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恳）磁梅制冷茧循环霉。在析极低婚温下总，可未以用夸卡诺穴循环拴及E愚ri贺cs娇so辉n循亩环达钳到较片高的乱制冷设效果漂，但木对于铁室温抖来说容，则衡应考洋虑采苦用S军ti素ri逮ng匠、E绳ri喇cs贿so夫n等绣循环芦。（4宽）蓄子冷及谢换热欣技术墨。在豪极低甚温区端，可关以不薄考虑兼蓄冷充的问背题。馅但在牌中温厨及高忆温区陈，磁传制冷扑的晶暑格熵桌的取允出必捉须依染靠蓄涌冷器绕，所死以蓄炸冷材访料的漏选择遇以及轮蓄冷庆器的掘设计启就显谷得尤爸为重赢要。惰另外刚，由拴于整拢个磁四制冷副系统眯的实施际效晶率主状要取赠决于辽蓄冷辩器及邮换热威器性桌能的未优劣瞎，必条须使窝得磁际热效侧应产纽奉生的泊冷量燥尽快切尽多缎地带焰走，牢就需爪要对美蓄冷帝器以屑及换责热器拢进行蔽优化贤设计弃。6.战2箩热蛮声制幻玉冷技侄术在最讨近的瓣二十菜多年灰，世恢界各精地的界许多互物理肿学家陪和机窃械工旨程师构们都秀在致突力于暖研究沿这种尸基于启热声声理论显的新住型热乱机和币制冷姓机。肉与传形统的鉴蒸汽势压缩虫式制隆冷系痒统相爆比，盛热声膏制冷叼机具斯有无悲可比宋拟的共优势意：无扎需使暖用污稳染环蜓境的框制冷魄剂，帝而是灰使用够惰性糊气体绝或其恒混合跃物作而为工裤质，粗减小递了因距使用股CF猎Cs罢和H跃FC吴s对慕臭氧锐层的庆破坏席、产抵生的柱温室务效应笑对环斜境的众危害择；其巷基本股机构抬非常盯简单谣和可志靠，掏无需章贵重顾材料庆，成收本上阳具有沈很大捞优势仪；无奔需往芒复运叫动的粱活塞夜、气穷缸密表封和皱润滑夕，无蹦运动河部件证，寿好命长桑。热胶声制贤冷技愤术几季乎克斧服了推传统查制冷怕系统泥的缺楚点，行可成今为下碎一代圣制冷正新技悠术的积发展像方向古。长杏期以对来，醒热声洒系统惩的效搁率较见低的夸问题宿一直拣成为员热声挎产品鼻实用骨化的允瓶颈僵，前腊期的咐主要馋产品殿也限矮于使皱用在膜军事笨领域壳，由族于各叔国学孟者的戏不懈栽努力灾，近所几年亮，热劫声制毅冷机绞的效烫率获御得大女幅度毙的提妻高，屋尤其常是美册国L仿os承A辰la结mo锄s国网家实呈验室呢经过棉潜心懒研究州，在晒效率汗上获体得革纵命性只的突孤破，敌其热膏声热污机的支效率碗达到颗0.晨2~疮0.保4，忍可与寸现有卖传统杏的蒸给气压柜缩过膜程的渣内燃姥机和遇制冷追机相殖竞争借的水风平。择效率疑的大轿幅提洽高为仆热声秆制冷往技术闹发展贸扫清腐了最危后的痕障碍笋。6.企2.编1榜热碧声制串冷原梁理所有涛的热杨声产途品的宫工作系原理灿都基购于所膊谓的里热声健效应帆。热滩声效寨应机取理可翁以简俯单描最述为今在声右波稠滩密时唐加入非热量胁，在横声波部稀疏表时排团出热呢量，芒则声职波得桥到加苏强；吧反之虚声波迹稠密倾时排究出热和量，融在声耐波稀屯疏时种吸入渡热量与，则痛声波坏得到概削弱纸。热工声装逗置是嚼指利减用热亚声技晚术的岗各种际能量谢转换娘功能煤制成镇的装毕置，丈包括黑各种姻制热毛机和酷制冷海机。步热声鹅制冷及机的苦主要姐结构布如下钻图所鄙示，吗主要怨包括贫声驱扩动器驻、谐带振腔温、热呼端和恒冷端萝换热缘瑞器及头板叠客。热声什制冷毯机结准构1-肝声驱鸽动器怪；2傅-热凤端交它换器织；3桑-板棉叠；献4-分冷端剂交换鹿器；善5-塑谐振容腔；从6-醒硬端声驱唇动器梦的作植用是湿谐振裤腔中神产生的高幅羽的声包能，幼是能蒙量源食，声岗驱动动器可贸以是赴喇叭色、活赵塞振命膜或糖线性刮电机悄。谐经振腔色的作嘴用是场与声努驱动骑器相华匹配壤而产债生谐盈振的黎声波葱。热司端和裙冷端罩换热刷器是饰将热蓝量或逃冷量界输出疼。板江叠是赏热声视制冷泛机的倍最重爽要的酸部件贯，它菜可以削是平床行叠尸加的馒板叠你，也铅可以蓬是其偶它多旱孔介称质材仆料，头热声皇效应妨就是祖在板盼叠内勺完成课的。绕板叠惨内的风气体帝微团昨在声腰波的王作用员下左命右运盈动，溉同时授被压示缩或时扩张绞，在蜘合适生的相堆位下款，气亦体微桐团在删压缩绝时向屑左运倡动并腹对板毒叠放洋热，掏在扩拜张时睛向右筒运动秤并从切板叠呢吸热掩。大竞量微增团微喘观上扫的协摧调一义致的芦周期附性运锡动不怒断将眉热量跌从冷宣端泵换向热坟端，蒸使板眼叠产道生温另度梯沈度，讲从而欣形成溪宏观桂的泵标热效峡应，统同时腥也不推断地元消耗龙声功互。相罪反，罪热声间发动夹机是罩利用部热能役转化赶为声父能，何其结裂构同打热声雨制冷脊机的瓣结构尼相同龟在夕热端民换热葱器加趣热，龙使板秒叠产返生温仓度梯坊度，谁在温参度梯草度达枪到一候定的蓝阈值咬的时疤候，歌就会宽自激启振荡由而产糖生谐示振的匪声波弯，此呆时板馒叠内根气体溉微团吴的热牌力学拜循环胡是相健反的陵，气摧体微良团在叫压缩锅时向昏左运女动并仪从板宵叠吸蹄热，湾在扩吉张时跃向右症运动膀并对真板叠循放热袋。从板而使筋得宏守观上牙声波月不断扯加强驻，热阔能被骄转化验为声抚能。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洒）热偶声驱蚀动的姜脉管迎制冷LA诸NL捐与工宜业伙尚伴C连ry坛en缎co疼合作育，在俯19捷97卸年开死发了张低温菊制冷捧技术闸——蹲热声来驱动分的脉冠管制却冷。拨该技卸术能懂达到肺11陡5K缩慧的制乎冷温劳度，博装置觉无运氏动部撑件，室它是论利用对燃烧物天然饮气作表为热承源的侨热声卫发动壁机，括来驱惠动脉足管制京冷机韵。已需开发星了制钩冷量鸽为2丢kW刚，0挠.5男m3／天怠的液爬化天勿然气尾生产谷能力汇的装卖置，岭该装找置是渐驻波渡热声史发动姜机驱浪动器筒，效玩率为弯卡诺义效率败的2傲3％碌。目斤前正妙在开椅发行悬波发乔动机诸来驱胡动脉参管制艳冷机醒的装蛛置，袖行波融装置游的效衡率更京高，战该装济置的驾设计疲能力碌是1萌40轨kW贩的制逢冷量篮，燃如烧2绕0％穴的天斗然气青来液闯化8哲0％暂的天弯然气灭，日彻生产顾能力加为5持0m3／天喝。（3具）开卸式热习声制逮冷和拦空调以上它介绍寇的都请是闭并式循签环的番热声是装置饿。为完提高父热声胸转换辨效率杰、简端化结剑构和储适于匪小温算差大谊冷量粘的空炕调应昼用，充美国艘从1梯99纤8年乳至今添，一谈直在斤致力厉于开盒式热请声制妨冷装腾置的浊开发著，装努置的百原理豪是耦填合外删部稳箱定的碎流体伴，使占均流神与振摄荡流愈体叠之加，址直接侨参与迟能量霜的交荒换和怒转换捉，减票少了骨不可掉逆损政失，脖提高躺了系吵统的融性能誉，也抹可减瓦少和反省去醒换热压器。位在原晴理上章，开毁式比压闭式速的热环声装雀置效倍率更烫高，剃结构摸更简浪单。阔20梯04陕年，绣美国搏又开述发了墨内燃臂式开储式的荐热声秋发动芝机实纳验装移置，痰相信固不久婶也将饺用于短驱动榴热声键制冷横。（4币）高州频微余型热占声制哲冷随着畅微电傲子技卧术的远进步陪，在台单位隔面积括上可驾集成轮的芯捐片和矮电路泽愈来典愈多祸，因傅此在任系统教尺寸耍不断牌缩小泡的同踪蝶时，逗单位江面积并的散吵热功史率也跃在不达断增跌大。罚因此管微电周子元高件和拆系统堂的散辆热问赞题已础成为稻制约彩其发面展的叶主要艇障碍辅。目访前热河声制财冷因附环保症，结资构简魂单，榨无可茫动部棕件或盲少有劳的可迁动部五件（姓如压少电晶至片）鸡、工脆作频想率范瓶围的便可选期择性牛使其火易于矛高频关微型用化，很且适他于与凳微电蜂子芯款片和峡系统燥界面富相结羡合等浅独特促的优延点，留使其凡在芯精片和嫂微电蜻子电昨路系说统的槽热量向管理箩中前根景看休好。草最近嘱几年心，国梯外正胳在开折发微岗型的闻热声柳制冷随装置怪，利呢用压窜电驱疮动器厚，来谊驱动贝与微样制造红结合康的热锐声元削件和材谐振衰腔，绒应用稳于微皮电子耽芯片栽和微杏电子膜电路恐系统叙的散厨热冷线却。锁美国驾Ut评al拒大学秘进行丢了深镜入的雪研究暖，2柴00热4年乞已开法发了广大小跪在4榴cm挨，4盒.5缘瑞kH斩z的辨高频脱热声录制冷划机样堂机，汇使用陵的是震一个芹大气蛮压的游空气携工质斗，压仙电喇润叭作县为声粗驱动佩器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