其他制冷技術(shù)

6.1磁制冷技術(shù)隨著蒙特利爾等協(xié)議的簽訂，制冷空調(diào)行業(yè)的環(huán)保與節(jié)能問題受到了廣泛的重視。磁制冷以其高效節(jié)能、無環(huán)境污染、運行可靠、尺寸小、重量輕等優(yōu)點倍受關(guān)注。開發(fā)出的磁制冷樣機，循環(huán)效率最大為卡諾循環(huán)的60%，COP高達15，最大制冷量可達600W。磁制冷將可能替代傳統(tǒng)的氣體壓縮式制冷，是一種極具開發(fā)潛力的節(jié)能環(huán)保制冷技術(shù)。第34講其他技術(shù)（1）

6.1.1基本原理由磁性粒子構(gòu)成的固體磁性物質(zhì)，在受到外磁場的作用被磁化時，系統(tǒng)的磁有序度加強（磁熵減?。瑢ν夥懦鰺崃?；再將其去磁，則磁有序度下降（磁熵增大），又要從外界吸收熱量。這種磁性粒子系統(tǒng)在磁場的施加與去除過程中所呈現(xiàn)的熱現(xiàn)象稱為磁熱效應(yīng)。磁熱效應(yīng)是所有磁性材料的固有本質(zhì)，下圖中T-S圖表示了鐵磁物質(zhì)在磁有序化溫度（居里溫度Tc）附近的磁熱效應(yīng)。水平方向箭頭△Tad表示絕熱溫變，豎直方向箭頭△SM表示等溫磁熵變，它們分別可用來表征磁熱效應(yīng)（MCE）的大小。第34講其他技術(shù)（1）

熱磁效應(yīng)（MCE）示意圖常壓下，磁體的熵S（T，H）是磁場強度H和絕對溫度T的函數(shù)，它由磁熵SM（T，H）、晶格熵SL（T）和電子熵SE（T）3部分組成，即 S（T，H）=SM（T，H）+SL（T）+SE（T） 可以看出，SM是T和H的函數(shù)，而SL和SE僅是T的函數(shù)。因此當外加磁場發(fā)生變化時，只有磁熵隨之變化，而SL和SE只隨溫度的變化而變化，所以SL和SE合起來稱為溫熵ST，于是上式可以改為： S（T，H）=SM（T，H）+ST（T） 在絕熱過程中，系統(tǒng)熵變?yōu)榱悖矗?△S（T，H）=△SM（T，H）+△ST（T）=0 當絕熱磁化時，工質(zhì)內(nèi)的分子磁矩排列將由混亂無序趨于與外加磁場同向平行，根據(jù)系統(tǒng)論觀點，度量無序度的磁化熵減少了，即△SM<0，所以△ST>0，故工質(zhì)溫度升高；當絕熱去磁時，情況剛好相反，使工質(zhì)溫度降低，從而達到制冷目的。這種制冷方法就是絕熱去磁制冷法，即磁制冷。下圖為磁制冷過程的四個階段。順磁鹽3由不導(dǎo)熱的支持物置于充有氦氣的容器4中。首先順磁鹽被充入容器中的氣體氦冷卻，這時液氦中的氦蒸發(fā)，被真空泵抽走，溫度保持在1K左右(圖a)；接著在溫度保持不變的情況下，順磁鹽被磁化，磁化過程中產(chǎn)生的熱量由容器中的氦氣傳給液氦(圖b)。然后將氦氣從容器4中抽出(圖c)，以形成絕熱環(huán)境。最后，去掉磁場(H＝0)，順磁鹽被去磁，溫度下降為Tf(圖d)。絕熱去磁制冷的四個階段a）順磁鹽冷卻b）磁化c）抽除氦氣d）絕熱去磁1-閥門2-液氦3-順磁鹽4-氦容器5-磁體6.1.2磁制冷機研究根據(jù)溫度的不同，可將制冷溫區(qū)劃分為極低溫區(qū)（趨于0K）、低溫區(qū)（<15K）、中溫區(qū)（15-77K）和高溫區(qū)（>77K及室溫區(qū)）。同樣，磁制冷機的研究也分為這樣4個區(qū)。在低溫溫區(qū)（<15K），由于磁致冷材料的晶格熵可忽略不計，這方面的研究到上世紀80年代末已經(jīng)非常成熟。由于中溫溫區(qū)是液氫的重要溫區(qū)，而綠色能源液氫具有極大的應(yīng)用前景，所以該溫區(qū)的研究受到了廣泛重視。

對于高溫溫區(qū)，研究的重點在室溫溫區(qū)。在室溫范圍內(nèi)，磁致冷材料的晶格熵很大，如果不采取措施取出晶格熵，有效熵變將非常?。涣硗?，在室溫范圍內(nèi)強磁場的設(shè)計以及換熱性能的加強都是很關(guān)鍵的?？傊?，目前室溫磁制冷的研究水平遠遠低于低溫范圍的研究。自1976年Brown首次在實驗室實現(xiàn)室溫磁制冷以來，科學(xué)家們在室溫磁制冷的研究上進行了各種嘗試，開發(fā)出了多種實驗樣機。（1）Brown磁制冷機1976年美國NASA的Lewis研究中心的G.V.Brown首次在實驗室實現(xiàn)了室溫磁制冷。水冷電磁體提供高達7T的磁場，磁工質(zhì)為1mol的金屬釓，放在等間距排列的圓筒形不銹鋼蓄冷器中，作上下往復(fù)運動，采用近似Ericsson循環(huán)。通過開關(guān)控制依次實現(xiàn)退磁吸熱、等磁場（零磁場）、勵磁放熱和等磁場（強磁場）4個過程。大概經(jīng)過50次的循環(huán)，實現(xiàn)了冷端(272K)、熱端(319K)的47K的溫度跨度。（2）Steyert磁制冷機1978年，美國LosAlamos實驗室的Steyert設(shè)計了采用Brayton循環(huán)的回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)磁制冷機。用213kg釓（Gd）制成直徑約為150mm的多孔轉(zhuǎn)盤，采用與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向相反方向流動的強制水流進行熱交換。當高低磁場差為112T、冷熱端溫差為7K時，獲得了500W的制冷量。該系統(tǒng)效率高，但是所能獲得的最大溫度跨度僅為9K。（3）Zimm磁制冷機1996年，美國宇航公司的CarlZimm采用Brayton循環(huán)研制的往復(fù)式結(jié)構(gòu)磁制冷機使室溫磁制冷技術(shù)取得了突破性進展。該系統(tǒng)采用NbTi超導(dǎo)磁體產(chǎn)生磁場（最大5T），以3kg的Ga為制冷工質(zhì)，水（加防凍劑）為傳熱介質(zhì)。實驗結(jié)果表明：在5T的磁場強度下，COP最大可達15，效率接近卡諾循環(huán)的60％，最大制冷量可達600W。（4）Ames磁制冷機美國依阿華州州立大學(xué)Ames實驗室和美國宇航公司聯(lián)合研制成功首臺采用永磁體作為磁場的旋轉(zhuǎn)式磁制冷樣機，如下圖所示。該裝置利用了具有高磁熵變的Ga—Si—Ge合金的巨磁熱效應(yīng)，磁場強度是常規(guī)永磁體的2倍，粉末狀的金屬Ga填入環(huán)形蓄冷器中，蓄冷器在驅(qū)動器的作用下回轉(zhuǎn)運動。經(jīng)歷磁化、退磁和吸熱放熱過程。旋轉(zhuǎn)式磁制冷機旋轉(zhuǎn)式磁制冷原理6.孫1.季3旅開冷發(fā)磁就制冷脅技術(shù)宅需解索決的嗽問題（1剝）開秒發(fā)高烏性能攪的磁劫制冷顆材料蜘。目蛋前應(yīng)視用的侵磁性價物質(zhì)掠主要寧是釓穴、釓期硅鍺墾合金亡以及烏類鈣痕鈦礦湖物質(zhì)摟，其鋤溫度趨跨度哄比較煩窄，講磁熱耽效應(yīng)快還不宗能達幣到室怠溫制遙冷的待要求核。針庭對應(yīng)句用前睛景看華好的憑室溫器磁制府冷，抗大力寄開發(fā)弟具有蒙巨磁藍熱效暴應(yīng)的以磁制奧冷材極料已規(guī)成為午當今海磁制秒冷研尤究的楚主流船。（2疑）磁綱體及爸磁場筋結(jié)構(gòu)喪的設(shè)再計。繡目前繼普遍桑采用嚇永磁馬體、皮電磁噴體及公超導(dǎo)若磁體拿為磁位制冷仿供應(yīng)奔磁場踩。永叼磁體屢結(jié)構(gòu)百簡單披、來戚源廣濃泛、鑄適用殊性強籠，但腳一般蔑只能結(jié)提供敘1.貴5T室左右普的磁壯場；烤超導(dǎo)夫磁體琴及電的磁體晴可提在供5匆~7撞T左聲右的小磁場葛，但游其結(jié)活構(gòu)復(fù)脅雜且住成本著昂貴抄。（3揀）磁您制冷烏循環(huán)謠。在直極低兄溫下愿，可軌以用宋卡諾柳循環(huán)派及E企ri躲cs蓄so謙n循密環(huán)達誕到較立高的泰制冷派效果蛋，但悅對于廣室溫叫來說饒，則拴應(yīng)考像慮采增用S嚇ti躺ri勾ng振、E識ri慈cs靈so艘n等扭循環(huán)秋。（4使）蓄施冷及每換熱扒技術(shù)離。在兵極低私溫區(qū)華，可蓬以不順考慮蘆蓄冷糖的問子題。船但在鑒中溫主及高噴溫區(qū)均，磁扁制冷及的晶戴格熵若的取多出必眼須依月靠蓄棗冷器然，所悠以蓄輩冷材束料的嘆選擇挪以及飾蓄冷猶器的內(nèi)設(shè)計挑就顯借得尤鍬為重顆要。徒另外狀，由綠于整怎個磁欣制冷寫系統(tǒng)帽的實忌際效優(yōu)率主依要取政決于勤蓄冷遙器及辯換熱礎(chǔ)器性丙能的仍優(yōu)劣輪，必陡須使習得磁尾熱效組應(yīng)產(chǎn)津生的季冷量途盡快潑盡多落地帶配走，渠就需基要對參蓄冷哪器以輸及換識熱器磁進行痕優(yōu)化坑設(shè)計愧。6.蒸2廳熱蒼聲制您冷技能術(shù)在最納近的初二十繭多年革，世嶺界各電地的佛許多恩物理豎學(xué)家姓和機辜械工搏程師幟們都能在致北力于由研究拌這種耗基于臘熱聲挎理論周的新樣型熱輸機和液制冷慣機。惜與傳頁統(tǒng)的讓蒸汽惡壓縮儲式制礙冷系猴統(tǒng)相還比，孫熱聲筆制冷氣機具潑有無壺可比槐擬的效優(yōu)勢怖：無光需使紗用污夸染環(huán)女境的揭制冷泉劑，演而是善使用綿惰性碌氣體碼或其僻混合想物作趙為工得質(zhì)，承減小晨了因檢使用秧CF趟Cs伏和H無FC燭s對繪臭氧瞞層的債破壞殺、產(chǎn)雙生的氣溫室懇效應(yīng)婆對環(huán)聾境的州危害犬；其郵基本庫機構(gòu)章非常猜簡單激和可吩靠，尋無需狀貴重堡材料橫，成姜本上獻具有憑很大密優(yōu)勢騰；無稱需往啦復(fù)運罩動的別活塞萄、氣禿缸密托封和悔潤滑損，無刊運動遷部件枝，壽蜂命長悲。熱瓜聲制老冷技競術(shù)幾敬乎克游服了異傳統(tǒng)掙制冷接系統(tǒng)器的缺銀點，購可成窯為下罩一代約制冷副新技午術(shù)的乎發(fā)展縣方向怖。長爺期以孟來，僻熱聲礙系統(tǒng)薦的效秒率較揪低的芒問題倘一直血成為被熱聲蠻產(chǎn)品聚實用青化的峽瓶頸欲，前羨期的錫主要史產(chǎn)品津也限繞于使某用在算軍事館領(lǐng)域兆，由簽于各熔國學(xué)憑者的模不懈稻努力津，近懂幾年撇，熱需聲制患冷機稈的效權(quán)率獲亂得大迅幅度沉的提正高，本尤其猾是美差國L純os籌A巷la政mo廢s國蟻家實碰驗室遷經(jīng)過凡潛心瞇研究攝，在售效率順上獲極得革爽命性絞的突姥破，盲其熱扶聲熱悄機的途效率桶達到暮0.翻2~啊0.矛4，監(jiān)可與挽現(xiàn)有據(jù)傳統(tǒng)掌的蒸哄氣壓怎縮過臭程的沫內(nèi)燃孤機和忘制冷掛機相促競爭贊的水垮平。乎效率貪的大鎮(zhèn)幅提進高為節(jié)熱聲糟制冷齡技術(shù)韻發(fā)展怒掃清貍了最廊后的被障礙蓬。6.嗎2.聚1盯熱境聲制鳴冷原興理所有怖的熱草聲產(chǎn)執(zhí)品的破工作嫁原理捧都基唯于所偵謂的輕熱聲磁效應(yīng)社。熱好聲效熔應(yīng)機糞理可孝以簡鈴單描槍述為拍在聲節(jié)波稠浴密時芝加入健熱量拋，在岔聲波揉稀疏習時排因出熱詢量，伏則聲昏波得浴到加瘦強；曲反之帳聲波康稠密耍時排扛出熱拘量，荒在聲膽波稀掘疏時影吸入無熱量莊，則灘聲波鳳得到眉削弱詠。熱呆聲裝認置是跟指利藝用熱鈔聲技博術(shù)的沉各種雄能量極轉(zhuǎn)換摸功能筋制成微的裝洗置，窮包括赤各種歸制熱希機和詠制冷計機。培熱聲冊制冷寄機的矩主要尸結(jié)構(gòu)碗如下駱圖所膛示，肌主要鴨包括僅聲驅(qū)購動器斜、諧皆振腔惑、熱沖端和半冷端狡換熱膠器及薦板疊佩。熱聲喝制冷庫機結(jié)塘構(gòu)1-擦聲驅(qū)訊動器勻；2揀-熱與端交絮換器風；3柳-板圣疊；郵4-形冷端返交換移器；秒5-腿諧振位腔；理6-鏡硬端聲驅(qū)盡動器梅的作報用是忌諧振尤腔中趟產(chǎn)生找高幅兔的聲肝能，稼是能椒量源愛，聲鳥驅(qū)動暴器可設(shè)以是頁喇叭扇、活蠻塞振晉膜或月線性駝電機扁。諧津振腔籍的作院用是均與聲就驅(qū)動俯器相逃匹配灰而產(chǎn)掛生諧柳振的惱聲波漁。熱合端和幼冷端秒換熱史器是蚊將熱根量或瞧冷量貧輸出茫。板抓疊是蛇熱聲銅制冷撕機的韻最重向要的雞部件禾，它蹦可以仿是平醬行疊擱加的燭板疊伐，也花可以滲是其毯它多扛孔介破質(zhì)材鋸料，夸熱聲叛效應(yīng)撥就是代在板尚疊內(nèi)廈完成北的。涼板疊桐內(nèi)的芹氣體蹲微團雙在聲勿波的叢作用拆下左快右運愉動，刪同時裹被壓查縮或婦擴張月，在掙合適識的相羞位下薄，氣庭體微蝴團在坐壓縮林時向雅左運戰(zhàn)動并府對板信疊放擔熱，蘿在擴受張時徐向右殊運動必并從仗板疊襪吸熱律。大堪量微兆團微焰觀上鴿的協(xié)勇調(diào)一滋致的旗周期縫性運恰動不湯斷將奪熱量教從冷生端泵叮向熱互端，指使板金疊產(chǎn)免生溫幼度梯貨度，嗚從而奏形成前宏觀襪的泵退熱效揉應(yīng)，胳同時殿也不折斷地驗消耗魯聲功刮。相洗反，冠熱聲驗發(fā)動機機是程利用吵熱能黎轉(zhuǎn)化老為聲蘋能，孤其結(jié)告構(gòu)同忘熱聲低制冷篩機的村結(jié)構(gòu)乘相同虜在決熱端走換熱渡器加薪熱，宏使板亂疊產(chǎn)茄生溫涼度梯合度，慶在溫辜度梯戒度達巨到一萍定的墓閾值岸的時搭候，年就會竊自激單振蕩粱而產(chǎn)逢生諧頁振的縱聲波爆，此今時板魯疊內(nèi)閉氣體呀微團泄的熱麻力學(xué)語循環(huán)叉是相架反的見，氣殘體微辮團在郊壓縮里時向完左運頃動并鐘從板羞疊吸左熱，決在擴境張時局向右猛運動京并對磁板疊復(fù)放熱案。從掘而使撫得宏某觀上誦聲波叮不斷首加強鏡，熱足能被參轉(zhuǎn)化肉為聲劑能。一個理想的結(jié)構(gòu)是將熱聲發(fā)動機與熱聲制冷機結(jié)合起來，形成熱驅(qū)動的制冷機，如下圖所示，此裝置的最大優(yōu)點是完全無運動部件，具有極長的壽命，是太空制冷機的最佳選擇。同時這種裝置直接將熱能轉(zhuǎn)化為冷量，對于太陽能豐富的夏天來說，將潔凈的太陽能直接轉(zhuǎn)化為冷量，可以稱之為純天然制冷機。另外，它還可利用燃氣、工業(yè)廢熱、太陽能等低品位的或可再生的能源作為裝置工作的驅(qū)動熱源，適應(yīng)當今節(jié)約能源和環(huán)保的要求。熱驅(qū)動的熱聲制冷機或熱泵6.2.2熱聲制冷機及其應(yīng)用世界上第一臺熱聲制冷機是在八十年代早期制造的，其后近二十年的研究和發(fā)展，出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)形式的熱聲制冷裝置，其設(shè)計水平及制造工藝也在不斷的提高。目前，美國在熱聲領(lǐng)域內(nèi)的投入最大，研究機構(gòu)最多，取得了許多突破性進展，也反映了當今熱聲制冷技術(shù)的最高水平和發(fā)展趨勢。（1）熱聲驅(qū)動的熱聲制冷機在熱聲驅(qū)動的熱聲制冷機（TADTAR）方面，NPS的Garrett和Holfer的熱聲研究小組，在2000年左右，開發(fā)了太陽能驅(qū)動的熱聲制冷機，溫差18℃時制冷功率2.5W。右圖為Holfer首先研制的熱聲制冷機實驗裝置圖。實驗結(jié)果表明，輸入諧振管的聲功率大約為10W，工質(zhì)為氦，壓比為，獲得的最低制冷溫度為193K。熱聲制冷機實驗裝置圖1-線圈；2、5-熱、冷端換熱器；3-蓄冷器；4-塑料棒；6-活塞；7-冷卻水管（2償）熱顛聲驅(qū)笨動的疾脈管窮制冷LA賭NL箱與工笨業(yè)伙抱伴C撕ry免en舌co惕合作舞，在目19脂97警年開押發(fā)了形低溫刃制冷史技術(shù)壟——運熱聲毀驅(qū)動紅的脈惠管制梳冷?；鹪摷颊Z術(shù)能及達到稅11問5K刮的制鄰冷溫勿度，怕裝置銅無運讀動部博件，罪它是貿(mào)利用大燃燒燒天然堤氣作乖為熱劃源的猶熱聲悅發(fā)動憂機，貪來驅(qū)奪動脈唱管制明冷機漏。已厚開發(fā)陰了制摔冷量棕為2刻kW爸，0訊.5纏m3／天灘的液男化天鳴然氣喉生產(chǎn)呈能力嶄的裝脖置，禿該裝師置是菠駐波丙熱聲寨發(fā)動掌機驅(qū)蹦動器屆，效肯率為云卡諾害效率饅的2聞3％輔。目相前正懲在開源發(fā)行賄波發(fā)尸動機蹲來驅(qū)遼動脈謊管制柄冷機蟻的裝清置，工行波虹裝置洪的效軌率更尖高，屑該裝不置的射設(shè)計邁能力筋是1上40擔kW知的制代冷量省，燃制燒2秀0％預(yù)的天蟲然氣茂來液厭化8病0％肆的天某然氣降，日要生產(chǎn)階能力蒼為5第0m3／天炒。（3最）開母式熱牌聲制頸冷和痰空調(diào)以上姿介紹線的都紡是閉宏式循幟環(huán)的跪熱聲稍裝置搞。為透提高鍬熱聲戰(zhàn)轉(zhuǎn)換水效率良、簡棒化結(jié)堤構(gòu)和甲適于做小溫樣差大蘭冷量娛的空湯調(diào)應(yīng)物用，多美國噴從1裹99戲8年骨至今誰，一黨直在原致力侄于開笛式熱作聲制殼冷裝免置的擇開發(fā)罰，裝猴置的枯原理錦是耦央合外仗部穩(wěn)建定的郊流體寧，使孟均流極與振債蕩流負體疊愧加，早直接尊參與究能量船的交繡換和先轉(zhuǎn)換私，減將少了忠不可仿逆損備失，吐提高伸了系云統(tǒng)的院性能驚，也欺可減左少和貿(mào)省去括換熱頓器。腥在原在理上拋，開破式比鳥閉式撐的熱聯(lián)聲裝萄置效胖率更潛高，零結(jié)構(gòu)便更簡隱單。革20宮04陜年，洋美國客又開動發(fā)了厲內(nèi)燃潮式開點式的啟熱聲秒發(fā)動滴機實闊驗裝郊置，褲相信尚不久烤也將華用于它驅(qū)動豬熱聲圍制冷崗。（4掙）高爺頻微洲型熱擾聲制堂冷隨著逐微電悶子技城術(shù)的佛進步矮，在它單位番面積裝上可敢集成轉(zhuǎn)的芯攝片和宗電路喘愈來冷愈多枝，因蚊此在竿系統(tǒng)叢尺寸須不斷狡縮小瘦的同估時，項單位臨面積電的散流熱功優(yōu)率也凡在不疏斷增垃大。屢因此漢微電公子元朵件和落系統(tǒng)部的散上熱問謹題已酒成為讓制約嗓其發(fā)兼展的直主要家障礙臥。目怒前熱奴聲制留冷因毀環(huán)保壓，結(jié)拆構(gòu)簡央單，度無可少動部己件或板少有裙的可劈燕動部并件（克如壓趟電晶筐片）辨、工經(jīng)作頻皇率范惜圍的刮可選狼擇性侮使其萌易于桌高頻配微型趙化，刻且適膠于與沈微電賺子芯葬片和臣系統(tǒng)送界面客相結(jié)叛合等擴獨特第的優(yōu)才點，維使其樣在芯尸片和乒微電擠子電踐路系岡統(tǒng)的得熱量屈管理件中前功景看祥好。煤最近傷幾年唇，國興外正咽在開奪發(fā)微收型的派熱聲湊制冷剖裝置扛，利炒用壓脖電驅(qū)沸動器扒，來竄驅(qū)動涌與微掠制造屆結(jié)合萌的熱身聲元駛件和商諧振自腔，果應(yīng)用貴于微為電子腥芯片絞和微礙電子習電路旱系統(tǒng)泰的散候熱冷太卻。倒美國惱Ut喪al未大學(xué)忽進行舞了深米入的腸研究老，2戰(zhàn)00秤4年參已開內(nèi)發(fā)了毫大小訪在4正cm竟，4章.5的kH法z的背高頻刷熱聲姐制冷港機樣丈機，號使用妖的是薯一個賴大氣徒壓的遣空氣溉工質(zhì)議，壓念電喇挪叭作陳為聲拐驅(qū)動射器，切制冷琴溫差甲能達華到1債1℃梅。當斷然，月這僅叉僅是延一個佳實驗喝樣機冶，還待有許宅多改攻進的結(jié)空間陽，如加使用敘其它以惰性駁氣體倦、提批高工淺質(zhì)的修均壓翅、使攪用其拆它工浙質(zhì)，汽以及像改進漁諧振對腔形瞇狀等敵均可幸進一忍步改鋪善系餡統(tǒng)性他能系瞎數(shù)。6.籍2.輛3殿國啞內(nèi)熱收聲制稼冷的伸研究鬼狀況國外齒熱聲蘿研究頸較深薪入的紙，除蠅美國紋外，臉還有半日本尺、法敲國、摧英國蜜、德躺國、頁荷蘭恢等國穿家。朱世界擁各地幼