几种新型制冷技术

1、浅谈几种新型制冷技术浅谈几种新型制冷技术引言：20世纪初，人们谈论的话题只是能源，而21世纪初，人们谈论的话题则是能源危机。这说明在当今这个高速发展的社会，能源已经成为支撑国家经济发展的基础和核心问题。2010年,我国一次能源消费总量超过32亿吨标准煤，能源消费总量已经占世界总量的20%,能源消费总量已经超过美国，但经济总量仅为美国的三分之一左右。其中，我国的石油对外依存度已经超过55%,天然气也已经超过16%是进口，昨日的煤炭大国在2010年也已经是变成了净进口国。近年来，由于传统的制冷空调设备对氟利昂类制冷剂的大量使用，以及对电能的大量消耗成为导致当前环境与能源问题的重要因素。随着我国能源

2、结构的调整，太阳能、地热能、生物质能等可再生能源的应用比例不断提高。因此，研制和发展对臭氧层无损耗、无温室效应而且可以利用低品位能源作为动力的节能环保型的制冷技术是制冷领域研究的重要课题。一、太阳能制冷1、背景：人类进入21世纪以来，电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，据美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶，可供人类开采时间不超过95年。在2050年到来之前，世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在2250到2500年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。同时化石燃料燃烧后造成的排放污染问题日益凸显，能源问题日益成为制约国际社会发展的瓶颈。太阳能既是一次能源，

3、有是可再生能源，可免费使用，又无需运输，对环境也没有污染，具有无可避免的自然优势。同时，我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源，有/3以上的地区日照大于2000小时，太阳能资源的理论储量大每年7000亿吨标准煤1。2、原理：主要有吸收式、吸附式、冷管式、除湿式、喷射式和光伏等制冷类型2-3(1) 太阳能吸收式制冷：用太阳能集热器收集太阳能来驱动吸收式制冷系统，利用储存液态冷剂的相变潜热来储存能量，利用其在低压低温下气化而制冷，目前为止示范应用最多的太阳能空调方式。多为溴化锂一水系统，也有的采用氨一水系统。(2) 太阳能吸附式制冷：将收式制冷相结合的一种蒸发制冷，以太阳能为热源，采用的工质对通常

4、为活性碳一甲醇、分子筛一水、硅胶一水及氯化钙一氨等，可利用太阳能集热器将吸附床加热后用于脱附制冷剂，通过加热脱附一一冷凝一一吸附一一蒸发等几个环节实现制冷。(3) 太阳能除湿空调系统：是一种开放循环的吸附式制冷系统。基本特征是干燥剂除湿和蒸发冷却，也是一种适合于利用太阳能的空调系统。(4) 太阳能喷射式制冷：通过太阳能集热器加热使低沸点工质变为高压蒸汽，通过喷管时因流出速度高、压力低，在吸入室周围吸引蒸发器内生成的低压蒸汽进入混合室，同时制冷剂任蒸发器中汽化而达到制冷效果。(5) 太阳能冷管制冷：这是一种间歇式制冷，主要结构是由太阳能冷管、集热箱、制冷箱、蓄冷器和冷却水回路等组成，是一种特殊的

5、吸附式制冷系统(6) 太阳能半导体制冷：该系统由太阳能光电转换器(太阳能电池)、数控匹配器、储能设备(蓄电池)和半导体制冷装置四部分组成。太阳能光电转换器输出直流电一部分直接供给半导体制冷装置进行制冷运行，另一部分则进入储能设备储存,以供阴天或晚上使用，保证系统可以全天候正常运行。2-33、优点：热源温度要求低,可以在比较大的热源温度波动范围内工作;活动部件少;对环境无害，环保。吸附式制冷不需氯氟氢类物质，因而对环境不会产生破坏，同时可以节能。4、应用与发展：目前，我国的建筑能耗占社会总能耗25%以上，而在建筑能耗中，空调能耗占到50%以上，并且建筑物空调的需求量呈逐年上升趋势，给能源、电力和

6、环境带来很大的压力，在这种情况下，推广和发展太阳能空调系统可以节约大量的一次能源并减少能源转换污染物的排放，符合可持续发展战略的要求。利用太阳能光热转换获取热量驱动空调制冷机组，具有良好的季节适应性，太阳辐射越强，系统制冷量越大，与建筑空调负荷变化一致。随着太阳能集热技术的不断发展和常规能源价格的持续上涨，太阳能空调系统的投资将越来越低，系统的性能将越来越好，运行经济性和环保效益将更加突出，将会有更多的行业在空调制冷系统中推广利用的太阳能这一取之不尽的免费清洁能源。4二、余热制冷：1、背景：工业余热资源普遍存在，特别在石油化工、钢铁焦化、合成氨、聚酯化纤，橡胶和多晶硅等行业的生产过程中，都存在

7、丰富的余热资源，但是我国工业余热资源回收率仅33.5%。工业领域中消耗的大量的能量，最终以低温热水的方式排放掉，造成了很大的浪费。同时，汽车行业每年消耗大量的化石燃料，2011年全球汽车总产量高达80,064,168辆。汽车发动机的实用效率一般为35%-40%左右,约占燃料发热量一半以上的能量被发动机赶套循环冷却水及尾气带走。所带走的热量约占发动机燃料发热量的30%,发动机尾气温度约在450°C以上，可利用的尾气余热最低温度约为180°C,相应的可利用热量约占燃料发热量的20%以上。52、原理：工业余热制冷一般采用吸收式制冷原理，其原理如下图所示:汽车预热制冷技术有喷射式，

8、吸收式，混合式等方式。吸收式制冷技术：余热驱动吸收式制冷装置以溴化锂水溶液为工质，各换热器独立安装于车厢底板下且位于同一平面内，利用特殊设计的连接管道连接形成密闭回路，合理利用车上的有限空间，解决现有汽车发动机余热驱动吸收式制冷设备因体积和重量过于庞大而无法应用于车辆上的问题。喷射式制冷：由蒸汽喷射器、蒸发器和冷凝器（即凝汽器）等设备组成，依靠蒸汽喷射器的抽吸作用在蒸发器中保持一定的真空，使水在其中蒸发而制冷3、发展和应用：韩国忠北大学提出的高低温双热电发生装置的余热回收系统，可提高燃油经济性10%以上。试验证明在室温30C的环境下，4cmX4cmBi2Te3热电模块高温端在100C200C时

9、，能产生023006.7V/3.39A1.445.68W的电能。在改善燃油经济性和混合动力汽车的研究方面发挥了巨大的潜力。Ford汽车公司利用发动机废气余热发电技术设计了暖通空调系统（HVAC）来改善轻型车的舒适性，提高了能源的利用效率。该系统的能源利用系数设定在制冷系统cop1.3,热泵系统cop2.3,并且优化了热点转化材料的转换优值ZT,提高了热点转换效率。6三、磁制冷1、背景：磁制冷技术可以克服传统的压缩制冷技术的缺点，是一种热效率高、对环境无污染、绿色环保的制冷技术。首先，磁制冷技术与传统的压缩制冷技术的制冷原理不同:磁制冷技术是依靠磁性材料的磁热效应，通过磁化和去磁过程的反复循环而

10、达到制冷目的的。而传统的压缩制冷技术是通过气体压缩和膨胀而实现制冷目的的。第二，磁制冷技术与传统的压缩制冷技术的制冷工质不同:磁制冷技术的制冷工质是固体，这就从根本上避免了使用有毒的、消耗臭氧层以及能产生温室效应的气体的排出。2、基本原理：磁制冷（又称磁卡效应，Magneto-CaloricEffect）即利用磁热效应制冷。磁制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时从外界吸收热量。对与铁磁性材料，磁热效应在其居里温度（磁有序-无序转变的温度）附近最为显制冷特点：著，当作用有外磁场时，该材料的磁熵值降低并放热；反之当去除外磁场时，材料的磁熵值升高并吸热7-83、制冷特点：采用磁性物质作为

11、制冷工质，也不导致温室效应。其运动部件少，减小了机械振动和噪声，可靠性高，效率高（能达到卡诺循环的30%60%）。其应用范围广，从“K、mK直到室温以上均适用；在低温（制取液氮、液氦、液氢）领域和高温（特别是近室温）领域都有广泛应用前景93、研究现状:2001年美国宇航公司（AstronauticsCooperationofAmerica联合Ames实验室开发成功了采用永磁体提供磁场的回转式磁制冷机，成为第一台室温磁制冷的制冷机。当前，低温区（20K以下）磁制冷的研究已比较成熟并实用化。高温区磁制冷还处于试验研究开发阶段，目前80K至室温的磁制冷技术是研究的热点。研究出低成本且具有巨磁卡效应的

12、材料以及利用NdFeB等永磁体产生外场（不用结构复杂而昂贵的超导磁体）是室温磁制冷关键。面临的主要困难：每次磁制冷循环所产生的温差还不够大，只有13K,磁性材料磁熵太小；热交换速度不够快，使制冷周期延长，整个循环效率下降；室温条件下，不利用超导技术，仍利用电磁铁或稀土永磁材料产生磁场，则两磁极面总存在空气隙，进入磁场的磁制冷材料有限，这要求有绝热效果好的隔热层。4、应用前景：磁制冷技术由于其节能环保的特点成为一项极具开发潜力的高新制冷技术，有着十分广阔应用前景，有望取代传统的压缩制冷方式，用于家用、商业、工业生产、汽车空调、超级市场、医疗卫生事业及其他用途的制冷装置，因而磁制冷技术有着广泛的经

13、济效益及社会效益。磁制冷技术要真正得以广泛应用，还需要在高性能磁性材料的开发、磁体和磁场结构的设计、蓄冷及换热技术的改进、磁制冷装置的设计等方面取得新的突破。在极低温和液化氦等小型装置中，其高效、无污染、无噪声等众多特点使其在未来的太空开发和民用需要方面让人充满期待；在要求制冷源设备重量轻、振动和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期长、工作温度和冷量范围广的国防领域也有很好前景。10四、热声制冷1、基本原理：简单地说，热声效应是由热在弹性介质（常为高压惰性气体）中引起声学自激振荡的物理现象。利用热声逆效应可以实现通过声波（交变机械能），将热从低温输送到高温的泵热过程。当高温端固定在环境温度时，

14、低温端的温度就会持续降低而实现制冷的功能。2、特点:无需使用污染环境的制冷剂，而是使用惰性气体和其混合物作为工质，因此不会导致使用CFCs和HFCs产生臭氧层的破坏温室效应而污染环境；无需振荡的活塞和密封润滑，无运动的部件，使寿命大大延长。3、研究现状：热声制冷分线性制冷和非线性制冷两种。线性热声理论已经成熟，非线性热声理论的研究也不断取得发展，热声制冷机正朝着利用低品位能源的目标前进。11最近几年各国的实验室研究成果主要如下：2006年法国国家科研中心制作了1台能调节驻波比率的热声谐振装置，可以简单和独立地控制声压场和质点速度场，通过优化板叠区域的声场研究，找到诸如温度梯度、传热性能和传热系

15、数最佳匹配关系，以达到热声制冷系统性能的优化。2007年美国普渡大学用DELTAE程序模拟双驻波热声制冷机配置以找到板叠冷热端换热器温差的最佳跨度，以使传热系数增大，研究发现当冷热端换热器温差达到80°C时为最佳跨度。研究结果和能耗显示系统效率适宜于制冷机，但对空调和低温冷却效果不好。2007年美国南伊利诺伊大学对热声传热和系统结构进行实验研究，研究揭示了传热系数、平均压力和振动频率之间的关系，当热声系统在一个合适的振动频率下，平均压力越大，传热系数越大,所以在提高传热系数的同时，要合理考虑板叠结构。2008年荷兰能源研究中心制作了l台同轴热声斯特林制冷机，由直线电机产生声功率驱动，

16、通过再生器将热量从冷端换热器泵给环境，测得性能系数达到卡诺效率的25%，温度达到一54C。54、发展和应用热声技术的应用是相当丰富的，热声能量转换技术将会给包括制冷工业在内的整个能源工业带来很大的影响，它的简单、环保、节能高效的特性符合当今时代的需要，有人曾大胆预言，热机（包括制冷机）的未来是属于绿色热声热机的。当然就目前的现状而言，由于设计水平远没有达到最优化的程度，材料的选择及制造技术都还在完善之中,而普通的制冷系统经过上百年的发展和改进,热声制冷单件的成本会高于普通传统制冷装置,但随着材料的选择和制造工艺的日趋成熟，可以肯定热声制冷机会具有极大的成本优势。热声制冷装置最有可能首先在这些中

17、小型和微型装置中获得市场应用份额，如应用于冰淇淋机、饮水机、家用冰箱、空调机、计算机微处理器等制冷中，所存在的巨大应用市场是显而易见的12五、地热制冷1、背景地热是指地球内部所蕴藏的热能，它来源于地球的熔融岩浆和放射性元素衰变时发出的热量。地热资源是在当前技术经济条件和地质条件下，能够从地壳内科学、合理地开发出来的岩石热能量、地热流体热能量及其伴生的有用组分，它与太阳能、风能、生物能、海洋能等统称为新能源，将太阳能、风能、潮汐能与地热能加以比较，地热能是新能源中最为现实的能源。我国是地热资源相对丰富的国家，地热资源总量约占全球的7.9%，可采储量相当于4626.5亿t标准煤。最新数据表明，我国

18、287个地级以上城市浅层地热能资源量为每年2.78X1020J,相当于95亿吨标准煤。每年浅层地热能可利用资源量为2.89X1012kWh,相当于3.56亿吨标准煤。扣除开发消耗电量，则每年可节能2.02X1012kWh，相当于标准煤2.48亿吨，减少二氧化碳排放6.52亿吨。52、基本原理：主要是运用热泵从浅层地能中(土壤、地下水或地表水)吸取大量的低温位热量(或冷量)通过热泵系统循环把吸取的热量从低温位提升到高温位，为用户提供冬季供暖、夏季制冷空调、全年热水供应或制冷空调。3、优缺点：传统的空调系统采用风冷换热器或水冷换热器，其换热环境直接或间接为大气,而大气换热不可避免地受到环境条件变换

19、的影响。而对于地源热泵,换热器是介质和大地地表浅层换热，地能不受气候、资源、地域、地质结构限制。因此地源热泵系统具有普通中央空调和锅炉不可比拟的优点：1、充分利用可再生能源，经济又环保。2、环境效益显著，地源热泵既不破坏地下水资源又无任何污染，供热时省去了燃煤、燃气等锅炉房系统。3、系统运行稳定、使用寿命长，需维护较少，可大大节省维护费用。4、控制设备简单，方便操作中央控制仅需选择水路控制,除去了一般中央空调集中控制所有参量的复杂环节。地源热泵系统的缺点：(1) 水温变化会影响水源热泵的工况。(2) 不同地质条件含水量不同，水源量大小会影响回灌量，从而导致工况的不稳定。(3) 水源水质的好坏影

20、响地源热泵系统的正常运行。比如，如地下水中含沙量过高，会堵塞管道影响换热。134、发展和应用：地源热泵供热制冷节能环保系统应用技术在国外已推广50多年，技术成熟，普及程度高，效果显著，在我国，浅层地热能的开发利用目前总体上还处于起步阶段。随着我国能源结构的战略调整和热泵技术的逐步提高完善，浅层地热能也将成为一种备受重视、得到积极开发利用的新型能源。据统计，国内5000m2以上建筑应用地源热泵系统约3000项，总使用面积超过5000万平方米。随着技术的成熟和发展，地热源制冷技术必定会有广发的应用和普及。14六、激光制冷1、基本原理现阶段激光制冷方法有两种：多普勒制冷技术和反斯托克斯荧光制冷技术。

21、1、多普勒制冷技术：我们周围的一切分子和原子都在进行着永不停息的无规则热运动，而温度这是表征这种热运动剧烈程度物理量，温度越高，其热运动越剧烈，反之，运动越趋平缓。通过降低这些分子或原子的总体上的热运动的剧烈程度来制冷的。多普勒冷却技术的原理就是通过激光发出光子来阻碍原子的热运动，达到冷却物体的目的。2、称反斯托克斯荧光制冷，是正在发展的新概念的制冷方法。其基本原理是反斯托克斯效应，利用散射与入射光子的能量差实现制冷。反斯托克斯效应是一种特殊的散射效应，其散射荧光光子波长比入射光子波长短。因此，散射荧光光子能量高于入射光子能量。其过程可简单理解为：用低能量激光光子激发发光介质，发光介质散射出高

22、能量的光子，将发光介质中的原有能量带出介质而制冷。与传统制冷方式相比，激光起到了提供制冷动力的作用，而散射出的反斯托克斯荧光则是热量载体2、技术特点由于制冷材料对泵浦光的吸收有限，导致制冷效率降低，制冷系数小、制造成本高，当前试验效率均不高于3%53、研究现状激光制冷的研究工作已经取得了很大的进展，特别是近些年在实验研究方面的重大突破。但与传统机械式低温制冷机相比，激光制冷的发展还处在初始阶段。为了进一步提高激光制冷的性能，研究工作还需在以下几个方面做出努力：（1）从强化反斯托克斯效应角度出发，寻找具有更适当能级结构的原子（或离子、基团）作为制冷元件的荧光中心，以提高激光制冷循环的制冷量和制冷

23、系数。（2）发展激光技术，为激光制冷提供满足特定波长要求的高功率、高效率、低成本的激光发生器。（3）优化光路设计，提高入射激光的利用率，同时便于反斯托克斯散射荧光的溢出。（4）进一步提高发光介质的纯净度，从而减少杂质引起的无辐射驰豫寄生热对制冷量的消耗。（5）改进绝热系统，减少处于室温的部件向制冷元件的漏热。154、应用前景激光制冷技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数，用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标（原子钟），后来成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法。虽然早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用，只是在激光器发明之后，才发展了利用光压改变原子速度的技术。激光冷

24、却有许多应用，如：原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色爱因斯坦凝聚、费米子凝聚态、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。然后还有超冷分子，其为量子计算机的制造提供了可能性依据。除此之外，激光制冷还可在空间遥感领域发挥重大作用。同时，激光制冷器具有无振动、无噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长等优点，在农业科技（如电冰箱、制冷机等）、军事、航天等尖端领域均有广阔应用前景16展望：随着全球人口的激增，生活水平的不断提高，资源的匮乏已经日趋明显，环境不断恶劣，在全球范围内已基本形成保护环境和和节约资源的共识。制冷，作为人类生产生活不可或缺的一部分，制冷技术发展面临最重要的问题在于不断提高其环保和节能性能。当前，各种新型制冷技术发展迅速，尽管还没能得到广泛的推广应用，但其优