制冷新技术回热式低温制冷机

制冷新技术回热式低温制冷机,刘益才,主要内容,低温研究背景和意义,回热式制冷循环,回热式低温制冷机,脉管制冷机,热声驱动制冷机,应用，问题和发展趋势,结束语,第一部分:低温研究背景和意义,科学研究？,兴趣,低温低温制冷技术低温制冷机,需要,低温,低温:一般是指温度低于120K（-1530C）自然界物质在低温下呈现出在常温下所不具有的特殊物理性质：如超导电性,超流动性,磁有序态,量子霍尔效应等由此产生了一些新的应用，如超导MRI，SQUID，低温冷凝真空泵，强磁体等许多科学仪器在低温下有更好的性能和效率，更高的运行速度和灵敏度：如光电遥感元件，低温光电子器件，高低温超导器件，半导体与超导体混合集成电路,低温研究的背景和意义,低温制冷技术,研究低温的科学和技术原理方法：相变制冷，气体压缩膨胀制冷，蒸气压缩膨胀制冷，气体涡流制冷，节流制冷，吸收式制冷，固体吸附制冷，辐射制冷，热电制冷，磁制冷，激光制冷等实验室用低温一般使用低温恒温器，将被却物浸泡在低温液体中或用低温蒸气冷却。但是随着商业和空间应用的发展，这种方式在经济性、连续性、可靠性、方便性等方面不能满足要求,低温制冷机,获得和维持低温的机械由于简单、方便灵活得到了重视和迅速发展。它省去了低温液体储运、充注等麻烦，已在很多方面获得应用机械式制冷，混合工质节流制冷，热声制冷机，吸附制冷，辐射制冷，半导体制冷，磁制冷，激光制冷等,低温制冷机应用研究背景,国防和军事(红外制导，预警，军事夜视装置，红外探测器，-射线探测仪等)空间技术(卫星遥感遥测，红外探测仪等)资源环境(大气，地质，矿物资源探测，环境检测)商业(低温泵，LNG，磁悬浮，半导体器件，低温光电子器件，高低温超导器件，超导计算机等)医学(液氧，超导MRI，SQUID磁强计，农业和生物组织低温保存，器官移植，低温外科等)科研(液氮，液氦杜瓦，低温恒温器，高低温超导科学仪器，大科学工程中的低温制冷系统等),人工环境实验装置,人工环境是指用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，既包括地面的各种气候变化，也包括高空宇宙和其它特殊的要求。,与制冷有关的人工环境试验,(1)低温环境试验：它包括产品在低温环境中的性能试验、温度冲击试验（产品承受快速低温温度循环的能力)等。(2)湿热试验：研究或检验温度、湿度对产品的工作性能的影响。(4)多种气候试验：包括温度、风速、雨、雾、沙的试验，又称为全天候试验。(5)空间模拟试验：模拟飞行器进人高空的情况，其环境特点是低温和真空。,获取低温可以有以下几种方法：,()采用消耗制冷刑：在要求降温快、使用时间短的地方，可以采用消耗制冷剂：如液氮、干冰等。(2)多级制冷：可用单一制冷剂进行两级或多级压缩、两级或多级节流以达到制取低温的目的。(3)复叠制冷：用两种或多种不同的制冷剂组成复叠制冷系统。例如在复叠式蒸气压缩制冷循环中，用高温制冷剂的低压蒸发来使低温制冷刘的高压蒸气冷凝；而用低温制冷剂的低压蒸发取得更低温度下的制冷效果。(4)气体制冷：利用压缩气体推动膨胀机绝热膨胀，对外作功，使气体温度降低，而达到制冷目的。气体制冷循环也可以构成多级或复叠的形式：,食品冷冻与冷冻干燥,(一)温度和水分是影响食品保存的两个重要因素；1低温能抑制食品的腐烂变质；引起食品腐烂变质的主要原因是微生物的作用和酶的催化作用，而这些作用的强弱均与温度密切相关。一般说来，温度降低能使这些作用减弱，从而达到阻止或延缓食品腐烂变质的速度。,2降低水分的活度能抑制食品的腐烂变质食品中的水分是食品中微生物生存生长和酶反应的必要条件。如能将其中大部水分去掉，则能长期保存。降低食品中水分的活度可以用1；干燥的方法，或用冷冻的方法；冷冻的方法使纯水结成固态的水，从而降低了食品中水分的活度。也可以用冷冻干燥的方法，即让食品中的水分以固态升华的方法除去。,(三)冷冻干燥,冷冻干燥是将食品或生物材料先进行低温固化，然后运用抽空的方法使冻结的水分以升华的形式从材料中抽出，使材料达成干燥的目的，所以又称“低温真空干燥“。或简称“冻干”、英文名为”freezedrying”或”lyophilization”。冻干技术的特点是材料可以在常温下长期保存；而用冻干的方法除去水分要比一般干燥法能更好地保存材料的质量。,冷冻干燥技术还可用于工业上制备越细微粒：其基本程序是先将材料制成均勺的溶液，然后用喷雾的方法，将溶液以雾状颗粒喷入-196度液氮，使颗粒快速固化，再用真空泵将物料干燥、冻干法可制成毫微米(10-9m)级的超细微粒。,三、低温生物医学技术,低温生物学和低温医学的英文名称分别为cryobiology和cryo0medicine。在工程上，低温(cryo)通常是指比-120度更低的温度范围，而在生物和医学中低温所指的范用却要宽得多。可以从稍低于正常体温37)直至低于-196度；例如，低体温医疗的温度是略低于37；动植物耐寒性研究温度范围是0度左有；而生物体低温保存、肿瘤低温割除术中使用的低温可低于-196度。,低温生物学,是研究低温对生物体所产生的影响及其应用的学科。它包括动植物对寒冷环境的耐性、冻伤及其防治、低温酶学、极地生物学等；动植物细胞组织的低温保存和移植；食品、药品的低温保存和冷冻干燥；还包括电镜生物样品的低温制备技术等。,低温医学,低温医学是研究温度降低对人类生命过程的影响，以及低温技术在人类同疾病作斗争中的应用的学科。它包括人的冻伤和防冻、低温麻醉、低温脑复苏等，人体重要细胞、组织、器官的低温保存、移植及临床应用，利用低温手术器械杀伤异常组织，如肿瘤等。,四、低温超导,1908年，昂纳斯首先实现了氦的液化(4.2K)；1911年他发现汞的电阻率在4.214.19K之间剧烈降低，并在4.19K完全消失。若将该金属组成一个闭合回路，只要给一个初始电流，这个电流将无损耗地永远保持下去，这个现象称为超导电性。具有超导电性的物体叫做超导体；出现超导现象时的温度称为超导转变温度或临界温度。,低温超导的应用,1超导强电强磁应用;(1)磁悬浮列车；(2)受控热核反应；(3)高能物理；(4)超导磁流体发电和超导电缆；(5)超导强力磁选和净化；(6)超导在医学方面的应用。,高温超导的发展,1986年，瑞士物理学家永缪勒和德国物理学家柏诺兹发现了Ba-La-Cu-O系统的超导临界温度达30K，美国休斯敦大学朱经武等发现了超导转变湿度40.2K的材料，中国科学院物理研究所赵忠贤等获得了48.6K的超导材料，并观察到少数样品在70K左右有超导迹象。1987年，朱经武等发现了高达92K的超导转变，赵忠贤等获得了Y-Ba-Cu-O的超导起始转变温度在100K以上。,五、低温粉碎,低温粉碎技术是利用材料在低温状态下的冷脆性能、对物料进行粉粹。在低温状态下材料内部的原子结合较为疏松，原子间的空隙比较大，当有外力作用在材料上时、原子间的距离变小，从而使材料显示出弹性。如果把材料温度降低到一定温度，材料内部原子间距离显著地减小，这时如果受到外力作用、由于结合紧密的原子没有退让的余地，吸收外力使其变形的能力很差，因此也就失去了弹性间而显示出脆性。对于橡胶等材料，只要被冷却到硬化温度或脆化温度以下，均能被细碎、取得很细的胶粒。,低温粉碎技术有以下特点,1)可以加工在常温无法加工的高弹性材料。(2)低温粉碎可加工到比常温下更小、更细的颗粒。(3)能高质量地从废旧物中收回各种材料。(4)用低温粉碎的物料，具有无污染、无氧化、无毒、无味的特点。特别适宜于对食品、中草药的加工，并保持原物料的营养和鲜美的品质。,(3)超导列车,自上世纪70年代以来，H本一直在开发采用超导磁体的磁悬浮列车，1972年在个小试验车上运行成功，随后进行一系列的研究与开发。超导磁悬浮列车在大容量运输、低环境污染和较高安全性等方面具有很大的潜力。超导磁悬浮列车的悬浮间隙大，一般可大于100mm(普通磁悬浮列车的悬浮间隙大约只有10mm)，大大减少对路轨公差和控制的要求；速度对高达500km/h以上。,(4)氢能利用,氢是将来的发动机、发电厂、飞机、航天系统等各种工业过程的主要代用燃料。用液氢作燃料的汽车所排出的废气(水)，几乎小影响环境。将来的超高音速飞机要用液氢来推进。研究指出，液氢的高比热容还可用来冷却以极高速度飞行而产生摩擦热的机翼表面。氢浆或甲烷浆对于超音速和超高音速飞行也显示出优点。,2航空与航天,早在上世纪30年代，低温就在火箭中得到了应用。第二次世界大战中，V-2火箭第一次应用酒精和液氧做为推进剂。载人空间飞行起初也是用酒精和液氧作为推进剂，航天飞机采用具有254kN冲力的火箭发动机，可达2km/s速度，能将航天飞机送至离地108km高度的外层空间。无论是载人的或不载人的航天器，低温总是空间计划的关键部分。地面试验装置需用大容积的舱室来模拟深空间条件，高真空的空间环境要用液氮和液氦冷却的低温泵来产生。,1、气体液化与分离,一、气体液化与分离的热力学基础要想把气体液化、需要有温度足够低的低温热源，百光是用低温热源把气体的显热吸收掉而把气体冷却到它的冷凝温度、这时气体就变为饱和蒸汽了，接着再在该冷凝温度下继续吸收它的汽化潜热、气体就从饱和蒸汽变为液体了。这就是气体的液化过程。很显然具有温度足够低的低温热源是使气体液化的重要条件。有很多气体的液化温度是低于或远远低于地球上穴然环境所能达到的最低温度，所以这些气体的液化必需依靠人工制冷c其中以空气(氧气、氮气)、甲烷、氢气和氦气最为重要。,低温技术,1、气体液化与分离2、低温小型制冷机3、低温绝热,低温技术的应用,近几十年来，低温已远离了神秘的实验技术时代，发展成为自然科学个重要的分支，低温工程已经渗透到科学技术的各个领域，在能源和交通、航空和航天、现代工业、科学研究和生物医疗等部门，一旦离开低温，它们的发展和现代化的进步是难以实现的。,能源和交通,(1)天然气天然气是世界上继煤和石油之后的第三大能源。从现在开始，天然气将部分替代石油和煤，成为全球最主要的能源之一。天然气主要成分为甲烷，其氢碳比远高于石油，是一种优质清洁型燃料，用作城市煤气，可大大减轻对环境的污染；用作汽车燃料，CO2排故量可减少近1/3，尾气中CO含量可降低99。天然气作为化工原料，可用于生产合成氨和甲醇等。利用天然气发电的联合循环，可将电厂的热效率从35提高到42。大规模天然气的开采、贮存和运输，依赖天然气的液化。液化天然气(LNG)也许是低温在工业上的最大应用者。,(2)核聚变,热核反应堆也许是当今尝试的最巨大的技术业绩。核聚变反应堆托卡马克(Tokamak)装置依靠大型超导磁体对聚变反应器中的高温等离子体进行磁约束，这些超导线圈在大绕组空间内产生很强的磁场来保证等离子体的空间位置和形状，建立起等离子体的磁约束系统。近年来，由国际原子能机构IAEA(InternationalAtomicEnergyAgency)协调国际热核实验堆ITEK(InternationalThermonuclearExperimentalReactor)正在建造，约在2040年左右商品化。,低温制冷机应用研究背景（续）,空间遥感遥测，高低温超导器件迅速发展的推动空间用小型制冷机起源于60年代美国的太空探测计划，由于空间飞行器的特殊性，制冷机必须在可靠性和寿命、效率和能耗、体积和重量、振动等方面满足严格的飞行器有效载荷的限制适合空间技术用的制冷机只有少数几种，按研发、应用的时间顺序，主要有：被动式辐射制冷机、开式及闭式J-T制冷机、Stirling制冷机、逆Brayton循环制冷机，脉管制冷机,第二部分,回热式制冷循环热机（发动机和制冷机）热力学原理和工作特点,热机简介,热力学原理,回热式热力循环（理想）,回热式热力循环：在T-S图上由两个回热过程代替卡诺循环的两个等熵过程。如果回热过程是定容的，则为Stirling循环，回热过程是定压的，则为Ericsson循环,回热式热力循环（实际）,实际上，换热是在一定的温差下进行的，且各气体微元的热力循环是不完整的。但是，可以认为在T-S图上一个完整的热力循环是由许多在不同温差下的微小卡诺循环组合成的。实际循环效率是许多微小卡诺循环的平均值。,几种常见的回热式热机,回热式发动机主要包括：Stirling（斯特林）发动机热致声发动机新型热声驱动脉管发动机回热式制冷机主要包括：Stirling制冷机，Vuillenmier制冷机脉管制冷机G-M制冷机和Solvay（索尔文）制冷机,第三部分,回热式低温制冷机StirlingGifford-McMahonPulsetube,机构示意图,回热式制冷机结构特点,压力波发生器（压缩机）：提供系统容积或压力变化回热器(蓄冷器)：在回热过程中存储和释放热量(冷量)热端和冷端换热器：实现与不同温度下外热源的热量交换,回热式制冷机工作特点,1.依赖可压缩流体工质的周期性振荡(波动)与回热器固体填料间的有限热相互作用，导致一个循环净效应是产生功(发动机)或从低温端泵热(制冷机)2.流体工质的周期性振荡是由外部提供的合适的容积或压力变化产生的3.主要特征是：热力学参数(压力，温度，密度，流量，焓流等)具有波动特性，它们之间存在复杂的相位关系，它们的振幅和相位决定回热式热机系统的效率,回热式制冷机回热器结构特点,1.多孔介质固体填料组成，由细金属丝网(不锈钢，磷青铜等)，小金属球或颗粒，磁性材料组成2.工质在压缩和膨胀工作中吸热和放热过程均在回热器中完成，所以回热式制冷机效率取决于回热器的换热效率，因而：阻力系数要小，压降小，即填料空隙率大填料的比换热面积要大，径向导热系数大，以增强工质和填料间的热交换，要求填料空隙率小填料的比热容要大，使得填料的蓄冷能力大填料轴向导热系数小，以减小轴向导热损失3.上述要求是互相矛盾的，因而对回热器的实际设计要求很高,回热器效率,1.工作在300-50K的G-M制冷机，其理论制冷量为42W，其回热器热负荷为：2240W，若其效率为98%，则回热器损失为45W，已经大于理论制冷量，这还不考虑其它损失2.对于G-M制冷机或低频脉管制冷机，其回热器效率通常高达99%3.回热器的工作效率不但取决于气流与填料之间的热交换，很大程度取决于填料和气体之间的体积比热容：4.通常情况下，固体的体积热容是由于晶格系统的热振动,几种间壁式制冷机(Recuperativecryocooler),采用间壁式换热器工质运动是定常的工质压缩和膨胀工作过程是在不同的通道内进行的两侧通道内的压力和流速不等，换热系数不同，效率较低,第四部分,脉管制冷机特点和工作原理研究背景和意义研究现状和问题,脉管制冷机结构特点,冷端无机械运动部件，无低温活塞密封，磨损振动和电磁干扰小结构简单，整机控制方便失效率低，可靠性高工作寿命长,利用一股压力周期性变化的气流在一根低导热率的管中振荡，通过流体工质的压缩膨胀过程来实现制冷，属于回热式制冷机与传统的G-M和斯特林制冷机的根本区别在于：它的低温端没有机械运动活塞或排出器，以薄壁管内振荡的“气体活塞”代替冷端排出器热力循环是回热式热力循环，对于G-M和斯特林制冷机，合适的相位差是由冷端运动活塞(排出器)与压缩机活塞以一定相位关系的相对运动来实现。对于脉冲管制冷机，这个相位差是通过热端的相移器调节“气体活塞”的运动来实现,脉管制冷机工作特点,脉管制冷机制冷原理,脉管制冷机工作过程,脉冲管制冷机压缩膨胀过程,脉管制冷机研究背景和意义,近年来得到飞速发展，主要在于它特别适合：-空间等长寿命应用场所-高灵敏度低温光电子器件，高低温超导器件可以作为稀释制冷机的前级冷却源，以代替液氦低温槽，进一步冷却到毫K级的温度在液氮温区，可以部分代替Stirling制冷机在液氦温区，可以部分代替G-M制冷机,脉管制冷机分类,a)斯特林型：压缩机直接与制冷机相连，两者频率相同，运行频率较高（10-70Hz)，体积较小，常用于微型和液氮温区b)G-M型：通过旋转阀(或电磁阀)交替与压缩机高低压端相连，频率由旋转阀控制，而不是压缩机频率。一般频率较低（0.5-4Hz），扫气体积较大，常用于极低温区（20-3K）,斯特林型脉管制冷机（整体）,斯特林型脉管制冷机（分置）,斯特林型脉管制冷机主要研制单位,美国：自1991年，为保证其空间技术优势，在斯特林型脉冲管制冷机研究投入巨资，主要投资者：DoD、NASA和BMDO等，主要管理者：JPL、AFRL和LMMS等，主要研制者：TRW、NIST，LMMS，LMAT,Sunpower等欧洲：欧洲宇航局(ESA),法国原子能总署低温部(CEA-SBT)、英国卢瑟福阿波顿实验室(RAL),马特拉马可尼空间公司(MMS-B),荷兰SignnalUSFA等日本：SumitomoLtd，ToshibaCo，NASDA等中国：1991年，中科院低温中心结合我国空间探测器的需求，进行了液氮温区空间应用和非空间应用两类微型脉冲管制冷机的研制,G-M型脉管制冷机（单级）,G-M型脉管制冷机（两级）,G-M型脉管制冷机主要研制单位,美国：Cryomech,Janis,APD，CTI,IGC等日本：AISINSEIKICo，SumitomoHeavyInductries,Ltd,ToshibaCo.,MitsubishiElectricCo.,NASDA等欧洲：英国Oxford仪器公司,德国Leybold公司法国原子能总署低温部(CEA-SBT)、Airliquide,德国Giessen.JenaUni.，Dresden,KarlsruheUni.,荷兰EindhovenUni.等韩国：LGElectronics,KoreaAIST等中国：中科院理化所（原低温中心），浙江大学，西安交通大学，华中科技大学，合肥电子部16所等,表面泵热理论,焓流调相理论,脉管制冷机理论效率,进展,新型低阻力、大热容、高比表面积回热器填料（如新材料，光刻，腐蚀，激光加工等技术）直流现象(DC-floworStreaming)的机理，对制冷性能的影响和抑制二次环流(AcousticStreaming)对制冷性能的和冷头方向影响Inertancetube(惯性管)，第二小孔等新型相位调节机构膨胀活塞，非对称喷嘴等回收功装置热声驱动压缩机,直流（DC-flow）,-一周期内进出制冷机各横截面的气体工质质量流量不相等，有朝一个方向的净流量，在回热器、脉管和双向进气组成的封闭通道中形成稳定一环流-原因：(1)密度的差异引起质量流量不平衡,(2)阻力元件的结构不对称,(3)管壁的粘性、热作用存在RayleighStreaming，引起直流,二次环流(AcousticStreaming),即脉管内局部的直流现象，有两种：一是交变流动工质在粘性穿透深度范围内与管壁互相作用而引起(RayleighStreaming)；二是通过孔阀的射流产生-它使脉管内处于不同温度的气体互相混合，引起制冷性能降低。由射流引起的可以通过整流器来抑制，而RayleighStreaming则可用锥形脉管结构来抑制,长径管（Inertancetube）,由Inertia和Inductance合并而来。长颈管利用细长管内振荡气流的惯性作用来调节相位差，在发挥双向进气流程优点的同时不产生直流现象,第二小孔,1997年由浙江大学陈国邦教授研究组在研究两级脉管制冷机时提出，将气库与低压管连通，获得了3.1K的最低制冷温度第二小孔抑制直流的原理在于将直流限制在热端,第五部分,热声驱动制冷机完全无运动部件低温制冷机,热声制冷机主要特点,一种利用热声效应的能源转换和利用技术，它具有环保和高可靠性等潜在优点除内部的流动工质外没有任何的运动部件，从根本上消除了常规机械制冷机所固有的磨损和振动它可以采用热驱动，可以利用低品位能量，从而提高系统的热力学效率，这对于那些缺乏常规能源的地区具有实际意义,热声制冷机发展历史,完全无运动部件的热声制冷机是重要发展方向之一热声制冷的概念(基于热声理论)是LANL的Wheatley等于80年代提出1985年海军研究院的Hofler研制出第一台电扬声器驱动的热声制冷机，获得193K低温1986年发明了板叠式(Stack)回热器的热声发动机1990年LANL的Swift与NIST的Radebaugh合作将此热声发动机用来驱动小孔脉冲管制冷机，研制成世界上第一台无运动部件的制冷机，获得90K低温1997年Swift等研制出世界上最大的热声驱动脉冲管制冷机，谐振管长12m，用于天然气液化，2kW/120K，约需要燃烧30的原料天然气来液化剩余的70的气体,第一台电扬声器驱动的热声制冷机,1985年Hofler频率:500Hz压力:10bar压比：1.06温度：193K,舰载电子热声制冷机,1995年，Garrett，频率:320Hz，压力:20bar94%He+6%Ar,419W制冷量,热声驱动脉管制冷机,世界上最大的热声驱动脉管制冷机,热声脉管制冷机研究现状,关键技术：高效率热致声发动机研究发展方向：实用化的高效行波型热声发动机研究，以推动完全无运动部件制冷机的实用化一般驻波型热声发动机转换效率为10%-15%目前大型发电厂的郎肯循环发电机的热转换效率为30-50%，内燃机（汽车发动机）的效率是25-40%1999年LANL研制的行波型热声发动机实现了30%的热转换效率，达到卡诺效率的41%2005年中科院理化所采用聚能热声谐