空調(diào)與制冷(論文).doc

論文【摘要】：制冷技術(shù)已滲透到生產(chǎn)技術(shù)、科研領(lǐng)域以及日常生活的各個(gè)方面并發(fā)揮著巨大的作用。本文著重介紹幾種制冷新技術(shù)的原理和特點(diǎn)，并探討其發(fā)展?jié)摿?。面臨能源與環(huán)境的雙重壓力，在制冷工程中運(yùn)用新的節(jié)能技術(shù)來(lái)減少能耗，提高制冷效率，同時(shí)將環(huán)境污染減少到最低程度，這已經(jīng)成為制冷行業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)，分析探討制冷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)?！娟P(guān)鍵詞】制冷技術(shù)太陽(yáng)能 天然氣 熱聲 節(jié)能減排 發(fā)展趨勢(shì)生活中，制冷在食品冷加工、冷貯藏、冷藏運(yùn)輸、空氣調(diào)節(jié)以及體育運(yùn)動(dòng)中制造人工冰場(chǎng)等得到廣泛用；工業(yè)生產(chǎn)中，為生產(chǎn)環(huán)境提供必要的恒溫恒濕環(huán)境，對(duì)材料進(jìn)行低溫處理以及零件間的過(guò)盈配合等；農(nóng)牧業(yè)中，對(duì)農(nóng)作物種子進(jìn)行低溫處理等；建筑工程中，利用制冷實(shí)現(xiàn)凍土開采土方；現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的低溫冷凍骨髓和外周血干細(xì)胞、手術(shù)中的低溫麻醉等；制冷技術(shù)在尖端科學(xué)領(lǐng)域如微電子技術(shù)、新型材料、宇宙開發(fā)、生物技術(shù)的研究和開發(fā)中都發(fā)揮作用。制冷技術(shù)的發(fā)展水平是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活水平的重要標(biāo)志，我國(guó)的制冷行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中大耗能行業(yè)之一。下面就介紹幾種研究前景較好并有望應(yīng)用于實(shí)際的制冷新技術(shù)。一、太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的制冷系統(tǒng)太陽(yáng)能取之不竭，用之不盡，對(duì)環(huán)境沒有污染，是一種最有前途的能源。如今，人們正在考慮利用太陽(yáng)能制冷，因?yàn)樵趶B季太陽(yáng)能最豐富的時(shí)候，也是人們最需要空調(diào)制冷的時(shí)候。利用太陽(yáng)能對(duì)房間進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，首先要解決如何用太陽(yáng)能制冷的問(wèn)題。太陽(yáng)能制冷技術(shù)的原理和特點(diǎn)1. 1 太陽(yáng)能吸收式制冷太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。它的特點(diǎn)與系統(tǒng)使用的制冷劑有關(guān), 常用于吸收式制冷系統(tǒng)的制冷劑有水系、氨系、乙醇系、氟里昂系四大類。水系工質(zhì)對(duì)是目前研究最熱門的課題之一。對(duì)它的研究主要是針對(duì)現(xiàn)今大量生產(chǎn)的商用L iB r吸收式制冷機(jī)存在的易結(jié)晶、腐蝕性強(qiáng)、蒸發(fā)溫度只能在0 e 以上等。缺陷; 對(duì)氨系工質(zhì)對(duì)的研究主要是針對(duì)它的一些致命缺陷, 如: 制冷性能系數(shù)( COP)比溴化鋰小; 工作壓力高, 具有一定的危險(xiǎn)性;有毒; 氨和水之間沸點(diǎn)相差不夠大, 需要精餾等。吸收式制冷雖然技術(shù)相對(duì)成熟, 但系統(tǒng)成本較蒸汽壓縮式制冷高, 主要用于中央空調(diào)。1. 2 太陽(yáng)能吸附式制冷太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2 所示。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、一次投資少、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)結(jié)晶等, 且能用于振動(dòng)、傾顛、旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)所。但與壓縮式和吸收式系統(tǒng)相比, 該技術(shù)還很不成熟。主要問(wèn)題在于固體吸附劑為多孔介質(zhì), 導(dǎo)熱性能低, 因而吸附和解吸所需時(shí)間長(zhǎng), 制冷功率小, COP值不高。1. 3 太陽(yáng)能噴射式制冷太陽(yáng)能噴射式制冷系統(tǒng)工作原理如圖3所示。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性好, 但COP值較低。因而出現(xiàn)了用電能輔助提高噴射器的引射壓力以提高系統(tǒng)性能的趨勢(shì)。利用太陽(yáng)能集熱器獲得較高溫度的熱水為熱源, 采用低沸點(diǎn)工質(zhì)輔以機(jī)械壓縮噴射制冷循環(huán)稱為太陽(yáng)能增強(qiáng)型噴射制冷系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要以提高引射流壓力來(lái)提高噴射器性能, 它綜合了機(jī)械壓縮式制冷循環(huán)和蒸汽噴射式制冷循環(huán)的優(yōu)點(diǎn), 具有較高的熱經(jīng)濟(jì)性, 其COP比傳統(tǒng)的噴射制冷高50%。1.4 太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷技術(shù)太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)就是利用半導(dǎo)體的熱電制冷效應(yīng)，由太陽(yáng)能電池直接供給所需的直流電，達(dá)到制冷制熱的效果，又稱為熱電制冷或溫差電制冷。太陽(yáng)能制冷具有很好的季節(jié)匹配性，夏季，天氣越熱，空調(diào)的負(fù)荷越大，需要的制冷量就越大，而此時(shí)太陽(yáng)幅射最強(qiáng)，提供的熱能最多，太陽(yáng)能空調(diào)提供的冷量也就最高。冬季，太陽(yáng)能輻射減弱，但所需的制熱循環(huán)水溫度不高，在滿足制冷工況的集熱面積下，同樣能滿足制熱負(fù)荷要求，這一特點(diǎn)使太陽(yáng)能制冷技術(shù)受到重視和發(fā)展。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能制冷有“光一熱一冷”、“ 光一電一冷”、“ 光一熱一電一冷” 等途徑。太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)由太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)控匹配器、儲(chǔ)能設(shè)備和半導(dǎo)體制冷裝置等部分組成。太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換器輸出直流電，一部分直接供給半導(dǎo)體制冷裝置，另一部分進(jìn)入儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存，以供陰天或晚上用，以便系統(tǒng)可以全天候正常運(yùn)行。當(dāng)前，隨著太陽(yáng)能電池和熱電的材料的價(jià)格逐年的下降，發(fā)電效率的快速提高，太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的成本也大幅度下降，更樂觀的是性能方面也要求明顯的提高，這一定的程度上推動(dòng)了太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。照這樣發(fā)展下去可以推測(cè)出，清潔、無(wú)噪音的各式太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)在不久的將來(lái)都可一一實(shí)現(xiàn)。二、天然氣驅(qū)動(dòng)的制冷系統(tǒng)我們知道煤炭和石油是世界兩大常規(guī)能源。與之相比天然氣是最清潔優(yōu)質(zhì)的一種燃料，并且儲(chǔ)存量相當(dāng)豐富，自然就成為繼煤炭和石油之后的世界第三大常規(guī)能源。以天然氣為能源的內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)走向市場(chǎng)取代了電力驅(qū)動(dòng)的壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的推用節(jié)省了很多能源，也減少電力方面的投資，而且還使壓縮機(jī)使用壽命延長(zhǎng)了，提高了能源利用率。根據(jù)泵送熱能的驅(qū)動(dòng)力可分為以下三類, 它們均可利用天然氣的熱能來(lái)達(dá)到送熱的目的。1 、用壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮式制冷.制冷采用的制冷劑(工質(zhì))多為氟氯(澳)烴、還有氨等,，工質(zhì)只有相態(tài)變化, 動(dòng)力機(jī)主要采用電動(dòng)機(jī)。近年推進(jìn)使用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。原理如圖l。用它代替電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng), 可較靈活調(diào)節(jié)制冷能力, 部分負(fù)荷時(shí)效率較高,總操作費(fèi)用較低。2 、熱驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷采用工質(zhì)為蒸發(fā)溫度顯著不同的物質(zhì)組成工質(zhì)對(duì), 蒸發(fā)溫度較低的組分為制冷劑, 蒸發(fā)溫度較高的組份為吸收劑.制冷循環(huán)過(guò)程中, 工質(zhì)對(duì)只有濃度變化, 不產(chǎn)生化學(xué)變化。其驅(qū)動(dòng)力為天然氣燃燒熱或各種熱源, 甚至廢熱。吸收式制冷系統(tǒng)原理如圖2, 該制冷系統(tǒng)與壓縮制冷系統(tǒng)主要區(qū)別在于: 以發(fā)生器、液體節(jié)流閥、吸收器和溶液泵代替壓縮機(jī); 以熱能代替電能或機(jī)械能; 冷量產(chǎn)生是工質(zhì)對(duì)在發(fā)生器中被加熱產(chǎn)生水蒸氣, 在冷凝器中凝結(jié)成液態(tài)水, 經(jīng)節(jié)流閥后進(jìn)人蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)進(jìn)行制冷。然后水蒸氣在吸收器中被濃澳化鏗溶液吸收, 再用溶液泵將變稀的澳化銼溶液送回發(fā)生器, 完成循環(huán)。單效吸收式制冷發(fā)生器最佳溫度93 , 那么其加熱源就可用1甲cmz ( 表) 的低壓蒸汽。系統(tǒng)在低壓/ 真空下操作, 不使用氟氯烴, 無(wú)大的轉(zhuǎn)動(dòng)部分, 操作安靜、安全、可靠性高, 操作、維修費(fèi)用省。3、 干燥劑除濕系統(tǒng)制冷空調(diào)系統(tǒng)一般是讓空氣冷卻, 除去空氣中水分, 即潛熱冷卻, 并且降溫, 即顯熱冷卻。潛熱冷卻往往要消耗一半的制冷能量。利用干燥劑的吸附( 吸收)系統(tǒng)是在不冷卻空氣下直接除去空氣水分。干燥系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)聯(lián)合就可靈活控制空氣的濕度和溫度。聯(lián)合系統(tǒng)可避免單一制冷時(shí)在導(dǎo)管處出現(xiàn)凝液, 可降低室內(nèi)物品的濕度, 減少霉菌生長(zhǎng), 提高空氣質(zhì)量; 低濕度可使人體在較高溫度下感到舒適, 例如相對(duì)濕度低到30 % 時(shí), 其感覺和溫度下降2 時(shí)同等舒適, 低濕度允許空調(diào)中的冷卻器溫度設(shè)定值提高, 節(jié)約能量; 使用干燥系統(tǒng)可降低制冷系統(tǒng)負(fù)荷, 節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)。干燥系統(tǒng)適用于需低露點(diǎn)處或潛熱冷卻與顯熱冷卻負(fù)荷比高的地方。三、熱聲制冷技術(shù)熱聲制冷是二十一世紀(jì)一種全新的制冷技術(shù)，在最近的二十年，世界各地的許多物理學(xué)家和機(jī)械工程師們都在致力于研究這種基于熱聲理論的新型熱機(jī)和制冷機(jī)，無(wú)論在理論方面還是在工程應(yīng)用上都取得了突破性進(jìn)展，許多研究都進(jìn)入了實(shí)用的商業(yè)化階段。與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比，熱聲熱機(jī)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：無(wú)需使用污染環(huán)境的制冷劑，而是使用惰性氣體或其混合物作為工質(zhì)，因此不會(huì)導(dǎo)致使用的CFCs和 HFCs產(chǎn)生臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)而危害環(huán)境 ；其基本機(jī)構(gòu)是非常簡(jiǎn)單和可靠,無(wú)需貴重材料，成本上具有很大優(yōu)勢(shì)；它們無(wú)需振蕩的活塞和油密封或潤(rùn)滑，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的特點(diǎn)使得其壽命大大延長(zhǎng)。熱聲制冷技術(shù)幾乎克服了傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的缺點(diǎn)，可成為下一代制冷新技術(shù)的發(fā)展方向。熱聲制冷原理所有的熱聲產(chǎn)品的工作原理都基于所謂的熱聲效應(yīng)，熱聲效應(yīng)機(jī)理可以簡(jiǎn)單描述為在聲波稠密時(shí)加入熱量，在聲波稀疏時(shí)排出熱量，則聲波得到加強(qiáng)；反之聲波稠密時(shí)排出熱量，在聲波稀疏時(shí)吸入熱量，則聲波得到削弱。實(shí)際的熱聲理論遠(yuǎn)比這復(fù)雜得多。熱聲裝置是指利用熱聲技術(shù)的各種能量轉(zhuǎn)換功能制成的裝置，包括各種制熱機(jī)和制冷機(jī)，如利用熱聲技術(shù)的功率引擎、脈動(dòng)燃燒、熱泵、制冷機(jī)和混合物分離機(jī)等，是十分廣泛的一類裝置?？偟膩?lái)說(shuō)，熱聲裝置可以分為兩個(gè)方向，一個(gè)是熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)，將熱聲轉(zhuǎn)化為聲能，通過(guò)自激振蕩的方式實(shí)現(xiàn)的；另一個(gè)是熱聲制冷機(jī)，利用聲波泵熱，實(shí)現(xiàn)制冷，其關(guān)鍵在于聲場(chǎng)的相位匹配。熱聲制冷技術(shù)和熱聲制冷裝置只是熱聲技術(shù)和熱聲裝置中一個(gè)重要的分支。熱聲制冷機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括聲驅(qū)動(dòng)器、諧振腔、熱端和冷端換熱器及板疊。聲驅(qū)動(dòng)器的作用是諧振腔中產(chǎn)生高幅的聲能，是能量源，聲驅(qū)動(dòng)器可以是喇叭、活塞振膜或線性電機(jī)。諧振腔的作用是與聲驅(qū)動(dòng)器相匹配而產(chǎn)生諧振的聲波。熱端和冷端換熱器是將熱量或冷量輸出。板疊是熱聲制冷機(jī)的最重要的部件，它可以是平行疊加的板疊，也可以是其它多孔介質(zhì)材料，熱聲效應(yīng)就是在板疊內(nèi)完成的。板疊內(nèi)的氣體微團(tuán)在聲波的作用下左右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)被壓縮或擴(kuò)張，在合適的相位下，氣體微團(tuán)在壓縮時(shí)向左運(yùn)動(dòng)并對(duì)板疊放熱，在擴(kuò)張時(shí)向右運(yùn)動(dòng)并從板疊吸熱。大量微團(tuán)微觀上的協(xié)調(diào)一致的周期性運(yùn)動(dòng)不斷將熱量從冷端泵向熱端，便板疊產(chǎn)生溫度梯度，從而形成宏觀的泵熱效應(yīng)，同時(shí)也不斷地消耗聲功。相反，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)是利用熱能轉(zhuǎn)化為聲能，其結(jié)構(gòu)同熱聲制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)相同。在熱端換熱器加熱，使板疊產(chǎn)生溫度梯度，在溫度梯度達(dá)到一定的閾值的時(shí)候，就會(huì)自激振蕩而產(chǎn)生諧振的聲波，此時(shí)板疊內(nèi)氣體微團(tuán)的熱力學(xué)循環(huán)是相反的，氣體微團(tuán)在壓縮時(shí)向左運(yùn)動(dòng)并從板疊吸熱，在擴(kuò)張時(shí)向右運(yùn)動(dòng)并對(duì)板疊放熱。 從而使得宏觀上聲波不斷加強(qiáng)，熱能被轉(zhuǎn)化為聲能。一個(gè)理想的結(jié)構(gòu)是將熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與熱聲制冷機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成熱驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)，如圖2所示，此裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是完全無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，具有極長(zhǎng)的壽命，是太空制冷機(jī)的最佳選擇。同時(shí)這種裝置直接將熱能轉(zhuǎn)化為冷量，對(duì)于太陽(yáng)能豐富的夏天來(lái)說(shuō)，將潔凈的太陽(yáng)能直按轉(zhuǎn)化為冷量，可以稱之為純天然制冷機(jī)。另外，它還可利用燃?xì)?、工業(yè)廢熱、太陽(yáng)能等低品位的或可再生的能源作為裝置工作的驅(qū)動(dòng)熱源，適應(yīng)當(dāng)今節(jié)約能源和環(huán)保的要求。對(duì)于今天的世界，我們很迫切尋找到這種簡(jiǎn)單、環(huán)保、節(jié)能高效的能源。只要將熱聲技術(shù)充分利用起來(lái)，將會(huì)推動(dòng)制冷工業(yè)能源化工業(yè)的巨大發(fā)展。四、其他制冷新技術(shù)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是既可供熱又可供冷的高效建筑節(jié)能技術(shù)，水源中央空調(diào)系統(tǒng)是由末端(室內(nèi)空氣處理末端等)系統(tǒng)，水源中央空調(diào)主機(jī)(又稱為水源熱泵)系統(tǒng)和水源水系統(tǒng)三部分組成。為用戶供熱時(shí)，水源中央空調(diào)系統(tǒng)從水源中提取低品位熱能，通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)的水源中央空調(diào)主機(jī)(熱泵)”泵”送到高溫?zé)嵩?，以滿足用戶供熱需求。為用戶供冷時(shí)，水源中央空調(diào)將用戶室內(nèi)的余熱通過(guò)水源中央空調(diào)主機(jī)(制冷)轉(zhuǎn)移到水源中，以滿足用戶制冷需求。既節(jié)約常規(guī)能源又使可再生能源充分利用。蓄能系統(tǒng)能夠轉(zhuǎn)移電力高峰用電量，平衡電網(wǎng)峰谷差，因此可以減少新建電廠投資，提高現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備和輸變電設(shè)備的使用率，同時(shí)，可以減少環(huán)境污染，充分利用有限的不可再生資源，有利于生態(tài)平衡。蓄能系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的根本不同點(diǎn)在于：常規(guī)空調(diào)只需考慮滿足最大小時(shí)的負(fù)荷，其他時(shí)段冷機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行就可以。而蓄能系統(tǒng)必須對(duì)一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的逐時(shí)冷負(fù)荷進(jìn)行均衡分配，通常以日為周期，作出典型設(shè)計(jì)日的運(yùn)行周期負(fù)荷表：確定冷機(jī)和冰槽的容量和各個(gè)時(shí)段的開啟情況。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)比常規(guī)電制冷空調(diào)系統(tǒng)初投資增加16，而年運(yùn)行費(fèi)用減少38，初投資增加費(fèi)用的投資回收