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热声制冷技术 1 热声制冷原理 热声震荡 液氦 细管 用手指堵住此口Th 管内气体自发震荡 Tc 温度比 Th Tc 10能产生热声震荡温度比 Th Tc 1 6热声震荡消失 热源 封闭气体的细管 气体膨胀 压缩力 气流运动 气团与管壁接触换热气团急速运动气团与管壁的换热不完全传热边界层的粘滞性在管内径向 同截面 温度不同导致传热滞后压力波与温度波之间产生相位差 激发了气体的震荡因此 气体运动与传热之间的相位差是产生热声震荡的必要条件 2 热声驱动器 热声发动机或热声压缩机 由于是接近管壁的气团参与换热 要产生高强度的热声震荡 采用比表面积较大的狭道组成热声发生器最为有效 被加热的工质在叠板中产生热声震荡 将一部分热能变为机械能 产生声功W 其余热量Qc作为费热通过冷却器释放到低温热源 冷却器 谐振管 谐振管的温度分布 W Qh Qc 热效率 W Qh热声驱动器的一个重要结构参数是谐振管的长度 它和气体声速一起决定了热声震荡的频率 设 声速 波长 f 频率 f的关系 f 1000 100 10m以氦为工质的谐波管的典型长度0 1 10m 谐振管长为1 2波长或1 4波长 相对应 温度700 1000K 温度300K 3 谐振管的要求1 加热器 热声板叠 冷却器应置于压力和位移值的非零区 2 加热器和冷却器由铜质翅片组成 3 热叠板用高热容固体平板 依严格的板间距v组成 4 板间距要求 是重要指标 决定板叠壁与工质气团间的热接触性质 激发热震荡的重要条件 合适的板叠间距 可导致气团与固体壁具有不良的热接触 以形成传热温差的滞后 分析表明 平板之间的距离宜大于几倍热渗透长度值 K 气体热导率 气体平均密度 Cp 气体比定压热容 k 在时间内热量通过气体扩散的距离 微米量级 热声叠板的板间距与气体的热渗透长度有相当的数值 热声板叠的应用 使热声总功率增大 因为与细管相比增加了许多并行的气流通道 使得温度与压力产生更大的滞后 4 热声制冷机 输入声波 声功W 扬声器或热声发动机 谐振管内的气体受声压的作用 产生绝热压缩和膨胀 热声板叠左端的气团受到驻波的压缩 温度升高 向板叠放热 在热声板叠的右端 由于驻波低压相的绝热膨胀 气团的温度低于当地板叠温度 气团从板叠吸热 在声波的每一个循环中 气团将热量从热声板叠的右端向左端传递 使两端的温差增大 结果 热量Qc从冷端换热器 Tc 输送到热端换热器 Th 释放出热量Qh 室温 需要的低温 5 实验证明 在板叠上产生 T的温差 在共振腔中产生压力和速度的变化 取一块板叠中的板 取气体中一个振动的微粒 声波和系统固有频率相同 发生共振 产生的压力波使气体微粒受到周期性的压缩和膨胀 气体微粒沿板来回振动而发生位移 气体微粒的初温为T1被绝热压缩温度升高 气体微粒在声源驻波的作用下向左移 压力最大值处 温度变为T2 此时微粒的温度高于叠板温度 微粒向板传热 dQh 这时微粒温度为T3 在驻波作用下 微粒向右移动 回到初始位置的过程中 经历了绝热膨胀 温度下降为T4 此时微粒的温度低于叠板 并将热量传给微粒 dQc 使得微粒的温度又恢复到T1 从而导致右端温度降低 板叠中的一块 6 热声制冷机性能分析 综合性能系数 冷端换热器有效负荷 外界对系统的输入电功 热声制冷机的COP仅是商用制冷机的30 40 性能不高的原因 1 有害负荷 包括 声能的损耗引起的负荷 环境与系统间的换热 热端和冷端间的换热 声能转化的热能 2 流动效应和非线性效应 如工质流体中稳流的再循环效应 紊流效应等 3 专用换热器效率有待提高 4 设计上的简化和圆整等 考虑到电能转化为声能 声能在共振腔中传播 在热声核心实现热声制冷 热量从冷端传递到热端 产生的损失有 电声转换损失 声波在共振腔中的损耗 声热转换中的不可逆损耗 换热器的效率 可得评定热声制冷机的综合COP 7 上式 8 第一台 空间用热声制冷机 1992年1月随 发现号 进入太空 是1 4波长的热声机 工作压力1Mp 工质97 氦 3 氩的混合物 板叠直径38mm 长度79mm 由顶部的扬声器产生400Hz的声波 获得3W的冷量 冷端温度50 时热力完善度16 9 磁悬浮离心机 10 效率更高变频直接驱动 效率及部分负荷效率更高无摩擦磁性悬浮轴承二根径向 一根轴向磁性轴承R134a环保冷媒无油润滑 换热器传热表面无油粘附超静噪音 150RT机组噪声低于60dBA 磁悬浮超效离心机 11 120 150冷吨制冷机组采用无油磁力悬浮轴承压缩机R134a制冷剂MicroTechII 控制器 WMC WaterCooledMagneticBearingCompressor 12 MTII机组控制器 MTII压缩机控制器 电子膨胀阀 VFD启动柜 1 2 13 电子膨胀阀 视液镜察看阀体位置总计6386级 控制机组制冷量12vac电机 14 压缩机冷却 电机冷却管路 干燥过滤器 制冷剂冷却电机和电子部件电机温度过高将导致电机轴消磁系统不能为低温应用 15 TT300型压缩机 60 100冷吨 R134a无油 磁力轴承两级离心压缩机直接驱动永磁同步电机重量为122公斤 16 1 磁力径向轴承2 电机3 磁力推力轴承4 2级离心叶轮5 压缩机冷却电磁阀 TT300型压缩机 17 磁力轴承 18 推力轴承 19 地源热泵 地表浅层地热资源 是指地表土壤 地下水或河流 湖泊中吸收太阳能 地热能而蕴藏的低温位热能 其温度一年四季相对稳定 冬季比环境空气温度高 夏季比环境空气温度低 是热泵很好的供热热源和供冷冷源 这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40 因此要节能和节省运行费用40 左右 另外 地能温度较恒定的特性 使得热泵机组运行更可靠 稳定 也保证了系统的高效性和经济性 系统全部为闭式循环 不抽取地下水 不会造成地下水的污染以及地表下陷 热泵的运行没有任何污染 没有燃烧 也没有废弃物 不需要堆放燃料废物的场地 且不用远距离输送热量 20 地源热泵系统的分类 1 埋管式土壤源热泵系统也称地下耦合热泵系统 Ground coupleheatpumpsGCHPs 或土壤热交换器地源热泵 Groundheatexchangerheatpumps 包括一个土壤耦合地热交换器 它或是水平地安装在地沟中 或是以 形管状垂直安装在竖井之中 通过中间介质 通常为水或者是加入防冻剂的水 作为热载体 使中间介质在土壤耦合的热交换器的封闭环路中循环流动 从而实现与大地土壤进行热交换的目的 1 水平埋管地源热泵系统 Horizontalground coupledheatpump 比较简单的方式是 当室内负荷比较小 土壤换热器长度比较短 可以把与单回路管子随开挖土方施工直接埋入地下 当室内负荷比较大 土壤换热器长度比较长 就需要考虑换热器的布置问题 常有的布置方式有以下两种 21 a 串联式水平埋管 b 并联式水平埋管 22 2 垂直埋管地源热泵系统 Verticalboreholeground coupledheatpump a 比较简单的方式是 当室内负荷比较小 土壤换热器长度比较短 换热器井数比较少可以直接接入机房 b 当室内负荷比较大 土壤换热器长度比较长 就需要考虑换热器井群的布置问题 一般是若干口井汇集到集水器中 然后统一由干管接入机房 集水管 23 c 垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式叫 桩基换热器 或叫做能量桩 EnergyPiles 即在桩基里布设在换热管道 桩基 混凝土 竖管 钢筋 24 d 地热智能桥 类似桩基换热器 由桥板中埋管的地源热泵自动融雪的桥被称为地热智能桥 雪落到桥面后 这些盘管利用地热将雪融化 地源热泵的开启靠输入的当地气象参数来控制 热泵系统的冷凝器供水管 25 3 螺旋埋管地源热泵系统 slinkyground coupledheatpump a 长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统 b 长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统 盘旋布置埋管地源热泵系统 26 c 螺旋埋管地源热泵系统有一种特殊布置形式叫 沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统 也有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统 2 地下水热泵系统 Groundwaterheatpumps GWHPs 也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统 通过建造抽水井群将地下水抽出 通过二次换热或直接送至水源热泵机组 经提取热量或释放热量后 由回灌井群灌回地下 无论是深井水 还是地下热水都是热泵的良好的低位热源 地下水位于较深的地方 由于地层的隔热作用 其温度随季节气温的波动很小 特别是深井水的水温常年基本不变 对热泵的运行十分有利 深井水的水温一般约比当地气温高1 2 通常系统包括带潜水泵的取水井和回灌井 板式热交换器采取小温差换热的方式运行 供水和回水集管 27 单井换热热井 Standingcolumnwellheatpumps SCW 也就是单管型垂直埋管地源热泵 在国外常称为 热井 这种方式下 在地下水位以上用钢套作为护套 直径和孔径一致 地下水位以下为自然孔洞 不加任何固井设施 热泵机组出水直接在孔洞上部进入 其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热 其余部分在边壁处与岩土换热 换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水 这一方式主要应用于岩石地层 典型孔径为150mm 孔深450m 水位以下无钢套 水位以上有钢套 抽水位置 回水位置 28 3 地表水热泵系统 Surface waterheatpumps SWHPs 由潜在水面以下的 多重并联的塑料管组成的地下水热交换器取代了土壤热交换器 它们被连接到建筑物中 并且在北方地区需要进行防冻处理 利用包括江水 河水 湖水 水库水以及海水作为热泵冷热源 4 此外 还有一种 直接膨胀式 Direct Expansion 它不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量 而是直接将热泵的蒸发器 RefrigerantinTubes 直接埋入地下进行换热 即制冷剂直接进入地下回路进行换热 由于取消了板式或者套管式式换热器 换热效率有所提高 但是由于制冷剂使用量比较大 整体经济性和安全性不高 29 地源热泵的应用方式 地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类 1 家用系统用户使用自己的热泵 地源和水路或风管输送系统进行冷热供应 多用于小型住宅 别墅等户式空调 2 商用系统 30 从输送冷热量方式可分为集中系统 分散系统和混合系统 1 集中系统热泵布置在机房内 冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间 2 分散系统用中央水泵 采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源 用户单独使用自己的热泵机组调节空气 一般用于办公楼 学校 商用建筑等 此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上 便于计量 适用于目前的独立热计量要求 3 混合系统 31 将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统 混合系统与分散系统非常类似 只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉 南方地区 冷负荷大 热负荷低 夏季适合联合使用地源和冷却塔 冬季只使用地源 北方地区 热负荷大 冷负荷低 冬季适合联合使用地源和锅炉 夏季只使用地源 这样可减少地源的容量和尺寸 节省投资 分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式 4 水环路热泵空调系统水环路热泵 Water LoopHeatPump 简称WLHP 空调系统 它由许多台水源热泵空调机 WSHP 组成 这些机组由一个闭式的循环水管路连在一起 该水管路既作空调工况下的冷源 又作供暖工况下热泵热源 水环路的冷热源可以是地源 或锅炉 冷却塔联合方式 夏季运行 全部或大多数机组为供冷 热量水环路排至室外的冷源 如地源或冷却塔 春季 秋季运行 对有内区与周边区的建筑物 会出现内区需要供冷而周边区需要供热 内区的热量就可被周边区所利用 即内区空调的排热与周边区热泵供热所需热量接近平衡时 室外的冷热源可以停运 这种制冷供热同时进行 能量在建筑物内部转移 运行费用最少 节能效果明显 冬季运行 全部或大多数机组为供热 供热源 地源或加热源 把热量补充到水环路 32 地源热泵地下埋管材料 33 桩埋管与井埋管性能 垂直埋管具有占地面积小 换热性能高等优点 是地源热泵的主要埋管形式U形管周围的回填物是砂石 桩埋管是其中的特殊形式 U形管周围是混凝土 混凝土的传热优于砂石 埋深都是20m 34 实验结果 取热过程 换热器的进口水温控制在5 桩埋管的单位换热量 有开始的70w m下降到60w m 并获得稳定 下降幅度15 水流量变化对换热量影响不大 井埋管 运行20h后稳定在52w m 桩埋比井埋的换热量大约16 主要愿因是混凝土的导热系数高于砂石 且更加密实 对传热有改善 35 排热工况 上右图 36 对周围土壤温度的影响 取热过程 排热过程 37 土壤热泵节能效果 在同一建筑同时使用风冷热泵和土壤热泵比较其能耗 某建筑的建筑面积950m2 室外设计参数 室内设计参数 地质条件 浅层土壤为粘土 砂份土为主的软土 比较湿润 地下水位较高 较适合土壤热泵系统 地埋换热器设计