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1、几种环境友好制冷技术的比较罗清海 顾炜莉(南华大学)摘 要 对热电制冷、 磁制冷、 吸附制冷几种环境友好制冷技术的原理、 适用性以及前景进行比较。总体而言,热电制冷在一些特殊领域的应用是其他制冷技术不可替代的,在能源回收应用方面的优势越来越令人关注;磁制冷技术作为低温制冷技术比较成熟,而吸附制冷技术只在近期才开始被深入研究,被适用于近室温区域。关键词 环境友好 热电制冷 磁制冷 吸附制冷Comparison of several refrigeration technologiesLuo Qinghai Gu Weili(Nanhua University)ABSTRACT Compares
2、the operation principles , technical practicability and prospects amongthree refrigeration technologies , namely thermoelectric refrigeration , magnetic refrigerationand adsorption refrigeration. In summary , thermoelectric refrigeration cannot be replaced insome special fields and being given more
3、and more attention in the field of waste heat recovery ,magnetic refrigeration has been perfectly applied in cryogenic regions , and adsorption refrigera2tion is practically investigated in recent years and applied in near room temperatures.KEY WORDS thermoelectric refrigeration ; magnetic refrigera
4、tion ; adsorption refrigeration1 吸附制冷技术 吸附式制冷技术非常适用于太阳能和地热能 等可再生能源的应用和余热、 废热的回收,这也是 其与压缩式制冷技术竞争的主要优势之一。1. 1 原理 吸附式制冷的原理如图1。整个吸附系统是 封闭的,吸附器内充满吸附剂。当它被加热时,已 被吸附的吸附质获得能量,当分子运动加快到足以 克服吸附剂的吸引力时,它们将从吸附剂表面脱出 (脱附) ,系统内分压力逐渐升高。当分压力达到环 境温度所对应的饱和蒸气压力时,脱附出来的吸附 质开始液化,液化放出的热量通过冷凝器2由冷却 介质(空气或水)带走。当停止对吸附剂加热时, 吸附剂开始冷
5、却,因而它的吸附能力又逐步提高, 开始吸附蒸发器3中产生的制冷剂蒸气,并造成系 统中的真空状态,使液体制冷剂不断汽化。制冷剂在低温下汽化时,吸收被冷却空间的热量,达到制 取冷量的目的。吸附了大量制冷剂蒸气的吸附剂, 为下一次加热脱附提供了条件。脱附2吸附循环便是如此周而复始地进行,并间歇地进行着制冷过 程。图1 吸附制冷原理图1. 2 发展现状 对吸附制冷的深入研究开始于上个世纪70年第7卷 第4期 2 0 0 7年8月 制 冷 与 空 调REFRIGERATION AND AIR - CONDITIONING 9214收稿日期:2006211227通讯作者:罗清海,Email : longq
6、inghai 代,当时全球性的能源危机促使吸附制冷首先在太 阳能应用领域获得发展1。进入上世纪90年代 后,吸附式制冷技术的发展非常迅速,其应用研究 涉及工业与民用建筑的空调制冷、 食品冷藏冷冻和 工业生产环节的制冷等诸多领域2。另外,吸附式制冷在船舶制冷3、 汽车空调4等领域的应用 研究也初步展开。目前吸附制冷技术在各研究方向的应用成果 多为实验装置或样机,与实际运用还有很大的距 离5,主要研究工作包括:1)吸附工质对的研究目前开发出的工质对主要有沸石2水6、 活性 碳2甲醇7、 活性碳2氨8、 硅胶2水9和碱土金属的 氯化物2氨等10。另外,金属氢化物2氢组成的工 质对在低温制冷中也得到应
7、用11。2)制冷循环方式和制冷系统热动力学的研究制冷系统热动力学的研究主要集中在制冷循 环方式的改进上,提出了一些先进的回热型吸附制 冷循环方式,主要有级联循环12、 热波循环13,并 从计算机模拟和实验的角度研究了循环的操作工况对系统性能的影响9。3)吸附床的研究吸附制冷实用化的关键是吸附床传热传质的 强化。目前吸附床采用得较多的结构是管壳式和 平板式14,此外还有板翅式15、 螺旋板式16、 翅片管式17和热管式18。4)吸附制冷系统的经济性分析主要从经济性和热经济学的角度对吸附制冷 系统进行分析,对于该技术最终的产品化和市场化 具有重要的意义19。2 磁制冷技术 磁制冷作为一项绿色制冷技
8、术,与传统压缩制 冷相比具有如下竞争优势:1)无环境污染:工质本 身为固体材料,可用水作为传热介质;2)高效节 能:磁制冷的效率可达到卡诺循环的30 %60 %;3)易于小型化:磁工质熵密度远大于气体的熵密 度,易于小型化。4)稳定可靠:无需压缩机,运动 部件少且转速缓慢,可靠性高,寿命长。2. 1 原理 绝热去磁制冷的原理为:磁制冷材料(磁工质)等温磁化时,由于其磁矩取向趋于有序,使磁熵减 小,磁工质向外界放热;当绝热去磁时,由于磁矩又 趋于无序,磁熵增加,磁工质温度降低。下面以最简单的卡诺循环为例对绝热去磁制冷过程进行说 明(图2)。图2 卡诺磁制冷理论原理1)等温磁化过程,热开关TS1闭
9、合, TS2断 开,磁场施加于磁工质上,使熵减小,通过高温热源 与磁工质的热端连接,热量从磁工质传入高温热 源。2)绝热去磁过程,热开关TS1断开,TS2仍断 开,逐渐移去磁场,磁工质内自旋系统逐渐无序,在 退磁过程中消耗内能,使磁工质温度下降到低温热 源温度。3)等温去磁过程, TS2闭合, TS1仍断开,磁 场继续减弱,磁工质从高温热源吸热。4)绝热磁化过程,断开TS2 , TS1仍断开,施 加一较小磁场,磁工质温度逐渐上升到高温热源温 度。2. 2 发展现状 根据制冷温区不同可分为极低温(趋于绝对0 K)、 低温(15 K以下)、 中温(1577 K)、 高温 (77 K以上)磁制冷机。
10、1)低温温区( 77 K)适用性好,有特殊优势。适用,但技术不成熟。不适用近室温区适用性好,有特殊优势, 小冷量时经济性好。目前未有可实用技术, 不具备经济性。适用,目前未有可实 用技术,不具备经济性。5 结束语 总体而言,热电制冷技术发展历史较长,技术也较成熟,其应用领域不断向广度和深度拓展,冷 量范围大,在小冷量时经济性好,一些特殊应用场21制 冷 与 空 调 第7卷 合具备其他制冷技术无法替代的特殊优势,在低品 位能源利用、 废热回收方面的优势也越来越受到重 视,预期随着电子类设备仪器尺寸小型化、 结构集 成化、 功能多样化趋势的加强,热电冷却技术将成 为电子元件冷却的主流技术。磁制冷技
11、术研究历史相对较短,在低温区技术 比较成熟,并得到实用,但在中温区技术尚不成熟, 特别是高温区以上目前还没有可实用技术。 吸附制冷技术的研究历史不长,只能适用于近 室温区。相对于压缩制冷技术,吸附制冷技术的竞争优势在于适用于传统的制冷技术不适用的领域, 但目前未有成熟的可实用化技术,经济性差,难有 综合竞争优势。 参 考 文 献1 Wang Ruzhu. Study on a new solid adsorption refrigera2tion pair : active carbon fiber methanol. ASME Journalof Solar Energy , 1997 ,
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