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你已经落伍!一大波制冷新技术向你袭来

制冷百家 2019-02-26 17:57:16


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一、太阳能驱动的制冷技术

太阳能取之不竭,用之不尽,对环境没有污染,是最有前途的能源之一。如今,人们正在考虑利用太阳能制冷,由于夏季太阳能最丰富,也是人们最需要空调制冷的时候,利用太阳能对房间进行温度调节,首先要解决如何用太阳能制冷的问题。


太阳能吸收式制冷

太 阳能吸收式制冷系统简图如图1所示。它的特点与系统使用的制冷剂有关,常用于吸收式制冷系统的制冷剂有水、氨、乙醇、氟里昂4大类。其中,用水作制冷剂是 目前研究最热门的课题之一,对它的研究主要是针对现今大量生产的商用溴化锂吸收式制冷机存在的易结晶、腐蚀性强、蒸发温度只能在0℃以上等缺陷上;对氨的 研究主要是针对一些缺点,如:制冷性能系数比溴化锂小,工作压力高,具有一定的危险性,有毒,氨和水之间沸点相差不够大,需要精馏等。吸收式制冷虽然技术 相对成熟,但系统成本较蒸汽压缩式制冷高,主要用在大型中央空调。

图1 太阳能吸收式制冷系统简图


太阳能吸附式制冷

太 阳能吸附式制冷系统如图2所示。它的特点是结构简单、一次投资少、使用寿命长、无结晶等,且能用于振动、倾颠、旋转的场所。但与压缩式和吸收式系统相比, 该技术还很不成熟。主要问题在于固体吸附剂为多孔介质,导热性能低,因而吸附和解吸所需时间长,制冷功率小,制冷性能系数COP值偏低。

图2 太阳能吸附式制冷系统简图



太阳能喷射式制冷

太 阳能喷射式制冷系统简图如图3所示。该系统的特点是结构简单、运行稳定、可靠性好,但COP值较低。因而出现了用电能辅助提高喷射器的引射压力以提高系统 性能的趋势。利用太阳能集热器获得较高温度的热水为热源,采用低沸点工质辅以机械压缩喷射制冷循环称为太阳能增强型喷射制冷系统。此系统主要以提高引射流 压力来提高喷射器性能,它综合了机械压缩式制冷循环和蒸汽喷射式制冷循环的优点,具有较高的热经济性,其COP比传统的喷射制冷高50%。

图3 太阳能喷射式制冷系统简图



太阳能半导体制冷技术

太 阳能半导体制冷系统就是利用半导体的热电制冷效应,由太阳能电池直接供给所需的直流电,达到制冷制热的效果,又称为热电制冷或温差电制冷。太阳能制冷具有 很好的季节匹配性,夏季,天气越热,空调的负荷越大,需要的制冷量就越大,而此时太阳幅射最强,提供的热能最多,太阳能空调提供的冷量也就最高。冬季,太 阳能辐射减弱,但所需的制热循环水温度不高,在满足制冷工况的集热面积下,同样能满足制热负荷的要求,这一特点使太阳能制冷技术受到重视和发展。实现太阳 能制冷有“光-热-冷”、“光-电-冷”、“光-热-电-冷”等方式。太阳能半导体制冷系统由太阳能光电转换器、数控匹配器、储能设备和半导体制冷装置等 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,另一部分进入储能设备储存,以供阴天或晚上用,以便系统可以全天候正常运行。

当 前,随着太阳能电池和热电材料的价格逐步下降,发电效率的快速提高,太阳能半导体制冷系统的成本也在大幅下降,更乐观的是在性能方面也得到了明显的提高, 这在一定程度上推动了太阳能半导体制冷系统的广泛应用。照此发展下去可推测出,清洁、低噪声的各式太阳能制冷系统在不久的将来都将一一实现。


二、天然气驱动的制冷技术

我 们知道煤炭和石油是世界两大常规能源。与之相比天然气是更清洁优质的一种燃料,并且储存量相当丰富,自然就成为继煤炭和石油之后的世界第三大常规能源。以 天然气为能源的内燃机或燃气轮机驱动的压缩式制冷空调系统已经走向市场取代了某些电力驱动的压缩式制冷空调系统。该系统的推广使用节省了很多能源,也减少 电力方面的投资,而且还使压缩机使用寿命延长了,提高了能源利用率。

根据泵送热能的驱动力可分为以下3类,它们均可利用天然气的热能来达到送热的目的。


用天然气发动机驱动的压缩式制冷

制冷采用的制冷剂多为氟氯烃,制冷剂只有相态变化,动力机主要采用电动机。近年推进使用天然气发动机,其原理如图4所示,用它代替电动机驱动,可较灵活调节制冷能力,部分负荷时效率较高,总操作费用较低。

图4 天然气发动机或电动机


热驱动的吸收式制冷

采 用工质为蒸发温度显著不同的物质组成工质对,蒸发温度较低的组分为制冷剂,蒸发温度较高的组分为吸收剂。制冷循环过程中,工质对只有浓度变化,不产生化学 变化。其驱动力为天然气燃烧热或各种热源,甚至废热。吸收式制冷系统原理如图5所示,该制冷系统与压缩制冷系统主要区别在于:以发生器、吸收器和溶液泵代 替压缩机;以热能代替电能或机械能;冷量产生是工质对在发生器中被加热产生水蒸气,在冷凝器中凝结成液态水,经节流阀后进人蒸发器吸热蒸发进行制冷。然后 水蒸气在吸收器中被浓溴化锂溶液吸收,再用溶液泵将变稀的溴化锂溶液送回发生器,完成循环。系统在低压或真空状态下操作,不使用氟氯烃,没有大的转动部 分,操作安静、安全、可靠性高,且维修费用低。

图5 热驱动吸收式制冷系统简图


干燥剂除湿系统

制 冷空调系统一般是让空气冷却,除去空气中的水份,即潜热冷却,并且降温,即显热冷却。潜热冷却往往要消耗一半的制冷能量。利用干燥剂的吸附(吸收)系统是 在不冷却空气下直接除去空气水分。干燥系统和冷却系统联合就可灵活控制空气的湿度和温度。联合系统可避免单一制冷时在导管处出现凝液,可降低室内物品的湿 度,减少霉菌生长,提高空气质量;低湿度可使人体在较高温度下感到舒适,例如相对湿度低到30%时,其感觉和温度下降2 ℃时同等舒适,低湿度允许空调中的冷却器温度设定值提高,节约能量;使用干燥系统可降低制冷系统负荷,节省投资和运行费。干燥系统适用于需低露点处或潜热 冷却与显热冷却负荷比高的地方。



三、热声驱动的制冷技术

热 声制冷是一种全新的制冷技术,在最近的20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冷机,无论在理论方面还 是在工程应用上都取得了突破性进展,许多研究都进入了实用的商业化阶段。与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比,热声热机具有无可比拟的优势:无需使用制冷剂, 而是使用惰性气体或其混合物作为工质,因此,不会导致使用的CFCs和HFCs产生臭氧层的破坏和温室效应危害;其基本机构是非常简单和可靠,无需贵重材 料,成本上具有很大优势;它们无需振荡的活塞和油密封或润滑,无运动部件的特点使得其寿命大大延长。热声制冷技术几乎克服了传统制冷系统的所有缺点,可成 为下一代制冷新技术的发展方向。


热声装置工作原理

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。实际的热声理论远比这复杂得多。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,如利用热声技术的功率引擎、脉动燃烧、热泵、制冷机和混合物分离机等,是应用十分广泛的一类装置。总的来说,热声装置可以分为两个方向,一个 是热声发动机,将热声转化为声能,通过自激振荡的方式实现的;另一个是热声制冷机,利用声波泵热,实现制冷,其关键在于声场的相位匹配。热声制冷技术和热 声制冷装置只是热声技术和热声装置中一个重要的分支。


热驱动的吸收式制冷

热 声制冷机的主要结构如图6所示,主要包括声驱动器、谐振腔、热端和冷端换热器及板叠。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,也可以是其他多孔介质材料,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,便板叠产 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。

图6 热声制冷系统简图

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,其系统简图如图7所示。

图7 热驱动仍生制冷或制热系统简图

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 能直按转化为冷量,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驱动热源,适应当今节约能源和 环保的要求。



四、其他制冷新技术


氨制冷新技术

近 年来,由于发现氟利昂类制冷剂对大气臭氧层有破坏作用以及能产生温室效应等环境问题,国际上已达成完全禁用CFCs,逐渐限制使用HCFCs制冷剂的共 识。在全球积极研究氟利昂替代技术以解决对臭氧层破坏及“温室效应”问题的今天,氨制冷技术以其强大的应用潜力不但在冷冻冷藏方面占有很大比率,而且在越 来越广泛的领域(如中央空调、商场的大型食品展示柜等)得到应用,被国际社会重新认识和评价。氨作为制冷剂已被使用达130年之久,其臭氧层消耗潜能 (ODP)为0,全球变暖潜能(GWP)也为0,标准沸腾温度低,在冷凝器和蒸发器中的压力适中,单位容积制冷量大,并且其导热系数大,蒸发潜热也大,节 流损失小,能溶解水,有漏气现象时易被发现,价格低廉,是非常具有应用前景的自然工质。

电厂余热制冷新技术

自 然界的各种能量是可以相互转换的,热能可以转化为电能,电能也可以转化为热能。同样,热也可以转化为冷,只是存在的形态不同。对不同的能量存在形式只需采 取不同的技术手段进行收集,通过技术设备既可实现能量的相互转换。热-电-乙二醇降温技术,就是利用矸石电厂的蒸气余热,通过溴化锂吸收式冷水机组一级制 出5.2℃的乙二醇低温水。乙二醇是一种无色、无味、粘稠有甜味的液体,冰点温度-12.5℃,沸点197℃,极易吸、放热的液体。乙二醇溶液的配制由设 在制冷机组旁的乙二醇制备池配兑,其在纯水中的浓度必须控制在25%以上,否则会对制冷机组及管理造成腐蚀。配兑后的溶液通过设在池中的潜水泵打入膨胀水 箱,补入溴化锂机组。

空气制冷新技术

随 着冷藏运输对制冷技术需求质量的不断提高以及运输过程中环保问题的日益突出,空气制冷技术又一次成为世界关注的焦点。先后有美国、澳大利亚、德国、日本、 英国等进行了空气制冷装置的研究试验,研究范围涉及食品冷冻、冷藏储存及冷藏运输等冷链物流的各个环节。美国是空气制冷技术应用最早、技术最成熟的国家之 一。空气制冷系统在低温下的宽温度范围内,具有运行性能优良、无臭无害且制冷速度快的特性,非常适合于食品的冷冻冷藏。而传统的单级蒸汽压缩制冷技术,很 难满足易腐食品冷藏及运输的低温要求和运行工况;多级压缩或复叠式蒸汽制冷,则导致系统COP(制冷效率)的降低和投资的增加。

蓄冰空调制冷新技术

蓄 冰空调与一般空调的主要差别是制冷剂的变化,采用低凝固点的制冷剂完成制冷的吸热、放热全过程将制冷设备及管路内全部灌满了卤水溶液,制出的低温卤水流入 储冰槽内保存,储冰槽内温度一般可达-4℃~-6℃,夜间储冷,白天放冷。储冰槽实际是个换热器,内有许多小管组成,卤水在小管内流动,管外为清水,利用 两者温差换热,卤水经管外水温传送温度上升后回制冷机内重新制冷,出来的低温水再进入冰槽,如此重复循环;槽内清水吸冷后温度逐渐下降直至接近0℃为止冰 槽内实际储存的都是流体,只是清水面上有些微薄的冰片。

水源热泵空调制冷新技术

水 源热泵空调系统是既可供热又可供冷的高效建筑节能技术,水源中央空调系统是由末端(室内空气处理末端等)系统,水源中央空调主机(又称为水源热泵)系统和 水源水系统3部分组成。为用户供热时,水源中央空调系统从水源中提取低品位热能,通过电能驱动的水源中央空调主机(热泵)“泵”送到高温热源,以满足用户 供热需求。为用户供冷时,水源中央空调将用户室内的余热通过水源中央空调主机(制冷)转移到水源中,以满足用户制冷需求。既节约常规能源又使可再生能源充 分利用。


蓄能空调制冷新技术

蓄 能空调系统能够转移电力高峰用电量,平衡电网峰谷差,因此可以减少新建电厂投资,提高现有发电设备和输变电设备的使用率,同时,可以减少环境污染,充分利 用有限的不可再生资源,有利于生态平衡。蓄能系统与常规空调系统的根本不同点在于:常规空调只需考虑满足最大小时的负荷,其他时段冷机部分负荷运行就可 以。而蓄能系统必须对一个运行周期内的逐时冷负荷进行均衡配,通常以日为周期,作出典型设计日的运行周期负荷表:确定冷机和冰槽的容量和各个时段的开启情 况。冰蓄冷空调系统比常规电制冷空调系统初投资增加16%,而年运行费用减少38%,初投资增加费用的投资回收周期约为3年。因此,冰蓄冷空调系统具有良 好的推广意义。


 (文章来源制冷与空调公众号)

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