热泵技术与热声技术

热泵技术与热声制冷技术
摘要本文主要通过介绍热泵技术与热声制冷技术的概念,原理,主要技术,研究热点及应用,热泵技术还介绍了各个技术的优缺点,应用及应用限制,目前存在的问题及对应的解决方案,并对两种技术的今后发展进行了展望。

1.热泵技术
热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热,经过电力做功,输
出能用的高品位热能的设备。

现在我国主要利用三种热泵技术,分别是水源泵,地缘热泵,以及空气源热泵。

1.1热泵新技术主要为热泵系统节能新技术,热泵变频节能技术,同时供冷供
热的热泵系统,高湿地区空气源热泵除霜技术,污水冷热源热泵技术应用等[1]。

1.2技术上存在方面问题风冷热泵型机组存在体型较大,噪声较高,除霜技术
尚不完善等问题。

主要应用风冷热泵的地区是长江流域,由于其气候原因,要求热泵必须适应0℃以下低温高湿气候环境;吸收式溴化锂制冷机组效率偏低;房间空调器存在噪声污染、热污染(大量电机功率转化的热量排入住宅)和制冷剂污染,特别是(分体式空调机安装和使用时的泄漏)。

1.3技术发展总趋势主要发展高效率的供热、供冷热泵和超级热泵系统。

机
械压缩式热泵的发展:(1)制冷剂侧的热泵控制(2)压缩机能量控制(3)压缩机设计(4)新工质技术;吸收式热泵和吸收式热变换器压缩-吸收式热泵;高温热泵[2]。

1.4水源热泵
1.4.1水源热泵技术的工作原理通过输入少量高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。

水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在夏季将建筑物中的热量“取”出来,释放到水体中去,由于水源温度低,所以可以高
效地带走热量,以达到夏季给建筑物室内制冷的目的;而冬季,则是通过水源热泵机组,从水源中“提取”热能,送到建筑物中采暖。

1.4.2优点高效节能、属可再生能源利用技术,节水省地,环保效益显著,水源热泵系统可供暖、制冷、还可供生活热水,一机多用,水体波动小、运行稳定可靠,装置结构简单、维护方便等。

1.4.3如果以地下水做水源热泵的缺点 1.由于地下水质的不稳定,比如含沙
量过高,或沙质过细,对机组组有极大的破坏作用。

2..水源热泵还要用螺杆压缩机电制冷,用电量理论上相对较低,但水源热泵还须要把地下水抽到地表,使用高扬程泵耗电,如果使用地区的地下水位过低,其用电量会更大。

3.深水泵常年泡在井下,易生锈损坏。

4.深水井须要常洗。

5.地下水位过高的地区(距大型湖泊河流近)其地下水回灌造成大量的地下水
被浪费, 不环保。

1.4.4应用水源热泵技术目前除了被广泛应用于各类民用建筑,公用建筑,军
事建筑等所有需要供冷供暖供应洗浴热水的中央空调,还涉及到工业领域中冷冻,冷藏,冷却的工艺系统,成为节能减排主要技术之一。

主要应用在北方冬季寒冷的地区,而在广阔的南方很少见。

主要原因:南方主要以空气源热泵为主,冬天对空调制热的依赖不如北方明显,主要用来洗澡,所以空气源热泵基本能满足,并且工程相对简单,造价成本要低。

所以这类产品有较大的局限性,所以要走产品的差异化道路,来做好产品的推广[3]。

1.4.5水源热泵的应用限制 1.可以用的水源条件受到限制。

2.受到水层地理结构的限制,对于从地下抽水回灌的使用,必须考虑到使用地的地质结构,确保在经济条件下打井找到合适的水源,同时还考虑当地的地质和土壤条件,确保利用后尾水的回灌可以实现。

3.投资的经济性。

总体来说水源热泵的运行效率较高,费用较低。

但与传统的空调制冷取暖的方式相比,在不同地区,不同需求的条件下,水源热泵的投资经济性会有所不同。

1.5地源热泵
地源热泵是利用地球表面浅层水源(比如地下水、河流、湖泊等)和土壤源中吸收的太阳能和地热能,并采用热泵原理,既可以供热又可以制冷的高效节能空调系统。

1.5.1地源热泵工作原理利用水与地能(地下水、土壤或地表水)进行冷热交换来作为地源热泵的冷热源,冬季把地能中的热量“取”出,供给室内采暖,此时地能为“热源”;夏季把室内热量取出来,释放到地下水、土壤或地表水中,此时地能为“冷源”。

1.5.2利用地源热泵优点环保,使用电力,没有燃烧过程;不适用冷却塔,没有外挂机,不向外界排热,没有热岛效应,没有噪音,不抽取地下水;一机三用:冬天供暖、夏季制冷、全年提供生活热水;使用寿命长,装置结构简单,全电脑控制,性能稳定等。

缺点是应用时受到不同国家、不同地区、不同能源政策、燃料价格的影响,运行费用会随着用户的不同而不同。

而采用地下水的方式,会受到当地水资源的限制[4]。

1.6空气源热泵
1.6.1工作原理热泵利用逆卡诺原理,以极少的电能,吸收空气中大量的低温热能,
通过压缩机的压缩变为高温热能,传输至水箱,加热热水。

1.6.2优点用空气作为低位热源,取之不尽,用之不竭;一机两用,冬季供热水,夏季供冷水,省了一套冷却水系统和锅炉;可布置在室外,不占用建筑物的有效面积;安装方便,便于运行管理;设备的保护和控制系统齐全而完善,使设备的可靠性不断提高等。

缺点是机组性能随室外空气状态参数(地区及季节差异)不同而变化,对热泵供热能力、制热性能系数影响很大;结霜问题,结霜后热泵制热性能系数下降,机组可靠性降低;室外换热器热阻增加;空气流动阻力增加;空气的热容量小,热泵比空冷冷水机组需要大得多的空气量掠过蒸发器等。

1.6.3研究热点 1.空气源热泵结霜、化霜问题的研究:结霜对热泵是极其不利的。

随着霜层的形成,蒸发器传热热阻增加,蒸发温度下降,机组的性能下降,工况恶化,制热量也将下降,同时,除霜带来的额外费用还将降低空气源热泵的经济性, 所以结霜机理、化霜方法一直是空气源热泵研究与应用中要解决的重点与难点。

解决方案,提出了不同地区、不同使用情况下的平均结霜除霜损失系数的概念,平均结霜除霜损失系数越大的地区应用空气源热泵越不经济。

为热泵设计做参考。

2.空气源热泵节能问题的研究:对系统进行火用分析可以揭示出系统中火用损失的部位、类型和数量,以便设法减少这些损失,冷凝器和蒸发器火用优化措施主要是设法降低传热温差:
3.计算机模拟在空气源热泵系统中的应用①对压缩机的计算模拟②对蒸发器的计算模拟③系统仿真研究。

1.6.4存在的问题及研究方向 1.空气源热泵的性能受室外气候条件变化影响较大,随着室外环境的恶化而恶化,热泵的工作性能急剧下降,又反过来加剧了室外环境的恶劣程度。

进一步研究应考虑采取相应措施来合理改善机组的性能;
2.空气源热泵另一个突出的问题就是蒸发器冬季结霜问题。

这不但导致系统
供热性能的急剧下降,还将对压缩机等重要部件产生不良影响(如冰堵),,使系统不能正常运转,同时,结霜还将使机组运行费用增加;
3.由于室外空气温度波动较大,这就对实现整个空气源热泵系统的自动控制提出了很大的挑战。

2.热声制冷技术
热声制冷技术是一种利用声能产生制冷效应,基于热声效应的一种对环境无污染的制冷技术。

2.1工作原理热声效应通俗一点就是热能与声能的相互转换。

从声学讲就是
处于声场中的固体介质与震荡流体间的相互作用,结果导致在距固体壁面一定范围内产生沿着声传播方向(或逆向)的时均热流和时均功流。

按能量转换方式不同可以分为两类:一是用热来产
生声,即热驱动声震荡;二是用声驱动热量传输,即热声制冷效应[5] 。

主要应用在热声制冷机和热声发动机方面,本文主要介绍前者。

2.2优点一是制冷系统的压缩机是没有运动部件的,这样就消除了机内的磨损与振动,使得制冷机性能可靠、寿命延长;二是驱动热源为太阳能、燃气等,适用能提供热源但是缺少电能的地区;三是采用低品位的热源能提高系统的热力学效率;四是采用N2和He绿色工质,减少氟利昂对臭氧层的破坏。

2.3研究热点目前热声制冷技术的研究热点主要体现在一下五个方面:一是热声理论的研究,主要是在非线性理论方面,因为很多现象线性理论研究出现偏差:二是制冷工质的研究,氦由于其低密度,粘度和高导热系数被认为是最理想的制冷工质,其实采用氦和H2或N2等双原子气体混合物工质可以提高制冷机整体性能,氦和其他气体混合物会降低系统系能;三是回热器的研究,针对热声制冷机的核心部件回热器,采用吸附剂代替金属网格或金属片作为回热器填料效果更佳;四是热声转换效率的研究,目前大多数热声机都采用驻波工作方式,是等温或绝热的不可逆循环,需要
很高的热源温度,很难利用低品位的热源,有关研究表明采用行波的工作方式是可逆循环,理论上可以提高热声转换效率,针对这个有科学家提出调节声场,在驻波型的回路上增加一直流的回路方案,减少换热器的外部不可逆循环。

2.4目前出现的新技术主要有太阳能热声制冷技术。

但是以太阳能驱动的热声制冷机难点在于热声发动机的加热器在高温下工作,可以提高发动机效率,但这样对加热器中的材料提出了更高的要求,低热阻的铜不能满足。

目前提出直接采用太阳能加热从而取消发动机部分的加热器方案,采用RVC作为回热器的材料,这是由RVC耐高温且其具有的随机分布的纤维结构,使得光不能直接穿透的特性决定。

现在太阳能热声制冷机的研究热点是利用更大的太阳能集热器来增加可供利用的太阳能,以及改进换热器的设计和绝热,在太阳能比较丰富而电能缺乏的地区有很大利用价值,也可以缓解目前紧张的能源危机。

另一主要技术是热声驱动的脉管制冷技术,利用燃烧天然气作为热源的热声发电机,来驱动脉管制冷机。

目前正在开发利用行波发动机来驱动脉管制冷机的装置。

2.5应用针对热声制冷的上述特点可以在航天技术、国防军工等高新技术领域获得应用,也可以在天然气液化的新能源的开发应用,研究利用少部分的天然气作为热动力液化大部分的天然气等,也将推动空调制冷技术,低温电子冷却技术的发展。

而热声制冷装置,即热声制冷机等也将应用在冰淇林机、饮水机、家用冰箱、空调机、空气除湿器、计算机微处理器等小型或微型装置中,所存在的巨大应用市场可以看见。

3.结束语
总的来说,热泵技术和热声制冷技术的研究都取得了巨大的进展,向人们展示了极大的优越性和广泛的应用前景。

基于目前设计水平远没有达到最优化,材料的选择及制造技术都还在完善之中,理论和技术方面还有待更深入的研究,技术领域的发展很广阔。

参考资料
[1].热泵技术张旭等(作者) 化学工业出版社第1版 (2007年2月1日)
[2].
[3].
[4].
[5].杜维明、徐明仿、王丛飞热声制造的研究与发展西安交通大学制冷与低温工程系西安710049。