王生軟，韓賢貴

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，湖北黃岡438002)

利用灶臺(tái)余熱的吸附式冰箱研究

王生軟，韓賢貴

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，湖北黃岡438002)

通過分析我國(guó)農(nóng)村能源的利用情況，提出了一種利用灶臺(tái)余熱的吸附式冰箱，介紹了其工作原理，并進(jìn)行了技術(shù)可行性分析。

灶臺(tái)余熱;吸附式冰箱;節(jié)能

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展一個(gè)重要因素。另一方面，臭氧層的破壞和全球氣候變暖問題，已成為全球面臨的主要環(huán)境問題。2000年，對(duì)全國(guó)農(nóng)村居民生活用能作了一次調(diào)查，據(jù)調(diào)查農(nóng)村能源消耗總量達(dá)3.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中薪柴占21.76%，秸稈占33.41%，煤炭占 31.9%，電力占9.31%，成品油占 2.04%，液化氣、沼氣等占1.58%。全國(guó)農(nóng)村居民每年要燒薪柴1.45億噸，按每750公斤折合1立方米木材計(jì)算，約計(jì)消耗木材1.88億立方米。近幾年，又對(duì)25個(gè)省、自治區(qū)、直轄市和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)2.1萬戶農(nóng)村居民用能情況作了調(diào)查，其中，燒薪柴為主的占47%(包括秸稈)，燒煤為主的占24.5%，用電為主的占 19%，燃?xì)鉃橹鞯恼?6%，其他占3.5%［1］。我國(guó)農(nóng)村能源利用和農(nóng)村電氣化大大落后于世界先進(jìn)國(guó)家水平。

從上面可以看出來，薪柴(包括秸稈)作為農(nóng)村能源的主要來源，農(nóng)村大部分家庭所使用的主要燃料為植物性燃料，包括木柴、稻草和麥秸等。而我國(guó)13億人口中，農(nóng)村人口占8億，燃料放在灶里直接燃燒，熱能的利用率極低，只有10%左右。就是采用節(jié)能灶，利用率也只有30% ，大部分熱量都通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)和煙氣散失掉了。假設(shè)每家每天消耗15kg木柴(其發(fā)熱值為16MJ/kg，則每家每天就要浪費(fèi) 216MJ熱量［2］，并且這部分熱量是高溫?zé)嵩?，具有很高的利用價(jià)值。如果利用這部分熱量來制冷，則可以不用運(yùn)行費(fèi)用就可解決或部分解決農(nóng)村的冰箱和空調(diào)問題。固體吸附制冷是利用這部分熱量來制冷的有效工具。假設(shè)216 MJ余熱全部被利用，吸附制冷系統(tǒng)的COP為0.2，則所有余熱能提供的最大制冷量為43.2MJ，這相當(dāng)于6臺(tái)每天用電1kWh的冰箱產(chǎn)生的制冷量。也就是說，只要能夠利用熱的1/6，就可以滿足一個(gè)家庭對(duì)冰箱的要求。本文給出了一種利用灶臺(tái)余熱的吸附式冰箱，介紹了其工作原理，針對(duì)該冰箱進(jìn)行了技術(shù)可行性分析。

1 系統(tǒng)原理及組成

圖1 利用灶臺(tái)余熱的吸附式冰箱

該方案利用灶臺(tái)煙氣的余熱來給冰箱提供動(dòng)力，冰箱的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：灶臺(tái)、單向閥A、左側(cè)幫冷凝器、膨脹閥、儲(chǔ)液罐、冷凍室蒸發(fā)器、右側(cè)幫冷凝器、冷凍室蒸發(fā)器、單向閥B、吸附床。

來自灶臺(tái)的煙氣給吸附床加熱，吸附劑的溫度升高，達(dá)到一定溫度，吸附在其上的吸附物質(zhì)開始脫附，單向閥A打開制冷劑從高溫高壓的灶臺(tái)發(fā)生器向冷凝器擴(kuò)散，在冷凝器中的制冷劑通過冰箱的側(cè)幫和外界空氣進(jìn)行熱量交換凝結(jié)為液體，液體最后儲(chǔ)存在儲(chǔ)液器中，等煮飯完成后，煙氣停止對(duì)吸附劑加熱，在環(huán)境空氣的對(duì)流作用下吸附床溫度降低，吸附床的壓力降低，吸附劑逐漸恢復(fù)吸附來自灶臺(tái)的煙氣給吸附床加熱，吸附劑的溫度升高，達(dá)到一定溫度，吸附在其上的吸附物質(zhì)開始脫附，單向閥A打開制冷劑從高溫高壓的灶臺(tái)發(fā)生器向冷凝器擴(kuò)散，在冷凝器中的制冷劑通過冰箱的側(cè)幫和外界空氣進(jìn)行熱量交換凝結(jié)為液體，液體最后儲(chǔ)存在儲(chǔ)液器中，等煮飯完成后，煙氣停止對(duì)吸附劑加熱，在環(huán)境空氣的對(duì)流作用下 吸附床溫度降低，吸附床的壓力降低，吸附劑逐漸恢復(fù)吸附能力，單向閥B打開，單向閥A關(guān)閉，制冷劑液體流經(jīng)膨脹閥進(jìn)行節(jié)流降壓，在蒸發(fā)器中吸收來自被冷卻對(duì)象的熱量(箱體內(nèi)的熱量)，此時(shí)，吸附劑開始吸附來自蒸發(fā)器的內(nèi)制冷劑蒸氣，至此，制冷劑完成一個(gè)循環(huán)。

1.1 制冷工質(zhì)對(duì)選擇

1.2 吸附床的結(jié)構(gòu)

吸附式制冷和傳統(tǒng)的壓縮式制冷最顯著的區(qū)別就是吸附式制冷循環(huán)中以吸附床代替了壓縮機(jī)，因此，吸附式制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是吸附床，它的性能好壞直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能。根據(jù)吸附制冷的系統(tǒng)的特點(diǎn)，吸附床可以采用各種類型的換熱器，根據(jù)換熱面的結(jié)構(gòu)可以分為管式、板式和有伸展表面三類，管式又分為：管殼式、套管式、螺旋管式等。根據(jù)農(nóng)村煙囪余熱利用冰箱，我們采用管殼式結(jié)構(gòu)，之所以采用管殼式是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊，造價(jià)低廉、選材范圍廣;煙氣管道容易清洗，適應(yīng)性強(qiáng)，另外，它的容量較大、耐高溫、耐高壓能力強(qiáng)。吸附床采用自制的方式，吸附床的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由17個(gè)煙氣管道和兩端封頭的鐵筒組成，為了使煙氣均勻通過吸附床，十七根管道成均勻在兩個(gè)正六邊形上，要求十七根煙氣管道和封頭有良好焊接密封，另外，兩端風(fēng)頭上各焊接一個(gè)管子，如圖所示，分別為制冷劑的進(jìn)口和制冷劑的出口，氯化鈣——氨工質(zhì)對(duì)需要購(gòu)買，準(zhǔn)備完成后，將吸附劑放置在筒中，然后加封頭密封焊接。

圖2 吸附床的示意圖

圖3 吸附床的截面圖

表1 常用工質(zhì)對(duì)［3］

圖3表示的是吸附床的A-A截面圖，從截面 圖上可以看出來，吸附材料和煙氣管道緊密接觸。

2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

本項(xiàng)目利用灶臺(tái)煙氣的余熱提供動(dòng)力，給農(nóng)民一種經(jīng)濟(jì)低廉保存的食物的冰箱，只要燒火做飯，就能滿足冰箱的能源要求。據(jù)資料顯示中國(guó)共有大約35352萬戶家庭，農(nóng)村家庭占家庭總量的67.6%［4］，農(nóng)村冰箱的占有率大約為30%。

則農(nóng)村冰箱市場(chǎng)需求量

Q=35352×67.6% ×(1-30%)=16728.5664萬臺(tái)

以一臺(tái)耗電量0.5kWh/24h的冰箱為例，則16728.5664萬臺(tái)冰箱一年的耗電量

E=0.5 ×360 ×16728.5664=3.0 ×1010kWh

據(jù)資料顯示生產(chǎn)1kWh的電能，需要消耗0.4 kg的標(biāo)準(zhǔn)煤，產(chǎn)生0.997kgCO2如果16728.5664 萬臺(tái)都采用灶臺(tái)余熱吸附式冰箱，那么每年可以減少煤的消耗量為：

資源儲(chǔ)備：西部礦業(yè)企業(yè)的總資產(chǎn)從2007年的157.86億元增加至2017年的311.31億元，擁有的礦山在2016年底鉛的儲(chǔ)量達(dá)156萬t、鋅的儲(chǔ)量243萬t、銅的儲(chǔ)量684萬t、鉬36萬t、銀2 268t及黃金18t。盡管西部礦業(yè)發(fā)展迅速，資源儲(chǔ)蓄量較多，但所面臨的競(jìng)爭(zhēng)也很激烈，除來自發(fā)達(dá)國(guó)家跨國(guó)礦業(yè)公司外，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也有較多的競(jìng)爭(zhēng)者，如有中國(guó)最大規(guī)模銅生產(chǎn)公司之稱的江西銅業(yè)、云南銅業(yè)及紫金礦業(yè)等。同時(shí)，由于光纖、復(fù)合材料等有色金屬替代品的出現(xiàn)也加劇了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，所以企業(yè)應(yīng)利用穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境、豐富的有色金屬資源及技術(shù)優(yōu)勢(shì)來增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)力。

G=30 ×1010×0.4=1.2 ×1010kg

減少CO2的排放量為：

C=30×1010×0.997=3×1011kg

對(duì)于用戶：

按照每臺(tái)冰箱壽命10年計(jì)算，電價(jià)0.5元/kWh

則該冰箱10年的運(yùn)行費(fèi)用

m=0.5×360 ×0.5 ×10=900 元

采用灶臺(tái)余熱吸附式冰箱10年可以為用戶節(jié)約900元。

對(duì)于冰箱生產(chǎn)廠家：

以目前市場(chǎng)上冰箱BCD-189為例，冰箱造價(jià)大約為1030元，而制造容積相同的吸附式冰箱，由于其減少了壓縮機(jī)，而且蒸發(fā)器和冷凝器與目前冰箱的兩器相比采用鋼管，另外，吸附式冰箱采用天然工質(zhì)NH3做制冷劑，原料便宜。從以上看出吸附式冰箱成本比目前市場(chǎng)上的冰箱成本大大降低。

安裝時(shí)，用戶只需將灶臺(tái)的煙囪和吸附式冰箱吸附床預(yù)留的煙氣管道連接即可。

3 市場(chǎng)應(yīng)用分析

薪柴是農(nóng)村能源的主要來源，說明我們的灶臺(tái)冰箱在農(nóng)村有能源保證。另外據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)目前人口為13億，而農(nóng)村人口占8億，農(nóng)村冰箱的占有率是30%，說明，冰箱在農(nóng)村還有很大的市場(chǎng)，而我們?cè)O(shè)計(jì)的冰箱利用農(nóng)村灶臺(tái)的余熱驅(qū)動(dòng)來制冷，不用電，給農(nóng)民節(jié)省了開支，讓農(nóng)民在做飯的過程中將食物保鮮，所以吸附制冷的冰箱將會(huì)受到農(nóng)民的極大歡迎。

4 結(jié)論

利用灶臺(tái)余熱的吸附式冰箱，對(duì)能源的合理利用和余熱回收效果顯著，不消耗電能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資小，在我國(guó)農(nóng)村地區(qū)未來的推廣應(yīng)用和市場(chǎng)前景十分廣闊。

［1］孫賓，羅泉等.農(nóng)村小水電及小水電代燃料工程芻議［J］.農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，2005(6)：118 ～119.

［2］王正根，王如竹.利用農(nóng)村家用灶余熱驅(qū)動(dòng)固體吸附冰箱的可行性研究［J］.新能源，2000(6)：5 ～8.

［3］崔群，陶剛等.固體吸附制冷吸附劑的研究進(jìn)展［J］.南京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(6)：102 ～107.

［4］蔣湘陵等，陶剛等.關(guān)于“家電下鄉(xiāng)”電冰箱產(chǎn)品的調(diào)查報(bào)告［Z］.

An Research on Adsorption Refrigerator By Low Grade Heat of the Rural Area Stove

WANG Sheng-ruan，HAN Xian-gui
(Huanggang Polytechnic College，Huanggang 438002 Hubei)

By analyzing the energy utilization status of China’s rural area，the adsorption refrigerator which is powered by low grade heat of the stove is analyzed.The working principle of the refrigerator and technical feasibility analysis are also given in this paper.

Low grade heat;Adsorption refrigerator;Energy saving

TK115

A

1672-1047(2011)05-0100-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2011.05.26

2011-09-19

王生軟，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，能源系教師。研究方向：制冷與低溫設(shè)備研究開發(fā)。

［責(zé)任編輯：曾 鑫］