几种制冷技术的比较.doc

精品文档 题 目： 几种制冷技术的比较 院 别： 年 级： 专 业： 姓 名： 学 号： 1 磁制冷技术磁制冷作为一项绿色制冷技术,与传统压缩制冷相比具有如下竞争优势:1) 无环境污染:工质本身为固体材料,可用水作为传热介质; 2) 高效节能:磁制冷的效率可达到卡诺循环的30 %60 %;3) 易于小型化:磁工质熵密度远大于气体的熵密度,易于小型化。4) 稳定可靠:无需压缩机,运动部件少且转速缓慢,可靠性高,寿命长。1. 1 原理 绝热去磁制冷的原理为:磁制冷材料(磁工质)等温磁化时,由于其磁矩取向趋于有序,使磁熵减小,磁工质向外界放热;当绝热去磁时,由于磁矩又趋于无序,磁熵增加,磁工质温度降低。下面以最简单的卡诺循环为例对绝热去磁制冷过程进行说明(图2) 。 1) 等温磁化过程,热开关TS1 闭合, TS2 断开,磁场施加于磁工质上,使熵减小,通过高温热源与磁工质的热端连接,热量从磁工质传入高温热源。 2) 绝热去磁过程,热开关TS1 断开,TS2 仍断开,逐渐移去磁场,磁工质内自旋系统逐渐无序,在退磁过程中消耗内能,使磁工质温度下降到低温热源温度。 3) 等温去磁过程, TS2 闭合, TS1 仍断开,磁场继续减弱,磁工质从高温热源吸热。 4) 绝热磁化过程,断开TS2 , TS1 仍断开,施加一较小磁场,磁工质温度逐渐上升到高温热源温度。1. 2 发展现状根据制冷温区不同可分为极低温(趋于绝对0 K) 、低温(15 K 以下) 、中温(1577 K) 、高温(77 K以上) 磁制冷机。1) 低温温区( 15 K) 是液氦的重要温区,到上个世纪80 年代末该温区间的磁磁制冷的研究已经相当成熟,不再赘述 。 2) 中温温区(1577 K) 是液氢的重要温区,鉴于液化氢的潜在的巨大经济效益,该温区的研究受到广泛的重视。1983 年Los Alamos 的Back2ley提出了一种旋转式磁制冷氢液化器的专利,将氢气从室温直接冷却到20 K。另外美国宇航公司的Zimm 及其合作者等人也对采用磁制冷液化氢进行了大量的研究。3) 高温温区(77 K 以上, 含室温及以上温区) 。室温磁制冷具有广阔的市场前景,但实现起来困难重重。因为在室温附近,磁制冷材料的晶格熵很大,如果不采取措施取出晶格熵,有效熵变极小,需要几百上千特斯拉的磁场才能实现要求的制冷量。另外室温磁制冷循环过程中有效的热交换也非常关键。从国内外研究现状来看,在制冷量和温度跨度方面,高温区磁制冷机的性能与蒸气压缩式系统还有很大差距。实用化主要的困难在于:1) 磁性材料的磁热效应(MCE) 不够大;2) 磁场强度不够大;3) 蓄冷技术以及换热技术。室温磁制冷由于其高效和环保的特性会成为一项极具潜力的新的制冷方式,但是要真正得以广泛应用,还有待于在材料科学和制冷技术领域上取得新突破。2 吸附制冷技术 吸附式制冷技术非常适用于太阳能和地热能等可再生能源的应用和余热、废热的回收,这也是其与压缩式制冷技术竞争的主要优势之一。2. 1 原理 吸附式制冷的原理如图1 。整个吸附系统是封闭的,吸附器内充满吸附剂。当它被加热时,已被吸附的吸附质获得能量,当分子运动加快到足以克服吸附剂的吸引力时,它们将从吸附剂表面脱出(脱附) ,系统内分压力逐渐升高。当分压力达到环境温度所对应的饱和蒸气压力时,脱附出来的吸附质开始液化,液化放出的热量通过冷凝器2 由冷却介质(空气或水) 带走。当停止对吸附剂加热时,吸附剂开始冷却,因而它的吸附能力又逐步提高,开始吸附蒸发器3 中产生的制冷剂蒸气,并造成系统中的真空状态,使液体制冷剂不断汽化。制冷剂在低温下汽化时,吸收被冷却空间的热量,达到制取冷量的目的。吸附了大量制冷剂蒸气的吸附剂,为下一次加热脱附提供了条件。脱附2吸附循环便是如此周而复始地进行,并间歇地进行着制冷过程。 2. 2 发展现状 对吸附制冷的深入研究开始于上个世纪70 年代,当时全球性的能源危机促使吸附制冷首先在太阳能应用领域获得发展 。进入上世纪90 年代后,吸附式制冷技术的发展非常迅速,其应用研究涉及工业与民用建筑的空调制冷、食品冷藏冷冻和工业生产环节的制冷等诸多领域 。另外,吸附式制冷在船舶制冷 、汽车空调等领域的应用研究也初步展开。 目前吸附制冷技术在各研究方向的应用成果多为实验装置或样机,与实际运用还有很大的距离,主要研究工作包括:1) 对吸附工质的研究目前开发出的工质对主要有沸石2水 、活性碳2甲醇、活性碳2氨 、硅胶2水和碱土金属的氯化物2氨等 。另外,金属氢化物2氢组成的工质对在低温制冷中也得到应用 。2) 制冷循环方式和制冷系统热动力学的研究制冷系统热动力学的研究主要集中在制冷循环方式的改进上,提出了一些先进的回热型吸附制冷循环方式,主要有级联循环、热波循环 ,并从计算机模拟和实验的角度研究了循环的操作工况对系统性能的影响 。3) 吸附床的研究吸附制冷实用化的关键是吸附床传热传质的强化。目前吸附床采用得较多的结构是管壳式和平板式 ,此外还有板翅式 、螺旋板式、翅片管式和热管式。4) 吸附制冷系统的经济性分析主要从经济性和热经济学的角度对吸附制冷系统进行分析,对于该技术最终的产品化和市场化具有重要的意义。3 热电制冷技术3. 1 原理 热电制冷效应是由同时发生的5 种不同效应综合作用的结果,即:塞贝克效应、帕耳帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。其中,前3 种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的,而焦耳效应和傅立叶效应是热的不可逆效应。热电制冷主要是帕耳帖效应在制冷技术方面的应用。实用的热电制冷装置是由热电效应比较显著、热电转换效率比较高的半导体热电偶构成的。如图3 所示,把一只p 型半导体元件和一只n型半导体元件联结成热电偶,通直流电源后,在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的一个接头处,电流方向是n p ,温度下降并且吸热,这就是冷端。而在下面的一个接头处,电流方向是pn ,温度上升并且放热,因此是热端。 按图3 将若干对半导体热电偶在电路上串联起来,而在传热方面则并联,就构成了一个常见的热电制冷模块。接上直流电源后,热电模块的一侧是冷端,另一侧是热端。借助热交换器等各种手段,使热电模块的热端不断散热并且保持一定的温度,把热电模块的冷端放到工作环境中去吸热降温,这就是热电制冷器的工作原理。3. 2 发展现状 1) 目前相对于压缩式系统成本太高,主要用于特殊条件下的制冷、空调系统。潜艇、舰艇、军用通讯车等特殊移动空间的空调、制冷设备,运行可靠、适应性强、便于调控等特性往往是首要追求的目标。从20 世纪60 年代开始,热电制冷空调系统陆续装备潜艇、舰艇、通讯车。潜艇、舰艇空调系统制冷功率范围为731 kW。系统构成主要是单元组合式,各单元可独立运行;因为是密闭空间,全回风;以海水为冷、热源, 平稳运行时制冷COP 可达1. 1 2. 1。热电空调与列车在技术上有较好的兼容性,列车可以自备直流电源,热电空调便于单元式分散布置。某热电列车空调系统在室内外温差为6 时,制冷功率为17 kW , COP 约为0. 7 ;室内外温差为12. 8 时,制热功率为26 kW , COP 约为1. 2 ,系统运行2. 5 年无故障。某太阳能辅助小汽车热电空调装置, 环境温度为38 时, 制冷功率为4. 01 kW , COP 值为0. 42 ;如果天气晴朗,布满车顶的太阳能电池可获得225 W 的功率,空调COP可以提高2 %。有数值模拟研究表明: 如果地下水温度为13 ,热电热泵制冷COP 为6. 4 ,制热COP 为1. 72 ,而压缩式热泵则分别为4. 35 和3. 72 。计算时,热电材料优值系数为3. 1 10 - 3 K- 1 ,因此对于空调以制冷为主,地下水源丰富的地区,热电水源热泵空调有一定现实意义。另外,一种新型的热电热泵与热虹吸管组合的快热式热水器,洗浴废水经过热虹吸热回收后再外排。性能测试表明,出水温度低于50 时, EER达到1. 45 以上,与普通电热水器比较,可以节省电耗38 %以上。 2) 微型热电制冷技术应用微型热电制冷技术主要用于电子元件、探测仪器、实验仪器等的局部或整体冷却。随着芯片集成度的增大和工作频率的提高,芯片的功耗也持续增大。据预测,2002 年高性能微处理器的功耗约为130 W ,2014 年将超过180 W。因此,依靠增加散热器的换热面积和提高气流速度的方法将难以满足器件的冷却需要。热电制冷的优势在于运行安全可靠,容量大小随意,与冷却对象的组合方式灵活,更换制冷元件不会造成电路、设备本身的损伤,而且能适用于空间站等失重环境。集成电路、电子设备系统采用热电制冷技术降温,既可以采用热电制冷模块与散热器结合,对电子元件进行局部冷却,也可以通过独立的热电制冷装置对其进行整体降温,还可以将热电薄膜技术与电子元件集成,进行针对性的主动冷却降温。预期随着电子类设备仪器尺寸小型化、结构集成化、功能多样化趋势的加强,热电冷却的方法将成为电子元件冷却的主流技术;而兼容性强的热电薄膜集成结构将成为微电子元件冷却的主流发展方向。 3)热电制冷、磁制冷、吸附制冷技术的比较热电制冷、磁制冷、吸附制冷都是环境友好制冷技术,在能源和环境问题日益严峻的今天,其优势越来越受到人们重视,但它们的物理原理、热力学特性、适用性、经济性以及应用与发展情况差异较大。表1 是3 种制冷技术的概括性比较。4 结束语 总体而言,热电制冷技术发展历史较长,技术也较成熟,其应用领域不断向广度和深度拓展,冷量范围大,在小冷量时经济性好,一些特殊应用场合具备其他制冷技术无法替代的特殊优势,在低品位能源利用、废热回收方面的优势也越来越受到重视,预期随着电子类设备仪器尺寸小型化、结构集成化、功能多样化趋势的加强,热电冷却技术将成为电子元件冷却的主流技术