熱聲制冷技術(shù)

1、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。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)是諧振管的長度

2、。它和氣體聲速一起決定了熱聲震蕩的頻率。設(shè)：-聲速，-波長，f-頻率= f的關(guān)系，f=1000/100=10m以氦為工質(zhì)的諧波管的典型長度0.110m.諧振管長為1/2波長或1/4波長。相對應(yīng)溫度7001000K溫度300K pkcfkK-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)熱量通過氣體擴(kuò)散的距離（微米量級）f1熱聲疊板的板間距與氣體的熱滲透長度有相當(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。輸入聲波（聲功W）-揚(yáng)聲器或熱聲發(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

3、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 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

4、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。 板疊中的一塊冷端換熱器有效負(fù)荷外界對系統(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)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、

5、設(shè)計(jì)上的簡化和圓整等。 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?？傻迷u定熱聲制冷機(jī)的綜合COP：上 式第一臺(tái) 空間用熱聲制冷機(jī)，1992年1月隨“發(fā)現(xiàn)號”進(jìn)入太空。是1/4波長的熱聲機(jī)，工作壓力1Mp，工質(zhì)97%氦、3%氬的混合物。板疊直徑38mm、長度79mm。由頂部的揚(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%。 效率更高效率更高v變頻直接驅(qū)動(dòng)變頻直接驅(qū)動(dòng)-效率及部分負(fù)荷效率更高效率及部分負(fù)荷效率更高 無摩擦磁性懸浮軸承無摩擦

6、磁性懸浮軸承v二根徑向二根徑向/一根軸向磁性軸承一根軸向磁性軸承 R134a環(huán)保冷媒環(huán)保冷媒無油潤滑，換熱器傳熱表面無油粘附無油潤滑，換熱器傳熱表面無油粘附 超靜噪音（超靜噪音（150RT機(jī)組噪聲低于機(jī)組噪聲低于60dBA）120-150冷噸冷噸制冷機(jī)組制冷機(jī)組采用無油磁力懸浮采用無油磁力懸浮軸承壓縮機(jī)軸承壓縮機(jī)R134a制冷劑制冷劑MicroTech II 控控制器制器WMC(Water Cooled Magnetic Bearing CompressorMT II 機(jī)組機(jī)組控制器控制器MT II 壓縮機(jī)壓縮機(jī) 控制器控制器電子膨脹閥電子膨脹閥VFD啟動(dòng)柜啟動(dòng)柜#1#2視液鏡察看閥體視液鏡察

7、看閥體位置位置總計(jì)總計(jì)6386級，控級，控制機(jī)組制冷量制機(jī)組制冷量12 vac電機(jī)電機(jī) 電機(jī)冷卻管路電機(jī)冷卻管路干燥過濾器干燥過濾器制冷劑冷卻電機(jī)和制冷劑冷卻電機(jī)和電子部件電子部件電機(jī)溫度過高將導(dǎo)電機(jī)溫度過高將導(dǎo)致電機(jī)軸消磁致電機(jī)軸消磁系統(tǒng)不能為低溫應(yīng)系統(tǒng)不能為低溫應(yīng)用。用。60100冷噸，冷噸，R134a無油，磁力軸承無油，磁力軸承兩級離心壓縮機(jī)兩級離心壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)重量為重量為 122公斤公斤1. 磁力徑向軸承磁力徑向軸承2. 電機(jī)電機(jī)3. 磁力推力軸承磁力推力軸承4. 2級離心葉輪級離心葉輪5. 壓縮機(jī)冷卻電磁閥壓縮機(jī)冷卻電磁閥定位盤葉輪Y軸定位傳感器傳感

8、器固定盤前軸承后軸承傳感器固定盤軸向軸承電磁體永久磁鐵線圈1、埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)、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)（）水平埋管地源熱泵系統(tǒng)（Horizontal ground-co

9、upled heat pump） 比較簡單的方式是,當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷比較小,土壤換熱器長度比較短,可以把與單回路管子隨開挖土方施工直接埋入地下.當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷比較大,土壤換熱器長度比較長,就需要考慮換熱器的布置問題,常有的布置方式有以下兩種.（a）串聯(lián)式水平埋管 （b）并聯(lián)式水平埋管 2）垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)（）垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)（Vertical borehole ground-coupled heat pump）（a）比較簡單的方式是,當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷比較小,土壤換熱器長度比較短,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,土壤換熱器長度比較長,就需要考慮換熱器井群的布置問題,一般是若干口井

10、匯集到集水器中，然后統(tǒng)一由干管接入機(jī)房。 集水管（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（d）地?zé)嶂悄軜虻責(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?。雪落到橋面后，這些盤管利用地?zé)釋⒀┤诨?。地源熱泵的開啟靠輸入的當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)來控制。熱泵系統(tǒng)的冷凝器供水管3）螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（）螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（slinky ground-coupled heat pump）（a）長軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)長軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（b）長軸豎直布置

11、的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（盤旋布置埋管地源熱泵系統(tǒng)）長軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)（盤旋布置埋管地源熱泵系統(tǒng)） （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溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統(tǒng)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)（地下水熱泵系統(tǒng)（Groundwater heat pumps, GWHPs） 也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。通過建造抽水井群將地下水抽出，通過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

12、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，對熱泵的運(yùn)行十分有利。深井水的水溫一般約比當(dāng)?shù)貧鉁馗?2。 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埋至底部的

13、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。水位以下無鋼套水位以上有鋼套抽水位置回水位置3、地表水熱泵系統(tǒng)（、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、水庫水以及海水作為熱泵冷熱源。4、此外，還有一種、此外，還有一種“直接直接膨脹式膨脹式”（Direct-Expansion），它不象上述系統(tǒng)那樣采用中間介質(zhì)水來傳遞熱量，而是直接將熱泵的蒸發(fā)器（Refri

14、gerant 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。 地源熱泵的應(yīng)用方式從應(yīng)用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類， 1. 家用系統(tǒng)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)商用系統(tǒng)從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分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)。散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。1）集中系統(tǒng)）集中系統(tǒng)熱泵布置在機(jī)房內(nèi)，冷熱量集中通過風(fēng)道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。 2）分散系統(tǒng)）分散系

15、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)）混合系統(tǒng) 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

16、泵空調(diào)系統(tǒng)）水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng) 水環(huán)路熱泵(Water-Loop Heat Pump，簡稱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，

17、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。1 管材（1）地下的管材應(yīng)首先要保證其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐性。金屬管，雖然它的傳熱性能好，但耐腐蝕性差，使用1020年就已腐蝕壞。（2）聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管柔韌性好，強(qiáng)度高，而且可以通過熱熔合形成比管子自身強(qiáng)度更好的連接接頭，得到廣泛應(yīng)用。（3） PVC（聚氯乙烯）管的導(dǎo)熱性差和可塑性不好，因此在地源熱泵系統(tǒng)中不推薦用PVC管。（4）為了強(qiáng)化地下埋管的換熱，國外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不銹鋼鋼管，但目前實(shí)際應(yīng)用不多。 2選擇埋管種類應(yīng)注意的問題 （1） 了解制造商

18、提供管子所屬的“管子體系”，該管子是由何種樹脂制作而成，抵抗環(huán)境應(yīng)力致裂的能力，有關(guān)管子材料說明和安裝方法。 （2） 應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)大，流動(dòng)阻力小，熱膨脹性好，工作壓力符合系統(tǒng)要求，工作溫度-2070，售價(jià)相應(yīng)較低的管材。 （3） 在保證要求情況下，選擇的管材管壁盡量薄，配套用管件不應(yīng)選擇金屬的，最好選用相同材料或工程塑料尼龍等材料制造的管件。 （4） 應(yīng)要求廠家提供管子阻力計(jì)算用的圖、表或相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 （5） 能按用戶要求的管子長度，成捆供應(yīng)，以減少埋管接頭數(shù)量。 （6） 選用管子時(shí)注意管子的外徑、內(nèi)徑及厚度。埋深都是20m取熱過程 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%。水流量變化對換熱量影響不大。井埋管，運(yùn)行20h后穩(wěn)定在52w/m。樁埋比井埋的換熱量大約16%。主要愿因是混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)高于砂石，且更加密實(shí)，對傳熱有改善。排熱工況 上右上右圖圖對周圍土壤溫度的影響取熱過程排