热声制冷技术

1、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/Tc10能产生热声震荡温度比=Th/Tc1.6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。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

2、。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0.110m.谐振管长为1/2波长或1/4波长。相对应温度7001000K温度300K pkcfkK-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）f1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。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

3、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 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

4、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、

5、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：上 式第一台 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%。 效率更高效率更高v变频直接驱动变频直接驱动-效率及部分负荷效率更高效率及部分负荷效率更高 无摩擦磁性悬浮轴承无摩擦

6、磁性悬浮轴承v二根径向二根径向/一根轴向磁性轴承一根轴向磁性轴承 R134a环保冷媒环保冷媒无油润滑，换热器传热表面无油粘附无油润滑，换热器传热表面无油粘附 超静噪音（超静噪音（150RT机组噪声低于机组噪声低于60dBA）120-150冷吨冷吨制冷机组制冷机组采用无油磁力悬浮采用无油磁力悬浮轴承压缩机轴承压缩机R134a制冷剂制冷剂MicroTech II 控控制器制器WMC(Water Cooled Magnetic Bearing CompressorMT II 机组机组控制器控制器MT II 压缩机压缩机 控制器控制器电子膨胀阀电子膨胀阀VFD启动柜启动柜#1#2视液镜察看阀体视液镜察

7、看阀体位置位置总计总计6386级，控级，控制机组制冷量制机组制冷量12 vac电机电机 电机冷却管路电机冷却管路干燥过滤器干燥过滤器制冷剂冷却电机和制冷剂冷却电机和电子部件电子部件电机温度过高将导电机温度过高将导致电机轴消磁致电机轴消磁系统不能为低温应系统不能为低温应用。用。60100冷吨，冷吨，R134a无油，磁力轴承无油，磁力轴承两级离心压缩机两级离心压缩机直接驱动直接驱动永磁同步电机永磁同步电机重量为重量为 122公斤公斤1. 磁力径向轴承磁力径向轴承2. 电机电机3. 磁力推力轴承磁力推力轴承4. 2级离心叶轮级离心叶轮5. 压缩机冷却电磁阀压缩机冷却电磁阀定位盘叶轮Y轴定位传感器传感

8、器固定盘前轴承后轴承传感器固定盘轴向轴承电磁体永久磁铁线圈1、埋管式土壤源热泵系统、埋管式土壤源热泵系统也称地下耦合热泵系统（Ground-couple heat pumps GCHPs）或土壤热交换器地源热泵（Ground heat exchanger heat pumps），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（）水平埋管地源热泵系统（Horizontal ground-co

9、upled heat pump） 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.（a）串联式水平埋管 （b）并联式水平埋管 2）垂直埋管地源热泵系统（）垂直埋管地源热泵系统（Vertical borehole ground-coupled heat pump）（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

10、汇集到集水器中，然后统一由干管接入机房。 集水管（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，Energy Piles），即在桩基里布设在换热管道。桩基（混凝土）竖管钢筋（d）地热智能桥地热智能桥,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3）螺旋埋管地源热泵系统（）螺旋埋管地源热泵系统（slinky ground-coupled heat pump）（a）长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统（b）长轴竖直布置

11、的螺旋埋管地源热泵系统（盘旋布置埋管地源热泵系统）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） （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沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统管地源热泵系统，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（地下水热泵系统（Groundwater heat pumps, 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

12、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12。 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。供水和回水集管单井换热热井（Standing column well heat pumps, 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

13、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3、地表水热泵系统（、地表水热泵系统（Surface-water heat pumps, 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、此外，还有一种“直接直接膨胀式膨胀式”（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（Refri

14、gerant in Tubes）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。 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.商用系统商用系统从输送冷热量方式可分为集中系统、分从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。散系统和混合系统。1）集中系统）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）分散系

15、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）混合系统 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

16、泵空调系统）水环路热泵空调系统 水环路热泵(Water-Loop Heat Pump，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，

17、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。1 管材（1）地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。金属管，虽然它的传热性能好，但耐腐蚀性差，使用1020年就已腐蚀坏。（2）聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管柔韧性好，强度高，而且可以通过热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头，得到广泛应用。（3） PVC（聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC管。（4）为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。 2选择埋管种类应注意的问题 （1） 了解制造商

18、提供管子所属的“管子体系”，该管子是由何种树脂制作而成，抵抗环境应力致裂的能力，有关管子材料说明和安装方法。 （2） 应选择导热系数大，流动阻力小，热膨胀性好，工作压力符合系统要求，工作温度-2070，售价相应较低的管材。 （3） 在保证要求情况下，选择的管材管壁尽量薄，配套用管件不应选择金属的，最好选用相同材料或工程塑料尼龙等材料制造的管件。 （4） 应要求厂家提供管子阻力计算用的图、表或相应的数据。 （5） 能按用户要求的管子长度，成捆供应，以减少埋管接头数量。 （6） 选用管子时注意管子的外径、内径及厚度。埋深都是20m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。排热工况 上右上右图图对周围土壤温度的影响取热过程排