura costului total al ciclului de viață a fiecărui proiect specific.
