幾種制冷技術(shù)的比較.doc

題 目： 幾種制冷技術(shù)的比較 院 別： 年 級： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號： 1 磁制冷技術(shù)磁制冷作為一項綠色制冷技術(shù),與傳統(tǒng)壓縮制冷相比具有如下競爭優(yōu)勢:1) 無環(huán)境污染:工質(zhì)本身為固體材料,可用水作為傳熱介質(zhì); 2) 高效節(jié)能:磁制冷的效率可達到卡諾循環(huán)的30 %60 %;3) 易于小型化:磁工質(zhì)熵密度遠大于氣體的熵密度,易于小型化。4) 穩(wěn)定可靠:無需壓縮機,運動部件少且轉(zhuǎn)速緩慢,可靠性高,壽命長。1. 1 原理 絕熱去磁制冷的原理為:磁制冷材料(磁工質(zhì))等溫磁化時,由于其磁矩取向趨于有序,使磁熵減小,磁工質(zhì)向外界放熱;當(dāng)絕熱去磁時,由于磁矩又趨于無序,磁熵增加,磁工質(zhì)溫度降低。下面以最簡單的卡諾循環(huán)為例對絕熱去磁制冷過程進行說明(圖2) 。 1) 等溫磁化過程,熱開關(guān)TS1 閉合, TS2 斷開,磁場施加于磁工質(zhì)上,使熵減小,通過高溫?zé)嵩磁c磁工質(zhì)的熱端連接,熱量從磁工質(zhì)傳入高溫?zé)嵩础?2) 絕熱去磁過程,熱開關(guān)TS1 斷開,TS2 仍斷開,逐漸移去磁場,磁工質(zhì)內(nèi)自旋系統(tǒng)逐漸無序,在退磁過程中消耗內(nèi)能,使磁工質(zhì)溫度下降到低溫?zé)嵩礈囟取?3) 等溫去磁過程, TS2 閉合, TS1 仍斷開,磁場繼續(xù)減弱,磁工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰帷?4) 絕熱磁化過程,斷開TS2 , TS1 仍斷開,施加一較小磁場,磁工質(zhì)溫度逐漸上升到高溫?zé)嵩礈囟取?. 2 發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)制冷溫區(qū)不同可分為極低溫(趨于絕對0 K) 、低溫(15 K 以下) 、中溫(1577 K) 、高溫(77 K以上) 磁制冷機。1) 低溫溫區(qū)( 15 K) 是液氦的重要溫區(qū),到上個世紀80 年代末該溫區(qū)間的磁磁制冷的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟,不再贅述 。 2) 中溫溫區(qū)(1577 K) 是液氫的重要溫區(qū),鑒于液化氫的潛在的巨大經(jīng)濟效益,該溫區(qū)的研究受到廣泛的重視。1983 年Los Alamos 的Back2ley提出了一種旋轉(zhuǎn)式磁制冷氫液化器的專利,將氫氣從室溫直接冷卻到20 K。另外美國宇航公司的Zimm 及其合作者等人也對采用磁制冷液化氫進行了大量的研究。3) 高溫溫區(qū)(77 K 以上, 含室溫及以上溫區(qū)) 。室溫磁制冷具有廣闊的市場前景,但實現(xiàn)起來困難重重。因為在室溫附近,磁制冷材料的晶格熵很大,如果不采取措施取出晶格熵,有效熵變極小,需要幾百上千特斯拉的磁場才能實現(xiàn)要求的制冷量。另外室溫磁制冷循環(huán)過程中有效的熱交換也非常關(guān)鍵。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看,在制冷量和溫度跨度方面,高溫區(qū)磁制冷機的性能與蒸氣壓縮式系統(tǒng)還有很大差距。實用化主要的困難在于:1) 磁性材料的磁熱效應(yīng)(MCE) 不夠大;2) 磁場強度不夠大;3) 蓄冷技術(shù)以及換熱技術(shù)。室溫磁制冷由于其高效和環(huán)保的特性會成為一項極具潛力的新的制冷方式,但是要真正得以廣泛應(yīng)用,還有待于在材料科學(xué)和制冷技術(shù)領(lǐng)域上取得新突破。2 吸附制冷技術(shù) 吸附式制冷技術(shù)非常適用于太陽能和地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹膽?yīng)用和余熱、廢熱的回收,這也是其與壓縮式制冷技術(shù)競爭的主要優(yōu)勢之一。2. 1 原理 吸附式制冷的原理如圖1 。整個吸附系統(tǒng)是封閉的,吸附器內(nèi)充滿吸附劑。當(dāng)它被加熱時,已被吸附的吸附質(zhì)獲得能量,當(dāng)分子運動加快到足以克服吸附劑的吸引力時,它們將從吸附劑表面脫出(脫附) ,系統(tǒng)內(nèi)分壓力逐漸升高。當(dāng)分壓力達到環(huán)境溫度所對應(yīng)的飽和蒸氣壓力時,脫附出來的吸附質(zhì)開始液化,液化放出的熱量通過冷凝器2 由冷卻介質(zhì)(空氣或水) 帶走。當(dāng)停止對吸附劑加熱時,吸附劑開始冷卻,因而它的吸附能力又逐步提高,開始吸附蒸發(fā)器3 中產(chǎn)生的制冷劑蒸氣,并造成系統(tǒng)中的真空狀態(tài),使液體制冷劑不斷汽化。制冷劑在低溫下汽化時,吸收被冷卻空間的熱量,達到制取冷量的目的。吸附了大量制冷劑蒸氣的吸附劑,為下一次加熱脫附提供了條件。脫附2吸附循環(huán)便是如此周而復(fù)始地進行,并間歇地進行著制冷過程。 2. 2 發(fā)展現(xiàn)狀 對吸附制冷的深入研究開始于上個世紀70 年代,當(dāng)時全球性的能源危機促使吸附制冷首先在太陽能應(yīng)用領(lǐng)域獲得發(fā)展 。進入上世紀90 年代后,吸附式制冷技術(shù)的發(fā)展非常迅速,其應(yīng)用研究涉及工業(yè)與民用建筑的空調(diào)制冷、食品冷藏冷凍和工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的制冷等諸多領(lǐng)域 。另外,吸附式制冷在船舶制冷 、汽車空調(diào)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究也初步展開。 目前吸附制冷技術(shù)在各研究方向的應(yīng)用成果多為實驗裝置或樣機,與實際運用還有很大的距離,主要研究工作包括:1) 對吸附工質(zhì)的研究目前開發(fā)出的工質(zhì)對主要有沸石2水 、活性碳2甲醇、活性碳2氨 、硅膠2水和堿土金屬的氯化物2氨等 。另外,金屬氫化物2氫組成的工質(zhì)對在低溫制冷中也得到應(yīng)用 。2) 制冷循環(huán)方式和制冷系統(tǒng)熱動力學(xué)的研究制冷系統(tǒng)熱動力學(xué)的研究主要集中在制冷循環(huán)方式的改進上,提出了一些先進的回?zé)嵝臀街评溲h(huán)方式,主要有級聯(lián)循環(huán)、熱波循環(huán) ,并從計算機模擬和實驗的角度研究了循環(huán)的操作工況對系統(tǒng)性能的影響 。3) 吸附床的研究吸附制冷實用化的關(guān)鍵是吸附床傳熱傳質(zhì)的強化。目前吸附床采用得較多的結(jié)構(gòu)是管殼式和平板式 ,此外還有板翅式 、螺旋板式、翅片管式和熱管式。4) 吸附制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析主要從經(jīng)濟性和熱經(jīng)濟學(xué)的角度對吸附制冷系統(tǒng)進行分析,對于該技術(shù)最終的產(chǎn)品化和市場化具有重要的意義。3 熱電制冷技術(shù)3. 1 原理 熱電制冷效應(yīng)是由同時發(fā)生的5 種不同效應(yīng)綜合作用的結(jié)果,即:塞貝克效應(yīng)、帕耳帖效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)和富里葉效應(yīng)。其中,前3 種效應(yīng)表明電和熱能相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的,而焦耳效應(yīng)和傅立葉效應(yīng)是熱的不可逆效應(yīng)。熱電制冷主要是帕耳帖效應(yīng)在制冷技術(shù)方面的應(yīng)用。實用的熱電制冷裝置是由熱電效應(yīng)比較顯著、熱電轉(zhuǎn)換效率比較高的半導(dǎo)體熱電偶構(gòu)成的。如圖3 所示,把一只p 型半導(dǎo)體元件和一只n型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成熱電偶,通直流電源后,在接頭處就會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在上面的一個接頭處,電流方向是n p ,溫度下降并且吸熱,這就是冷端。而在下面的一個接頭處,電流方向是pn ,溫度上升并且放熱,因此是熱端。 按圖3 將若干對半導(dǎo)體熱電偶在電路上串聯(lián)起來,而在傳熱方面則并聯(lián),就構(gòu)成了一個常見的熱電制冷模塊。接上直流電源后,熱電模塊的一側(cè)是冷端,另一側(cè)是熱端。借助熱交換器等各種手段,使熱電模塊的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度,把熱電模塊的冷端放到工作環(huán)境中去吸熱降溫,這就是熱電制冷器的工作原理。3. 2 發(fā)展現(xiàn)狀 1) 目前相對于壓縮式系統(tǒng)成本太高,主要用于特殊條件下的制冷、空調(diào)系統(tǒng)。潛艇、艦艇、軍用通訊車等特殊移動空間的空調(diào)、制冷設(shè)備,運行可靠、適應(yīng)性強、便于調(diào)控等特性往往是首要追求的目標。從20 世紀60 年代開始,熱電制冷空調(diào)系統(tǒng)陸續(xù)裝備潛艇、艦艇、通訊車。潛艇、艦艇空調(diào)系統(tǒng)制冷功率范圍為731 kW。系統(tǒng)構(gòu)成主要是單元組合式,各單元可獨立運行;因為是密閉空間,全回風(fēng);以海水為冷、熱源, 平穩(wěn)運行時制冷COP 可達1. 1 2. 1。熱電空調(diào)與列車在技術(shù)上有較好的兼容性,列車可以自備直流電源,熱電空調(diào)便于單元式分散布置。某熱電列車空調(diào)系統(tǒng)在室內(nèi)外溫差為6 時,制冷功率為17 kW , COP 約為0. 7 ;室內(nèi)外溫差為12. 8 時,制熱功率為26 kW , COP 約為1. 2 ,系統(tǒng)運行2. 5 年無故障。某太陽能輔助小汽車熱電空調(diào)裝置, 環(huán)境溫度為38 時, 制冷功率為4. 01 kW , COP 值為0. 42 ;如果天氣晴朗,布滿車頂?shù)奶柲茈姵乜色@得225 W 的功率,空調(diào)COP可以提高2 %。有數(shù)值模擬研究表明: 如果地下水溫度為13 ,熱電熱泵制冷COP 為6. 4 ,制熱COP 為1. 72 ,而壓縮式熱泵則分別為4. 35 和3. 72 。計算時,熱電材料優(yōu)值系數(shù)為3. 1 10 - 3 K- 1 ,因此對于空調(diào)以制冷為主,地下水源豐富的地區(qū),熱電水源熱泵空調(diào)有一定現(xiàn)實意義。另外,一種新型的熱電熱泵與熱虹吸管組合的快熱式熱水器,洗浴廢水經(jīng)過熱虹吸熱回收后再外排。性能測試表明,出水溫度低于50 時, EER達到1. 45 以上,與普通電熱水器比較,可以節(jié)省電耗38 %以上。 2) 微型熱電制冷技術(shù)應(yīng)用微型熱電制冷技術(shù)主要用于電子元件、探測儀器、實驗儀器等的局部或整體冷卻。隨著芯片集成度的增大和工作頻率的提高,芯片的功耗也持續(xù)增大。據(jù)預(yù)測,2002 年高性能微處理器的功耗約為130 W ,2014 年將超過180 W。因此,依靠增加散熱器的換熱面積和提高氣流速度的方法將難以滿足器件的冷卻需要。熱電制冷的優(yōu)勢在于運行安全可靠,容量大小隨意,與冷卻對象的組合方式靈活,更換制冷元件不會造成電路、設(shè)備本身的損傷,而且能適用于空間站等失重環(huán)境。集成電路、電子設(shè)備系統(tǒng)采用熱電制冷技術(shù)降溫,既可以采用熱電制冷模塊與散熱器結(jié)合,對電子元件進行局部冷卻,也可以通過獨立的熱電制冷裝置對其進行整體降溫,還可以將熱電薄膜技術(shù)與電子元件集成,進行針對性的主動冷卻降溫。預(yù)期隨著電子類設(shè)備儀器尺寸小型化、結(jié)構(gòu)集成化、功能多樣化趨勢的加強,熱電冷卻的方法將成為電子元件冷卻的主流技術(shù);而兼容性強的熱電薄膜集成結(jié)構(gòu)將成為微電子元件冷卻的主流發(fā)展方向。 3)熱電制冷、磁制冷、吸附制冷技術(shù)的比較熱電制冷、磁制冷、吸附制冷都是環(huán)境友好制冷技術(shù),在能源和環(huán)境問題日益嚴峻的今天,其優(yōu)勢越來越受到人們重視,但它們的物理原理、熱力學(xué)特性、適用性、經(jīng)濟性以及應(yīng)用與發(fā)展情況差異較大。表1 是3 種制冷技術(shù)的概括性比較。4 結(jié)束語 總體而言,熱電制冷技術(shù)發(fā)展歷史較長,技術(shù)也較成熟,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷向廣度和深度拓展,冷量范圍大,在小冷量時經(jīng)濟性好,一些特殊應(yīng)用場合具備其他制冷技術(shù)無法替代的特殊優(yōu)勢,在低品位能源利用、廢熱回收方面的優(yōu)勢也越來越受到重視,