熱聲制冷技術(shù)課件

1、熱聲制冷技術(shù),1,熱聲制冷技術(shù),熱聲制冷技術(shù),2,熱聲制冷原理,熱聲震蕩,液氦,細(xì)管,用手指堵住此口Th,管內(nèi)氣體自發(fā)震蕩,Tc,溫度比=Th/Tc10能產(chǎn)生熱聲震蕩 溫度比=Th/Tc1.6熱聲震蕩消失,熱源,封閉氣體的細(xì)管,氣體膨脹壓縮力氣流運(yùn)動(dòng)氣團(tuán)與管壁接觸換熱 氣團(tuán)急速運(yùn)動(dòng) 氣團(tuán)與管壁的換熱不完全 傳熱邊界層的粘滯性 在管內(nèi)徑向（同截面）溫度不同 導(dǎo)致傳熱滯后 壓力波與溫度波之間產(chǎn)生相位差激發(fā)了氣體的震蕩 因此，氣體運(yùn)動(dòng)與傳熱之間的相位差是產(chǎn)生熱聲震蕩的必要條件,熱聲制冷技術(shù),3,熱聲驅(qū)動(dòng)器（熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)或熱聲壓縮機(jī)） 由于是接近管壁的氣團(tuán)參與換熱，要產(chǎn)生高強(qiáng)度的熱聲震蕩，采用比表面積較

2、大的狹道組成熱聲發(fā)生器最為有效,被加熱的工質(zhì)在疊板中產(chǎn)生熱聲震蕩，將一部分熱能變?yōu)闄C(jī)械能，產(chǎn)生聲功W，其余熱量Qc作為費(fèi)熱通過(guò)冷卻器釋放到低溫?zé)嵩?冷卻器,諧振管,諧振管的溫度分布,W=Qh-Qc，熱效率=W/Qh 熱聲驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)是諧振管的長(zhǎng)度。它和氣體聲速一起決定了熱聲震蕩的頻率。 設(shè)：-聲速，-波長(zhǎng)，f-頻率 = f的關(guān)系，f=1000/100=10m 以氦為工質(zhì)的諧波管的典型長(zhǎng)度0.110m. 諧振管長(zhǎng)為1/2波長(zhǎng)或1/4波長(zhǎng),相對(duì)應(yīng),溫度7001000K,溫度300K,熱聲制冷技術(shù),4,諧振管的要求 1、加熱器、熱聲板疊、冷卻器應(yīng)置于壓力和位移值的非零區(qū)。 2、加熱器和冷

3、卻器由銅質(zhì)翅片組成。 3、熱疊板用高熱容固體平板，依嚴(yán)格的板間距v組成。 4、板間距要求： 是重要指標(biāo)、決定板疊壁與工質(zhì)氣團(tuán)間的熱接觸性質(zhì)、激發(fā)熱震蕩的重要條件。 合適的板疊間距，可導(dǎo)致氣團(tuán)與固體壁具有不良的熱接觸，以形成傳熱溫差的滯后。分析表明，平板之間的距離宜大于幾倍熱滲透長(zhǎng)度值,K-氣體熱導(dǎo)率，-氣體平均密度，Cp-氣體比定壓熱容， k-在 時(shí)間內(nèi)熱量通過(guò)氣體擴(kuò)散的距離（微米量級(jí),熱聲疊板的板間距與氣體的熱滲透長(zhǎng)度有相當(dāng)?shù)臄?shù)值。 熱聲板疊的應(yīng)用，使熱聲總功率增大，因?yàn)榕c細(xì)管相比增加了許多并行的氣流通道，使得溫度與壓力產(chǎn)生更大的滯后,熱聲制冷技術(shù),5,熱聲制冷機(jī),輸入聲波（聲功W）-揚(yáng)聲器

4、或熱聲發(fā)動(dòng)機(jī),諧振管內(nèi)的氣體受聲壓的作用，產(chǎn)生絕熱壓縮和膨脹。熱聲板疊左端的氣團(tuán)受到駐波的壓縮，溫度升高，向板疊放熱。 在熱聲板疊的右端，由于駐波低壓相的絕熱膨脹，氣團(tuán)的溫度低于當(dāng)?shù)匕瀵B溫度，氣團(tuán)從板疊吸熱。 在聲波的每一個(gè)循環(huán)中，氣團(tuán)將熱量從熱聲板疊的右端向左端傳遞，使兩端的溫差增大。結(jié)果，熱量Qc從冷端換熱器（Tc）輸送到熱端換熱器（Th) 釋放出熱量Qh,室溫,需要的低溫,熱聲制冷技術(shù),6,實(shí)驗(yàn)證明，在板疊上產(chǎn)生T的溫差，在共振腔中產(chǎn)生壓力和速度的變化,取一塊板疊中的板，取氣體中一個(gè)振動(dòng)的微粒，聲波和系統(tǒng)固有頻率相同，發(fā)生共振，產(chǎn)生的壓力波使氣體微粒受到周期性的壓縮和膨脹，氣體微粒沿板來(lái)

5、回振動(dòng)而發(fā)生位移。 氣體微粒的初溫為T1被絕熱壓縮溫度升高，氣體微粒在聲源駐波的作用下向左移（壓力最大值處），溫度變?yōu)門2，此時(shí)微粒的溫度高于疊板溫度，微粒向板傳熱（dQh) ，這時(shí)微粒溫度為T3，在駐波作用下，微粒向右移動(dòng)，回到初始位置的過(guò)程中，經(jīng)歷了絕熱膨脹，溫度下降為T4，此時(shí)微粒的溫度低于疊板，并將熱量傳給微粒(dQc) ，使得微粒的溫度又恢復(fù)到T1。從而導(dǎo)致右端溫度降低,板疊中的一塊,熱聲制冷技術(shù),7,熱聲制冷機(jī)性能分析,綜合性能系數(shù),冷端換熱器有效負(fù)荷,外界對(duì)系統(tǒng)的輸入電功,熱聲制冷機(jī)的COP僅是商用制冷機(jī)的30%40,性能不高的原因： 1、有害負(fù)荷，包括：聲能的損耗引起的負(fù)荷、環(huán)

6、境與系統(tǒng)間的換熱、熱端和冷端間的換熱、聲能轉(zhuǎn)化的熱能。 2、流動(dòng)效應(yīng)和非線性效應(yīng)，如工質(zhì)流體中穩(wěn)流的再循環(huán)效應(yīng)、紊流效應(yīng)等。 3、專用換熱器效率有待提高。 4、設(shè)計(jì)上的簡(jiǎn)化和圓整等。 考慮到電能轉(zhuǎn)化為聲能、聲能在共振腔中傳播、在熱聲核心實(shí)現(xiàn)熱聲制冷、熱量從冷端傳遞到熱端，產(chǎn)生的損失有：電聲轉(zhuǎn)換損失、聲波在共振腔中的損耗、聲熱轉(zhuǎn)換中的不可逆損耗、換熱器的效率。可得評(píng)定熱聲制冷機(jī)的綜合COP,熱聲制冷技術(shù),8,上 式,熱聲制冷技術(shù),9,第一臺(tái),空間用熱聲制冷機(jī)，1992年1月隨“發(fā)現(xiàn)號(hào)”進(jìn)入太空。是1/4波長(zhǎng)的熱聲機(jī)，工作壓力1Mp，工質(zhì)97%氦、3%氬的混合物。板疊直徑38mm、長(zhǎng)度79mm。由

7、頂部的揚(yáng)聲器產(chǎn)生400Hz的聲波，獲得3W的冷量，冷端溫度50時(shí)熱力完善度16,熱聲制冷技術(shù),10,磁懸浮離心機(jī),熱聲制冷技術(shù),11,效率更高 變頻直接驅(qū)動(dòng)-效率及部分負(fù)荷效率更高 無(wú)摩擦磁性懸浮軸承 二根徑向/一根軸向磁性軸承 R134a環(huán)保冷媒 無(wú)油潤(rùn)滑，換熱器傳熱表面無(wú)油粘附 超靜噪音（150RT機(jī)組噪聲低于60dBA,磁懸浮超效離心機(jī),熱聲制冷技術(shù),12,120-150冷噸 制冷機(jī)組 采用無(wú)油磁力懸浮軸承壓縮機(jī) R134a制冷劑 MicroTech II 控制器,WMC (Water Cooled Magnetic Bearing Compressor,熱聲制冷技術(shù),13,MT II

8、機(jī)組控制器,MT II 壓縮機(jī) 控制器,電子膨脹閥,VFD啟動(dòng)柜,1,2,熱聲制冷技術(shù),14,電子膨脹閥,視液鏡察看閥體位置 總計(jì)6386級(jí)，控制機(jī)組制冷量 12 vac電機(jī),熱聲制冷技術(shù),15,壓縮機(jī)冷卻,電機(jī)冷卻管路,干燥過(guò)濾器,制冷劑冷卻電機(jī)和電子部件 電機(jī)溫度過(guò)高將導(dǎo)致電機(jī)軸消磁 系統(tǒng)不能為低溫應(yīng)用,熱聲制冷技術(shù),16,TT 300型壓縮機(jī),60100冷噸，R134a 無(wú)油，磁力軸承 兩級(jí)離心壓縮機(jī) 直接驅(qū)動(dòng) 永磁同步電機(jī) 重量為 122公斤,熱聲制冷技術(shù),17,1. 磁力徑向軸承 2. 電機(jī) 3. 磁力推力軸承 4. 2級(jí)離心葉輪 5. 壓縮機(jī)冷卻電磁閥,TT 300型壓縮機(jī),熱聲制

9、冷技術(shù),18,磁力軸承,熱聲制冷技術(shù),19,推力軸承,熱聲制冷技術(shù),20,地源熱泵,地表淺層地?zé)豳Y源，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽(yáng)能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫位熱能。其溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是熱泵很好的供熱熱源和供冷冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高 40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)全部為閉式循環(huán)，不抽取地下水,不會(huì)造成地下水的污染以及地表下陷；熱泵的運(yùn)行沒(méi)有任何污染，沒(méi)有燃燒，也沒(méi)有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，

10、且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量,熱聲制冷技術(shù),21,地源熱泵系統(tǒng)的分類,1、埋管式土壤源熱泵系統(tǒng) 也稱地下耦合熱泵系統(tǒng)（Ground-couple heat pumps GCHPs）或土壤熱交換器地源熱泵（Ground heat exchanger heat pumps），包括一個(gè)土壤耦合地?zé)峤粨Q器，它或是水平地安裝在地溝中，或是以形管狀垂直安裝在豎井之中。通過(guò)中間介質(zhì)（通常為水或者是加入防凍劑的水）作為熱載體，使中間介質(zhì)在土壤耦合的熱交換器的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地土壤進(jìn)行熱交換的目的,1）水平埋管地源熱泵系統(tǒng)（Horizontal ground-coupled heat pump） 比較簡(jiǎn)

11、單的方式是,當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷比較小,土壤換熱器長(zhǎng)度比較短,可以把與單回路管子隨開(kāi)挖土方施工直接埋入地下,當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷比較大,土壤換熱器長(zhǎng)度比較長(zhǎng),就需要考慮換熱器的布置問(wèn)題,常有的布置方式有以下兩種,熱聲制冷技術(shù),22,a）串聯(lián)式水平埋管,b）并聯(lián)式水平埋管,熱聲制冷技術(shù),23,2）垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)（Vertical borehole ground-coupled heat pump） （a）比較簡(jiǎn)單的方式是,當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷比較小,土壤換熱器長(zhǎng)度比較短,換熱器井?dāng)?shù)比較少可以直接接入機(jī)房 （b）當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷比較大,土壤換熱器長(zhǎng)度比較長(zhǎng),就需要考慮換熱器井群的布置問(wèn)題,一般是若干口井匯集到集水器中，然后統(tǒng)一

12、由干管接入機(jī)房,集水管,熱聲制冷技術(shù),24,c）垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊形式叫：樁基換熱器（或叫做能量樁，Energy Piles），即在樁基里布設(shè)在換熱管道,樁基（混凝土,豎管,鋼筋,熱聲制冷技術(shù),25,d）地?zé)嶂悄軜?類似樁基換熱器，由橋板中埋管的地源熱泵自動(dòng)融雪的橋被稱為地?zé)嶂悄軜颉Ｑ┞涞綐蛎婧?，這些盤(pán)管利用地?zé)釋⒀┤诨５卦礋岜玫拈_(kāi)啟靠輸入的當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)來(lái)控制,熱泵系統(tǒng)的冷凝器供水管,熱聲制冷技術(shù),26,3）螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（slinky ground-coupled heat pump） （a）長(zhǎng)軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng),b）長(zhǎng)軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（盤(pán)旋

13、布置埋管地源熱泵系統(tǒng),熱聲制冷技術(shù),27,c）螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)有一種特殊布置形式叫：溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)，也有學(xué)者把它歸到多層水平埋管地源熱泵系統(tǒng),2、地下水熱泵系統(tǒng)（Groundwater heat pumps, GWHPs） 也就是通常所說(shuō)的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。通過(guò)建造抽水井群將地下水抽出，通過(guò)二次換熱或直接送至水源熱泵機(jī)組，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。 無(wú)論是深井水，還是地下熱水都是熱泵的良好的低位熱源。地下水位于較深的地方，由于地層的隔熱作用，其溫度隨季節(jié)氣溫的波動(dòng)很小，特別是深井水的水溫常年基本不變，對(duì)熱泵的運(yùn)行十分有利。深井水的水溫一般約比當(dāng)?shù)貧?/p>

14、溫高12。 通常系統(tǒng)包括帶潛水泵的取水井和回灌井。板式熱交換器采取小溫差換熱的方式運(yùn)行,供水和回水集管,熱聲制冷技術(shù),28,單井換熱熱井（Standing column well heat pumps, SCW）也就是單管型垂直埋管地源熱泵，在國(guó)外常稱為熱井。這種方式下，在地下水位以上用鋼套作為護(hù)套，直徑和孔徑一致；地下水位以下為自然孔洞，不加任何固井設(shè)施。熱泵機(jī)組出水直接在孔洞上部進(jìn)入，其中一部分在地下水位以下進(jìn)入周邊巖土換熱，其余部分在邊壁處與巖土換熱。換熱后的流體在孔洞底部通過(guò)埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機(jī)組供水。這一方式主要應(yīng)用于巖石地層，典型孔徑為150mm，孔深450m,水位以下

15、無(wú)鋼套,水位以上有鋼套,抽水位置,回水位置,熱聲制冷技術(shù),29,3、地表水熱泵系統(tǒng)（Surface-water heat pumps, SWHPs）：由潛在水面以下的、多重并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器取代了土壤熱交換器，它們被連接到建筑物中，并且在北方地區(qū)需要進(jìn)行防凍處理。利用包括江水、河水、湖水、水庫(kù)水以及海水作為熱泵冷熱源,4、此外，還有一種“直接膨脹式”（Direct-Expansion），它不象上述系統(tǒng)那樣采用中間介質(zhì)水來(lái)傳遞熱量，而是直接將熱泵的蒸發(fā)器（Refrigerant in Tubes）直接埋入地下進(jìn)行換熱，即制冷劑直接進(jìn)入地下回路進(jìn)行換熱，由于取消了板式或者套管式式換熱

16、器，換熱效率有所提高，但是由于制冷劑使用量比較大，整體經(jīng)濟(jì)性和安全性不高,熱聲制冷技術(shù),30,地源熱泵的應(yīng)用方式,地源熱泵的應(yīng)用方式從應(yīng)用的建筑物對(duì)象可分為家用和商用兩大類， 1. 家用系統(tǒng) 用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風(fēng)管輸送系統(tǒng)進(jìn)行冷熱供應(yīng)，多用于小型住宅，別墅等戶式空調(diào),2.商用系統(tǒng),熱聲制冷技術(shù),31,從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。 1）集中系統(tǒng) 熱泵布置在機(jī)房?jī)?nèi)，冷熱量集中通過(guò)風(fēng)道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。 2）分散系統(tǒng) 用中央水泵，采用水環(huán)路方式將水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨(dú)使用自己的熱泵機(jī)組調(diào)節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學(xué)校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使

17、用的冷熱量完全反應(yīng)在用電上，便于計(jì)量，適用于目前的獨(dú)立熱計(jì)量要求,3）混合系統(tǒng),熱聲制冷技術(shù),32,將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。 南方地區(qū)，冷負(fù)荷大，熱負(fù)荷低，夏季適合聯(lián)合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區(qū)，熱負(fù)荷大，冷負(fù)荷低，冬季適合聯(lián)合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節(jié)省投資。 分散系統(tǒng)或混合系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式。 4）水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng) 水環(huán)路熱泵(Water-Loop Heat Pump，簡(jiǎn)稱WLHP)空調(diào)系統(tǒng)，它由許多臺(tái)水源熱泵空調(diào)機(jī)(WSHP)組

18、成。這些機(jī)組由一個(gè)閉式的循環(huán)水管路連在一起，該水管路既作空調(diào)工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環(huán)路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯(lián)合方式。夏季運(yùn)行：全部或大多數(shù)機(jī)組為供冷，熱量水環(huán)路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。 春季/秋季運(yùn)行：對(duì)有內(nèi)區(qū)與周邊區(qū)的建筑物，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)區(qū)需要供冷而周邊區(qū)需要供熱，內(nèi)區(qū)的熱量就可被周邊區(qū)所利用，即內(nèi)區(qū)空調(diào)的排熱與周邊區(qū)熱泵供熱所需熱量接近平衡時(shí)，室外的冷熱源可以停運(yùn)。這種制冷供熱同時(shí)進(jìn)行，能量在建筑物內(nèi)部轉(zhuǎn)移，運(yùn)行費(fèi)用最少，節(jié)能效果明顯。 冬季運(yùn)行：全部或大多數(shù)機(jī)組為供熱，供熱源（地源或加熱源）把熱量補(bǔ)充到水環(huán)路,熱聲制冷技術(shù),33,地源熱泵地下埋管材料,熱聲制冷技術(shù),34,樁埋管與井埋管性能,垂直埋管具有占地面積小，換熱性能高等優(yōu)點(diǎn)，是地源熱泵的主要埋管形式U形管周圍的回填物是砂石。樁埋管是其中的特殊形式，U形管周圍是混凝土。混凝土的傳熱優(yōu)于砂石,埋深都是20m,熱聲制冷技術(shù),35,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,取熱過(guò)程,換熱器的進(jìn)口水溫控制在5，樁埋管的單位換熱量，有開(kāi)始的70w/m下降到60w/m，并獲得穩(wěn)定，下降幅度15%。水流量變化對(duì)換熱量影響不大。 井埋管，運(yùn)行2