其他制冷技术

6.1磁制冷技术随着蒙特利尔等协议的签订，制冷空调行业的环保与节能问题受到了广泛的重视。磁制冷以其高效节能、无环境污染、运行可靠、尺寸小、重量轻等优点倍受关注。开发出的磁制冷样机，循环效率最大为卡诺循环的60%，COP高达15，最大制冷量可达600W。磁制冷将可能替代传统的气体压缩式制冷，是一种极具开发潜力的节能环保制冷技术。第34讲其他技术（1）

6.1.1基本原理由磁性粒子构成的固体磁性物质，在受到外磁场的作用被磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量。这种磁性粒子系统在磁场的施加与去除过程中所呈现的热现象称为磁热效应。磁热效应是所有磁性材料的固有本质，下图中T-S图表示了铁磁物质在磁有序化温度（居里温度Tc）附近的磁热效应。水平方向箭头△Tad表示绝热温变，竖直方向箭头△SM表示等温磁熵变，它们分别可用来表征磁热效应（MCE）的大小。第34讲其他技术（1）

热磁效应（MCE）示意图常压下，磁体的熵S（T，H）是磁场强度H和绝对温度T的函数，它由磁熵SM（T，H）、晶格熵SL（T）和电子熵SE（T）3部分组成，即 S（T，H）=SM（T，H）+SL（T）+SE（T） 可以看出，SM是T和H的函数，而SL和SE仅是T的函数。因此当外加磁场发生变化时，只有磁熵随之变化，而SL和SE只随温度的变化而变化，所以SL和SE合起来称为温熵ST，于是上式可以改为： S（T，H）=SM（T，H）+ST（T） 在绝热过程中，系统熵变为零，即： △S（T，H）=△SM（T，H）+△ST（T）=0 当绝热磁化时，工质内的分子磁矩排列将由混乱无序趋于与外加磁场同向平行，根据系统论观点，度量无序度的磁化熵减少了，即△SM<0，所以△ST>0，故工质温度升高；当绝热去磁时，情况刚好相反，使工质温度降低，从而达到制冷目的。这种制冷方法就是绝热去磁制冷法，即磁制冷。下图为磁制冷过程的四个阶段。顺磁盐3由不导热的支持物置于充有氦气的容器4中。首先顺磁盐被充入容器中的气体氦冷却，这时液氦中的氦蒸发，被真空泵抽走，温度保持在1K左右(图a)；接着在温度保持不变的情况下，顺磁盐被磁化，磁化过程中产生的热量由容器中的氦气传给液氦(图b)。然后将氦气从容器4中抽出(图c)，以形成绝热环境。最后，去掉磁场(H＝0)，顺磁盐被去磁，温度下降为Tf(图d)。绝热去磁制冷的四个阶段a）顺磁盐冷却b）磁化c）抽除氦气d）绝热去磁1-阀门2-液氦3-顺磁盐4-氦容器5-磁体6.1.2磁制冷机研究根据温度的不同，可将制冷温区划分为极低温区（趋于0K）、低温区（<15K）、中温区（15-77K）和高温区（>77K及室温区）。同样，磁制冷机的研究也分为这样4个区。在低温温区（<15K），由于磁致冷材料的晶格熵可忽略不计，这方面的研究到上世纪80年代末已经非常成熟。由于中温温区是液氢的重要温区，而绿色能源液氢具有极大的应用前景，所以该温区的研究受到了广泛重视。

对于高温温区，研究的重点在室温温区。在室温范围内，磁致冷材料的晶格熵很大，如果不采取措施取出晶格熵，有效熵变将非常小；另外，在室温范围内强磁场的设计以及换热性能的加强都是很关键的。总之，目前室温磁制冷的研究水平远远低于低温范围的研究。自1976年Brown首次在实验室实现室温磁制冷以来，科学家们在室温磁制冷的研究上进行了各种尝试，开发出了多种实验样机。（1）Brown磁制冷机1976年美国NASA的Lewis研究中心的G.V.Brown首次在实验室实现了室温磁制冷。水冷电磁体提供高达7T的磁场，磁工质为1mol的金属钆，放在等间距排列的圆筒形不锈钢蓄冷器中，作上下往复运动，采用近似Ericsson循环。通过开关控制依次实现退磁吸热、等磁场（零磁场）、励磁放热和等磁场（强磁场）4个过程。大概经过50次的循环，实现了冷端(272K)、热端(319K)的47K的温度跨度。（2）Steyert磁制冷机1978年，美国LosAlamos实验室的Steyert设计了采用Brayton循环的回转式结构磁制冷机。用213kg钆（Gd）制成直径约为150mm的多孔转盘，采用与转盘转向相反方向流动的强制水流进行热交换。当高低磁场差为112T、冷热端温差为7K时，获得了500W的制冷量。该系统效率高，但是所能获得的最大温度跨度仅为9K。（3）Zimm磁制冷机1996年，美国宇航公司的CarlZimm采用Brayton循环研制的往复式结构磁制冷机使室温磁制冷技术取得了突破性进展。该系统采用NbTi超导磁体产生磁场（最大5T），以3kg的Ga为制冷工质，水（加防冻剂）为传热介质。实验结果表明：在5T的磁场强度下，COP最大可达15，效率接近卡诺循环的60％，最大制冷量可达600W。（4）Ames磁制冷机美国依阿华州州立大学Ames实验室和美国宇航公司联合研制成功首台采用永磁体作为磁场的旋转式磁制冷样机，如下图所示。该装置利用了具有高磁熵变的Ga—Si—Ge合金的巨磁热效应，磁场强度是常规永磁体的2倍，粉末状的金属Ga填入环形蓄冷器中，蓄冷器在驱动器的作用下回转运动。经历磁化、退磁和吸热放热过程。旋转式磁制冷机旋转式磁制冷原理6.1.3开发磁制冷技术需解决的问题（1）开发高性能的磁制冷材料。目前应用的磁性物质主要是钆、钆硅锗合金以及类钙钛矿物质，其温度跨度比较窄，磁热效应还不能达到室温制冷的要求。针对应用前景看好的室温磁制冷，大力开发具有巨磁热效应的磁制冷材料已成为当今磁制冷研究的主流。（2）磁体及磁场结构的设计。目前普遍采用永磁体、电磁体及超导磁体为磁制冷供应磁场。永磁体结构简单、来源广泛、适用性强，但一般只能提供1.5T左右的磁场；超导磁体及电磁体可提供5~7T左右的磁场，但其结构复杂且成本昂贵。

（3）磁制冷循环。在极低温下，可以用卡诺循环及Ericsson循环达到较高的制冷效果，但对于室温来说，则应考虑采用Stiring、Ericsson等循环。（4）蓄冷及换热技术。在极低温区，可以不考虑蓄冷的问题。但在中温及高温区，磁制冷的晶格熵的取出必须依靠蓄冷器，所以蓄冷材料的选择以及蓄冷器的设计就显得尤为重要。另外，由于整个磁制冷系统的实际效率主要取决于蓄冷器及换热器性能的优劣，必须使得磁热效应产生的冷量尽快尽多地带走，就需要对蓄冷器以及换热器进行优化设计。6.2热声制冷技术在最近的二十多年，世界各地的许多物理学家和机械工程师们都在致力于研究这种基于热声理论的新型热机和制冷机。与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比，热声制冷机具有无可比拟的优势：无需使用污染环境的制冷剂，而是使用惰性气体或其混合物作为工质，减小了因使用CFCs和HFCs对臭氧层的破坏、产生的温室效应对环境的危害；其基本机构非常简单和可靠，无需贵重材料，成本上具有很大优势；无需往复运动的活塞、气缸密封和润滑，无运动部件，寿命长。热声制冷技术几乎克服了传统制冷系统的缺点，可成为下一代制冷新技术的发展方向。长期以来，热声系统的效率较低的问题一直成为热声产品实用化的瓶颈，前期的主要产品也限于使用在军事领域，由于各国学者的不懈努力，近几年，热声制冷机的效率获得大幅度的提高，尤其是美国LosAlamos国家实验室经过潜心研究，在效率上获得革命性的突破，其热声热机的效率达到0.2~0.4，可与现有传统的蒸气压缩过程的内燃机和制冷机相竞争的水平。效率的大幅提高为热声制冷技术发展扫清了最后的障碍。6.2.1热声制冷原理所有的热声产品的工作原理都基于所谓的热声效应。热声效应机理可以简单描述为在声波稠密时加入热量，在声波稀疏时排出热量，则声波得到加强；反之声波稠密时排出热量，在声波稀疏时吸入热量，则声波得到削弱。热声装置是指利用热声技术的各种能量转换功能制成的装置，包括各种制热机和制冷机。热声制冷机的主要结构如下图所示，主要包括声驱动器、谐振腔、热端和冷端换热器及板叠。热声制冷机结构1-声驱动器；2-热端交换器；3-板叠；4-冷端交换器；5-谐振腔；6-硬端声驱动器的作用是谐振腔中产生高幅的声能，是能量源，声驱动器可以是喇叭、活塞振膜或线性电机。谐振腔的作用是与声驱动器相匹配而产生谐振的声波。热端和冷端换热器是将热量或冷量输出。板叠是热声制冷机的最重要的部件，它可以是平行叠加的板叠，也可以是其它多孔介质材料，热声效应就是在板叠内完成的。板叠内的气体微团在声波的作用下左右运动，同时被压缩或扩张，在合适的相位下，气体微团在压缩时向左运动并对板叠放热，在扩张时向右运动并从板叠吸热。大量微团微观上的协调一致的周期性运动不断将热量从冷端泵向热端，使板叠产生温度梯度，从而形成宏观的泵热效应，同时也不断地消耗声功。相反，热声发动机是利用热能转化为声能，其结构同热声制冷机的结构相同在热端换热器加热，使板叠产生温度梯度，在温度梯度达到一定的阈值的时候，就会自激振荡而产生谐振的声波，此时板叠内气体微团的热力学循环是相反的，气体微团在压缩时向左运动并从板叠吸热，在扩张时向右运动并对板叠放热。从而使得宏观上声波不断加强，热能被转化为声能。一个理想的结构是将热声发动机与热声制冷机结合起来，形成热驱动的制冷机，如下图所示，此装置的最大优点是完全无运动部件，具有极长的寿命，是太空制冷机的最佳选择。同时这种装置直接将热能转化为冷量，对于太阳能丰富的夏天来说，将洁净的太阳能直接转化为冷量，可以称之为纯天然制冷机。另外，它还可利用燃气、工业废热、太阳能等低品位的或可再生的能源作为装置工作的驱动热源，适应当今节约能源和环保的要求。热驱动的热声制冷机或热泵6.2.2热声制冷机及其应用世界上第一台热声制冷机是在八十年代早期制造的，其后近二十年的研究和发展，出现了各种结构形式的热声制冷装置，其设计水平及制造工艺也在不断的提高。目前，美国在热声领域内的投入最大，研究机构最多，取得了许多突破性进展，也反映了当今热声制冷技术的最高水平和发展趋势。（1）热声驱动的热声制冷机在热声驱动的热声制冷机（TADTAR）方面，NPS的Garrett和Holfer的热声研究小组，在2000年左右，开发了太阳能驱动的热声制冷机，温差18℃时制冷功率2.5W。右图为Holfer首先研制的热声制冷机实验装置图。实验结果表明，输入谐振管的声功率大约为10W，工质为氦，压比为，获得的最低制冷温度为193K。热声制冷机实验装置图1-线圈；2、5-热、冷端换热器；3-蓄冷器；4-塑料棒；6-活塞；7-冷却水管（2）热声驱动的脉管制冷LANL与工业伙伴Cryenco合作，在1997年开发了低温制冷技术——热声驱动的脉管制冷。该技术能达到115K的制冷温度，装置无运动部件，它是利用燃烧天然气作为热源的热声发动机，来驱动脉管制冷机。已开发了制冷量为2kW，0.5m3／天的液化天然气生产能力的装置，该装置是驻波热声发动机驱动器，效率为卡诺效率的23％。目前正在开发行波发动机来驱动脉管制冷机的装置，行波装置的效率更高，该装置的设计能力是140kW的制冷量，燃烧20％的天然气来液化80％的天然气，日生产能力为50m3／天。（3高）开宝式热痛声制大冷和觉空调以上童介绍歇的都帅是闭刘式循觉环的府热声叶装置良。为盐提高拉热声定转换犯效率尊、简也化结础构和忍适于径小温窗差大蒸冷量裁的空刘调应乡丰用，绘美国震从1纳99吉8年精至今妇，一伍直在脆致力隔于开漫式热泳声制算冷装每置的侍开发绑，装否置的沉原理铃是耦歪合外谨部稳附定的阳流体继，使拉均流背与振抬荡流蝇体叠寺加，群直接瓦参与挠能量默的交于换和锐转换责，减扩少了碌不可建逆损栏失，嗓提高灰了系察统的贵性能胃，也控可减慎少和颈省去坑换热婆器。劣在原姨理上钉，开纽奉式比删闭式移的热贩声装系置效戴率更涉高，铅结构系更简气单。假20答04俗年，贯美国算又开挥发了认内燃珍式开秆式的碗热声回发动晋机实博验装罗置，偶相信买不久座也将统用于盏驱动匙热声使制冷绿。（4售）高僚频微损型热色声制井冷随着哥微电若子技嫂术的汪进步示，在检单位便面积退上可删集成余的芯述片和蕉电路宽愈来壶愈多号，因目此在辞系统侧尺寸男不断尝缩小漏的同询时，根单位踢面积朽的散秃热功土率也嫩在不报断增弦大。咐因此爪微电膛子元制件和锈系统戏的散龄热问部题已独成为蚂制约姜其发胡展的费主要尤障碍政。目峡前热擦声制严冷因妥环保次，结太构简潜单，模无可窝动部输件或众少有清的可腾动部伏件（锄如压菠电晶除片）拉、工嫂作频殿率范评围的戴可选补择性超使其罪易于戒高频时微型楚化，越且适撕于与钢微电碗子芯垒片和亭系统竞界面免相结搂合等通独特从的优郊点，狐使其芝在芯地片和段微电效子电柳路系凝统的贱热量雀管理棉中前融景看臣好。辅最近执几年吊，国俘外正黄在开树发微股型的薪热声棍制冷写装置岁，利粮用压念电驱迟动器州，来的驱动弯与微浓制造酷结合照的热冷声元荡件和亭谐振合腔，蓬应用践于微过电子刷芯片严和微谜电子伤电路激系统融的散典热冷杀却。毒美国委Ut当al荷大学现进行怀了深平入的敌研究灿，2衡00苍4年奶已开卧发了卵大小唤在4额cm舟，4酬.5册kH缎z的吩高频峰热声磨制冷疲机样腰机，苗使用僻的是添一个友大气缩慧压的会空气蜻工质厅，压而电喇梁叭作小为声例驱动影器，罢制冷哥温差巡寿能达割到1杏1℃讲。当皱然，探这仅确仅是回一个舰实验棚样机攀，还纠有许跨多改胞进的榜空间粪，如忽使用待其它基惰性缴气体拉、提茂高工桂质的丧均压鹅、使陈用其叨它工麦质，叛以及虑改进紧谐振扶腔形低状等勉均可畜进一泡步改侦善系确统性小能系纤数。6.叛2.荡3和国惨内热厌声制汇冷的狐研究辩状况国外牛热声共研究够较深消入的叉，除巨美国稻外，何还有颜日本宵、法现国、移英国慎、德肌国、危荷兰还等国袭家。手世界市各地尊的高店等院思校和奏研究怒机构棵都在馋竞相吗研究征开发盗热声差技术华及其得应用附产品塔。在用我国衡，华宴中科拨技大浆学最邀先开邮展热姨声技搂术的尘研究缸，已饿有十德余年裕的历走史，足是国缸内热坡声研脂究的杨中心唇。热声侨技术涛的应肌用是僚相当冈丰富津的，吓热声御能量遭转换璃技术哥将会屈给包姑括制掩冷工傻业在所内的剪整个发能源疮工