暖通空调新技术zl课件.ppt

1、暖通空调新技术制冷相关问题与技术制冷相关问题与技术制冷剂制冷剂热电制冷热电制冷磁制冷磁制冷气体绝热膨胀制冷气体绝热膨胀制冷气体涡流制冷气体涡流制冷co2压缩式气体制冷压缩式气体制冷热声制冷热声制冷一、一、制冷剂研究的进展制冷剂研究的进展蒸气压缩制冷在蒸气压缩制冷在19世纪末期开始实际应用世纪末期开始实际应用系统使用系统使用 CO2、SO2、氨、氨20世纪三十年代开始使用世纪三十年代开始使用CFCs氟里昂氟里昂 根据稳定性和低毒性根据稳定性和低毒性 现在常用的制冷剂现在常用的制冷剂HCFC-22 HFC-134aHCFC-123R407CR410A 制冷剂的演化制冷剂的演化第一代第一代19世纪世

2、纪30年代年代-20世纪世纪30年代年代当时可用工质当时可用工质乙醚，乙醚，CO2，NH3 SO2，HCS，H2O CCI4，CHCS，第二代第二代20世纪世纪30年代年代-20世纪世纪90年代年代安全性和耐久性安全性和耐久性CFCS，HCFCS，HFCS，NH3H2O第三代第三代20世纪世纪90年代年代-环境保护环境保护HCFCS，HFCS，NH3 H2OHCS，CO2，?常用制冷剂安全等级常用制冷剂安全等级:制冷剂制冷剂(PPM)测试测试:HCFC123 HCFC22 HFC134aAEL30 1,000 1,000允许暴露等级允许暴露等级LC50 32,000 308,000 600,0

3、00(空气中的致命浓度，一半的测空气中的致命浓度，一半的测试对象试对象4小时后死亡小时后死亡)心脏承受浓度心脏承受浓度20,000 50,000 75,000(心悸产生的浓度心悸产生的浓度)NOEL300 10,000 60,000(无法观察项的影响等级无法观察项的影响等级)毒性降低毒性降低ASHRAE 34-92:“安全类别安全类别”高可燃性高可燃性低可燃性低可燃性不燃不燃A3丙烷丙烷丁烷丁烷B3A2R-142b,152aB2氨氨A1R-11,12,22,114,500,134aB1R-123,SO2低毒性低毒性高毒性高毒性毒性降低毒性降低蒙特利尔协议蒙特利尔协议1974年，年，罗兰和莫利纳

4、的理论指出臭氧罗兰和莫利纳的理论指出臭氧在大气层中正在减少在大气层中正在减少1985年在南极证实了臭氧正在减少年在南极证实了臭氧正在减少1987年蒙特利尔协议签定年蒙特利尔协议签定包括在发达国家终止一些特殊化学制品包括在发达国家终止一些特殊化学制品1987年前后的制冷剂年前后的制冷剂一般暖通制冷用的制冷剂包括一般暖通制冷用的制冷剂包括 CFC-11、CFC-12(ODP=1.0)、HCFC-22(ODP=0.05)机组效率为机组效率为 0.70-0.80 kw/ton低压机组每年约损失充注制冷剂的低压机组每年约损失充注制冷剂的25%改进措施改进措施HFC-134a(ODP=0)替代替代 CFC

5、-12HCFC-123(ODP=0.02)替代替代 CFC-11机组密封机组密封(高效抽气装置、制冷剂再生等高效抽气装置、制冷剂再生等)安大略会议推荐在离心机组中使用安大略会议推荐在离心机组中使用HFC-134a(1993)禁止禁止CFCs(11,12)在在1996年禁止年禁止HCFC-123 具有毒性具有毒性最初的最初的 AEL 是是 10 ppm(后来按后来按 CSA-B52 99升至升至 50 ppm)HCFC-123 被定为被定为 B1 级制冷剂级制冷剂逐渐停止逐渐停止HCFC 时间表时间表;1996年生产能力年生产能力(1989年年HCFC生产量加生产量加1989年年CFC生产量的生

6、产量的2.8%)2004年年 65%2010年年 35%2015年年 10%2020年年 0.5%不增加新的设备不增加新的设备 2030年年 0%HCFC逐渐禁止逐渐禁止USA 在在1996年年7月生产能力减少月生产能力减少 82%。USA 在在1998年生产能力减少年生产能力减少92%。EPA 组织已经给出了相应的措施和计划组织已经给出了相应的措施和计划来防止生产量的增加。来防止生产量的增加。同温层臭氧破坏同温层臭氧破坏1994年年ODS集中在较低的大气层中。集中在较低的大气层中。现在现在ODS集中在同温层中。集中在同温层中。CFC替代物在大气层中滞留量增加。替代物在大气层中滞留量增加。在在

7、2050年年ODS将回到标准。将回到标准。2050年年.在北半球在北半球 50%臭氧层破坏，在南半球臭氧层破坏，在南半球70%溴氧层破坏溴氧层破坏赤道部分紫外线赤道部分紫外线-B的辐射量是北半球两的辐射量是北半球两倍，南半球的四倍。倍，南半球的四倍。全球温室效应全球温室效应CO2 浓度将超过现在工业指标浓度将超过现在工业指标 30%(275ppm)CH4 增长一倍增长一倍全球平均温度将升高全球平均温度将升高0.5-2摄氏度。摄氏度。海平面高度平均升高海平面高度平均升高 0.5-3m。1997年京都最高级会议年京都最高级会议在在2008-2012年发达国家一致同意控制温年发达国家一致同意控制温室

8、气体辐射室气体辐射加拿大在加拿大在1990水平上减少水平上减少6%美国在美国在1990年水平上减少年水平上减少 7%注意：企业发展将增加辐射量是注意：企业发展将增加辐射量是1990年年水平的水平的 20%到到 30%京都协议细节京都协议细节各成员国负责其内部政策各成员国负责其内部政策总目标必须实现总目标必须实现6种气体包含种气体包含(CO2,HFCs,CH4,PFCs,SF6,N2O)没有特别的气体禁止没有特别的气体禁止承认承认“sinks”允许限额贸易允许限额贸易京都协议论点京都协议论点不包括发展中国家不包括发展中国家当前当前 USA是最大的排放源是最大的排放源(4,881,000公公吨吨C

9、O2当量当量)中国第二中国第二(2,667,000公吨公吨CO2当量当量)加拿大第九加拿大第九(409,862公吨公吨CO2当量当量)15年后发展中国家将超过发达国家年后发展中国家将超过发达国家能源效率能源效率京都京都 协议将推动高效能建筑协议将推动高效能建筑1/3民用建筑能源民用建筑能源1/3工业能源工业能源1/3 运输能源运输能源当前结果当前结果京都协议批准京都协议批准蒙特利尔和京都协议中关于制冷剂的争执蒙特利尔和京都协议中关于制冷剂的争执新的新的ASHRAE 90.1新的标准将给实际运用和能源方面分别节新的标准将给实际运用和能源方面分别节省省 16%和和 20%蒙特利尔和京都协议间的争论

10、蒙特利尔和京都协议间的争论蒙特利尔协议在进一步推进蒙特利尔协议在进一步推进 HFCs(134a)同时限制使用同时限制使用HCFC-123，HCFC-22京都协议试图减少京都协议试图减少 HFCs使用使用 京都协议仅确认京都协议仅确认 HFCs类工质，没有淘汰类工质，没有淘汰日期，没有给出具体气体的名称日期，没有给出具体气体的名称蒙特利尔和京都协议间的争论蒙特利尔和京都协议间的争论最好的预测，总当量热效应的观点被接受，最好的预测，总当量热效应的观点被接受，并且并且HFCs 将有一个很长的使用期将有一个很长的使用期淘汰淘汰 HCFC-123此类危害气体工质将会有此类危害气体工质将会有很多工作要做很

11、多工作要做蒙特利尔协议蒙特利尔协议其它制冷剂其它制冷剂R-718水水R-717 氨氨R-744 CO2R-290,600,600a(丙烷丙烷,丁烷丁烷,异丁烷异丁烷)R-407cR-410a水和氨水和氨水能用于吸收式制冷方面水能用于吸收式制冷方面 效率是当前问题效率是当前问题(COP=1)氨的效率高，但有毒性氨的效率高，但有毒性对大型机械工厂，工业及研究机构进行限对大型机械工厂，工业及研究机构进行限制制二氧化碳二氧化碳蒸气压缩机制冷剂是最初中的一种蒸气压缩机制冷剂是最初中的一种蒸发器蒸发器 3.1MPa冷凝器冷凝器 8.54MPaASHRAE深入研究二氧化碳技术深入研究二氧化碳技术易燃制冷剂易

12、燃制冷剂丙烷和丁烷丙烷和丁烷涉及到安全问题涉及到安全问题联合国联合国 TOC研究研究35%的市场在北欧的市场在北欧8%的世界市场的世界市场实际用量很少实际用量很少在北美不受欢迎在北美不受欢迎混合物混合物共沸混合物共沸混合物 R-400系列系列 单混合物易于分解单混合物易于分解共沸混合物共沸混合物R-500系列系列 特性类似于纯混合物特性类似于纯混合物混合物混合物R-407C (HFC-32/HFC-125/HFC-134a)非常接近非常接近 HCFC-22温度滑移问题温度滑移问题 -不适用于满液式系统不适用于满液式系统用作用作R-22代替物代替物可用在压缩机技术可用在压缩机技术混合物混合物R-

13、410a(HFC-32/HFC-125)较高运行压力较高运行压力(2.4MPa)有少量温度滑移有少量温度滑移-但适用于满液式系统但适用于满液式系统重新设计设备代替目前使用的重新设计设备代替目前使用的 R-22设备设备19901995 2000 2005 2010 201520252.8%Cap35%-201010%-20150.5%-202065%-200465%40%产量保持为产量保持为1995年产量年产量20%欧盟逐渐淘汰欧盟逐渐淘汰目前目前蒙特利尔蒙特利尔协定协定德国德国欧洲，高于欧洲，高于150kW的设备的设备80%1990 1995 2000 2005 2010 201520252.

14、8%总量总量35%-201010%-20150.5%-202065%-200465%40%产量保持为产量保持为1995年产量年产量20%欧盟逐渐淘汰欧盟逐渐淘汰目前目前蒙特利尔蒙特利尔协定协定德国德国瑞典丹麦瑞典丹麦澳大利亚澳大利亚 意大利意大利加拿大加拿大欧洲，高于欧洲，高于150kW的设备的设备80%国际国际HCFC在加速淘汰：在加速淘汰：瑞典瑞典(新设备为新设备为2000年，服务到年，服务到2002年年)加拿大加拿大(新设备为新设备为2010年，服务到年，服务到2020年）年）产量以产量以1995年产量为准年产量为准-在在2015后不予服务后不予服务德国德国挪威挪威英国英国意大利意大利9

15、个其他个其他E.C.U.国家和国家和 2个非洲国家个非洲国家 1993年年11月月15日协议会议，曼谷，泰国日协议会议，曼谷，泰国HCFC 替代替代HCFC-123被代替为：被代替为：?HCFC-22被代替为：被代替为：HFC-407C/HFC-410A 非共沸非共沸/近共沸工质近共沸工质 全球淘汰日程全球淘汰日程1985 维也纳协定维也纳协定-提出淘汰提出淘汰CFC1987 蒙特利尔协定蒙特利尔协定-逐步淘汰逐步淘汰CFC物质，整物质，整个淘汰进程在个淘汰进程在5年内完成年内完成1990 伦敦修正方案伦敦修正方案-逐步淘汰，整个淘汰进逐步淘汰，整个淘汰进程在程在2000年之前完成年之前完成1

16、992 哥本哈根修正方案哥本哈根修正方案-到到1996年完全淘汰年完全淘汰CFC物质。逐步淘汰物质。逐步淘汰HCFC物质，至物质，至2030年完年完全停用。全停用。1995 维也纳修正方案维也纳修正方案-减少减少HCFC物质的消费物质的消费总量，至总量，至2030年淘汰至年淘汰至5%。全球全球HCFC加速淘汰加速淘汰:瑞典瑞典（新设备至（新设备至2000年年-维修服务至维修服务至2002年）年）加拿大（新设备至加拿大（新设备至2010年年-维修服务至维修服务至2020年）年）1995年开始限制产量年开始限制产量-2015后不再提供维修服务后不再提供维修服务u德国德国u挪威挪威u英国英国u意大利

17、意大利u9个其他个其他E.C.U.和和2个非洲国家个非洲国家 u1993年年11月月15日协议会议，曼谷，泰国日协议会议，曼谷，泰国产量限制产量限制总量总量=1989年年CFC消费量消费量X2.8%+1989HCFC消费量消费量X 100%.消费量消费量=产量产量+进口量进口量-出出口量口量 （受控物质）（受控物质）对于对于HCFC物质物质:1996年年1月月1日起冻结生产量，臭氧消耗日起冻结生产量，臭氧消耗潜能为潜能为CFCs的的2.8%，HCFCs应用于应用于1989年的消费领域。年的消费领域。2004年年1月月1日产量减少日产量减少 35%2010年年1月月1日产量减少日产量减少 65%

18、2015年年1月月1日产量减少日产量减少 90%2020年年1月月1日产量减少日产量减少 99.5%2030年年1月月1日产量减少日产量减少 100%开始实施开始实施 199665%-200435%-201010%-20150.5%-2030商用制冷剂的选择商用制冷剂的选择趋势：趋势：过去过去:过渡期过渡期:将来将来:CFC-11CFC-12/500 HCFC-22,123 HFC-134aHCFC22无氯元素的混合工质无氯元素的混合工质:商品商品 混合混合 公司公司代号代号工质工质 联信联信AZ20 HFC32,125 AZ50 HFC125,143a 杜邦杜邦HP62 HFC125,143

19、a,134a AC9000 HFC32,125,134a ICI66 HFC32,125,134a热电制冷热电制冷 热电制冷的理论基础是固体的热电效应。在没有外磁场热电制冷的理论基础是固体的热电效应。在没有外磁场的情况下，有五个：导热、焦耳热损失、西伯克（的情况下，有五个：导热、焦耳热损失、西伯克（Seebeck）效应、帕尔帖（效应、帕尔帖（Peltier）效应、汤姆逊（）效应、汤姆逊（Thomson）效应。）效应。（1 1）西伯克效应）西伯克效应 由两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在由两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在温度差，则开路中将产生电动势温度差，则开路中将

20、产生电动势E E。（2 2）帕尔帖效应）帕尔帖效应 电流流经两种不同导体的界面时，将从外接吸收热量或向电流流经两种不同导体的界面时，将从外接吸收热量或向外界放出热量。外界放出热量。（3 3）汤姆逊效应）汤姆逊效应 电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。热量。热电制冷的制冷量计算热电制冷的制冷量计算冷端产生的吸热量（帕尔帖热）冷端产生的吸热量（帕尔帖热）Q Q=I =(PN)Tc热电制冷回路的制冷量热电制冷回路的制冷量Q0 Q0=QQj/2Q QjI2R R=L(1/S1+2/S2)热电制冷的制冷量计算热电制冷的制冷量计算 Q=

21、K(ThTc)K=(1/S1+2/S2)/L Q0=(PN)Tc I I2R/2 K(ThTc)热电制冷的特点和应用热电制冷的特点和应用结构简单结构简单体积小体积小启动快，控制灵活启动快，控制灵活操作具有可逆性操作具有可逆性效率低、耗电多（缺点）效率低、耗电多（缺点）特点：特点：电子器件上的应用电子器件上的应用工业上的应用工业上的应用医学上的应用医学上的应用其它方面的应用其它方面的应用热电制冷的应用热电制冷的应用顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。从机理上说，固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，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

22、），又要从外界吸收热量。这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。1927年德贝（Debye）和杰克（Giauque）预言了可以利用此效应制冷。1933年杰克实现了绝热去磁制冷。从此，在极低温领域（mK级至16K范围）磁制冷发挥了很大作用。现在低温磁制冷技术比较成熟。美国、日本、法国均研制出多种低温磁制冷冰箱，为各种科学研究创造极低温条件。例如用于卫星、宇宙飞船等航天器的参数检测和数处理系统中，磁制冷还用在氦液化制冷机上。而高温区磁制冷尚处于研究阶段。但由于磁制冷不要压缩机、噪声小，小型、量轻等优点，进一步扩大其高温制冷应用很有诱惑力，目前十分重视高温磁制冷的开发。问题

23、 高温磁制冷实用的研究包括以下主要方面：寻找合适的磁材料（工质）。它应具有的特点是：离子磁矩大、居里点接近室温、以较小磁场（例如1T）作用与除去作用时能够引起足够大的磁熵变（即磁热效应显著）。现已研制出一系列稀土化合物作磁制冷材料，如R-Al,R-Ni,R-Si等系列的物质（其中R代表稀元素），还有复合型磁制冷物质（由居里点不同的几种材料组成）。外磁场。需采用高磁通密度的永磁体。研究最合适的磁循环并解决实现循环所涉及到的热交换问题。气体绝热膨胀制冷（布雷顿制冷循环）气体膨胀制冷是利用高压气体的绝热膨胀来达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷的，由于气体绝热膨胀的设备不同，一般有两

24、种方式:一种是将高压气体经膨胀机膨胀，有外功输出，因而气体的温降大，复热时制冷量也大，但膨胀机结构比较复杂，另一种方式是令气体经节流阀膨胀，无外功输出，气体的温降小，制冷量也小，但节流阀的结构比较简单，便于进行气体流量的调节。常见循环：气体绝热节流循环、布雷顿制冷循环、克劳特制冷循环、斯特林制冷循环和维米勒尔制冷循环的基本原理及其研究状况，并对其应用现状作了简要的叙述。克劳特制冷循环克劳特制冷循环综合利用了节流和等熵膨胀两种制冷方法，以取得比布雷顿循环更低的制冷温度。斯特林制冷循环 两个等温过程和两个等容回热过程组成的闭式热力学循环，称为斯特林循环，也称为定容回热循环。涡流管制冷技术涡流管制冷

25、技术 涡流管制冷技术 涡流管（Vortex Tube）原理：压缩空气喷射进涡流管的涡流室后，气流以高达每分钟一百万转的速度旋转着流向涡流管的热气端出口，一部分气流通过控制阀流出，剩余的气体被阻挡后，在原气流内圈以同样的转速反向旋转，并流向涡流管的冷气端。在此过程中，两股气流发生热交换，内环气流变得很冷，从涡流管的冷气端流出，外环气流则变得很热，从涡流管的热气端流出。涡流管可以高效的产生出低温气体，用作冷却降温用途，冷气流的温度及流量大小可通过调节涡流管热气端的阀门控制。涡流管热气端的出气比例越高，则涡流管冷气端气流的温度就越低，流量也相应减少。NexFlow涡流管最高可使原始压缩空气温降70。

26、涡流管制冷技术特点：1、涡流管靠压缩空气驱动，非电气设备，纯机械结构，内部无化学物、无污染可能。2、运行可靠，免维护，使用成本很低，涡流管内部无任何活动件、无磨损可能，寿命长达10年以上。3、涡流管材质为不锈钢，耐腐蚀、体积小，重量仅约0.5公斤。涡流管应用：1、制造业：塑料或金属加工、木材加工、焊接件、热封件、模具加工等冷却。2、实验室里用于产生特定低温的气体。3、电子元器件、仪表、开关和温度调节装置等的冷却。4、其它制冷应用，如辅助人工造雪等。二氧化碳制冷 二氧化碳作为一种自然制冷剂,可以根本上解决制冷系统的CFCs工质替代问题.二氧化碳跨临界制冷循环系统关键设备-制冷压缩机、气体冷却器、

27、蒸发器、膨胀机 传统天然工质CO2制冷剂可能应用的领域有以下三个方面。一、是CO2超临界循环（汽车空调）。由于其压比低，使压缩机效率高，高效换热器(如冲压唯槽管)的采用也对提高其能效做出贡献。由于高压侧CO2大的温度变化，使进口空气温度与CO2的排气温度可以非常接近(仅相差几度)，这样，可以减少高压侧不可逆传热引起的损失。为了减轻重量和缩小尺寸，换热器头部的优化设计也已开发。此外，CO2系统在热泵方面的特殊优越性，可以解决现代汽车冬天不能向车厢提供足够热量的缺陷。目前德国已有商用的CO2空调系统的公共汽车投入公交运输，空调器尺寸与HFC-134a相当。二氧化碳制冷二、CO2热泵热水加热器，由于

28、CO2在高压侧具有较大温度变化(约80-100)的放热过程，适合用于热水的加热。1998年和1999年有报道，试验结果比采用电能或天然气燃烧加热，可节能75%，水温可从8升高60。三、在复叠式制冷系统中，CO2用作低压级制冷剂，高压级用NH3或HFC-134a作制冷剂。近临界或跨临界循环 热声制冷技术热声制冷技术 一、热声研究的目的和意义一、热声研究的目的和意义 八十年代以来，脉管制冷机的研究获得了突飞猛进的发展。两级脉管制冷机达到了1.7K。但目前脉管制冷机离实用化、工程化还有一定的距离，其主要原因之一就是缺少与脉管制冷机相匹配的压缩机。目前广泛采用的机械压缩机中仍然存在着运动部件，压缩机的

29、性能将对脉管制冷机的性能产生直接的影响。在这种情况下，采用热压缩机代替常规的机械压缩机来驱动脉管制冷机是一种理想的方案。这种热声驱动脉管制冷机具有两个突出的优点：其一是制冷系统除流动工质外没有运动部件，从根本上消除了常规机械制冷机存在的磨损与振动；其二是采用热能驱动，可用太阳能、燃气等作为热源。采用低品位的热能不仅有利于提高系统的热力学效率，而且对于那些缺乏电能的场合则更具有实际意义。此外，热声制冷机一般采用N2或He作工质，属于绿色工质，对大气臭氧层没有破坏。可见，热声压缩机是一种具有发展潜力的新型压力波发生器，在空间及输电困难但能提供热能的地方(如远海或荒漠中开采石油和天然气)有着广泛的应

30、用前景。热声制冷机也可用扬声器来驱动，虽然这种制冷机也存在着运动部件（扬声器振动膜），但由于其不需要动密封，故无维修使用寿命比常规的制冷机要长，且与压缩机的活塞相比振动膜的振动要小得多。若采用气体工质，则在那些需要较大温差、较小能流密度的场合有很大的应用前景；若采用近临界液相工质（如乙烯），则单位体积制冷量可与目前的常规蒸汽压缩制冷机相当，其清洁、可靠和低成本的特点使其在家用和工业制冷场合具有极大的竞争力。同时，研究热声压缩机还可以进一步开拓视野，丰富和完善热声理论，推动和发展回热式热机，还能让我们以一个全新角度去认识其它类型的热机，从而推动它们的发展。以往的回热式热机循环理论基于理想的热力学

31、可逆过程，从能量守恒和动量守恒方程出发，忽略了流体工质的流动特性对流体与固相工质间热交换的影响，与实际的工况相差甚远，定量化程度不高，更不能为我们提供对其工作机理的了解。同时，数值模拟方法对每个具体的情况都需作较大调整，缺乏普遍指导意义。热声理论将热机的工作机理归结为普遍的热声效应，即可压缩的工作流体的振荡（即声）与固体介质热相互作用产生的时均能量效应。它能很好地解释一些问题，如传统的平衡观点认为，回热器是一个换热器，为提高效率，应减少气轴向温度梯度，实际上根据热声理论，我们可以知道：回热器的临界温度梯度是判断热功转换方向的重要参数。回热器不仅仅是一个换热器，还是一个热功转换元件。脉管制冷机脉

32、管制冷的基本原理是利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而获得低温的，它实质上是西蒙膨胀制冷的一种形式。基本型脉管制冷机是1963年由Gifford和Longsworth提出并研制的，系统由压缩机、切换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管和脉冲管封闭瑞的水冷却器所组成。压缩机作为压力波发生器(图中末示出)，导流器起到防止气体紊流混合的作用。其制冷工作过程如下:脉管制冷机 高压气体通过被控制的切换阀流经回热器、冷端换热器、导流器，以层流态进入脉管，渐次推挤管内气体向封闭端移动，同时使之受到挤压，沿管长压力升高，温度上升，在脉管封闭端达到最高温度。布置在封闭端的水冷换热器将热量带走，使其管内气体的温度

33、和压力因放热而稍有降低。切换阀转动使系统内气体与气源低压侧连通，脉管内的气体又以层流态渐次向气源推移扩张，气体膨胀降压而获得低温。切换阀再次转换使系统与气源高压侧连通，从而完成一个循环。脉管制冷机采用的工质通常为He。脉管制冷机运行时，脉管气体轴向存在温度梯度，人口端温度低，封闭端温度高，这点与容器内绝热放气后气体温度是均匀的不同。二、热声学的发展历史和研究现状二、热声学的发展历史和研究现状 声波在空气中传播时会产生压力及位移的波动。声波的传播也会引起温度的波动。当声波所引起的压力、位移及温度的波动与一固体边界相作用时，就会发生明显的声波能量与热能的转换，这就是热声效应。热声效应，即声场中的时

34、均热力学效应。根据能量转换观点可将热声效应分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡；二是用声来产生热流，即声驱动的热量传输。其相应的机械装置分别为热声压缩机和热声制冷机。热声压缩机和热声制冷机在原理上是一致的，只是由于某些参数不同而导致了运行结果的迥异。1986年，Hofler在他的博士论文中设计并制作了一实验热声制冷机。这是世界上第一台有效的热声制冷机，它以扬声器驱动发声，在3W的热负荷下，其制冷系数达到卡诺系数的12%，制冷温度可达-50。1990年，G.W.Swift、R.Radebaugh和R.A.Martin建议用热声驱动器(TAD)代替机械压缩机来驱动小孔型脉管制冷机 。当TA

35、D密集的间隔片的温度梯度超过其临界值时，氦工质气流将自发产生热声振荡。因为在热声脉管中无运动部件，所以具有潜在的低成本和极高的可靠性。研究现状研究现状 在驻波热声机械获得极大发展的同时，行波热声机械也取得了很大的进展。美国George Mason大学Ceperley于1979年提出了一种共振型行波热声制冷机。行波热声制冷机的组成包括声波发生器和以下部件：室温放热器，回热器，低温吸热器以及行波声导管。这些部件形成一个行波的回路，而回路的长度正好为一个声波长。Ceperley的行波热声制冷机的工作原理为：声波发生器提供动力产生声振荡，在声回路中产生近共振的行波声场，吸热器利用等温热声效应，从低温热

36、源吸收热量，这个热量，由回热器消耗声功从低温端泵向高温端（回热器的流道横向尺度小于流体的热渗透深度，声场中行波分量起决定作用，热流由低温端流向高温端）；放热器将由回热器来的热流释放给环境。日本学者富永昭以热力学方法分析热声现象，目的就是要得到回热器中各种不可逆因素对泵热量的影响，然后克服之以提高回热器的效率。他的研究表明：回热器中的主要损失并非是有温差情况下的传热损失，而是频率或填料结构不合理，通过频率匹配可以提高回热器的效率。在对小波幅下的热声效应有了较全面的了解后，众多研究人员逐渐转向了对大波幅下热声效应的研究。美国海军研究生院的Atchley和Hofler等研究人员于1990年对实验与理

37、论的吻合情况进行了研究。实验表明：在小波幅情况下，实验数据与理论结果吻合很好；随着波幅增大，实验数据与理论结果之间逐渐出现偏差。实验还发现：在速度节点处实验与理论的偏差很小，并且与波幅无关。与此同时，Los Alamos国家实验室的Swift也对大波幅下的热声现象进行了研究，并对大波幅小实验与理论偏差的可能因素进行了分析研究，提出了一些合理的解释。日本的Akira Kawamoto等在实验中对板叠上的温度分布进行了研究。他们发现实验测量值与Swift的线性理论值有较大的出入。然后他们对线性模型进行了改进，将涡流与声流效应加以考虑。改进后的结果与实验值的吻合程度大大提高了。另一方面，Akhava

38、n,Kamm和Shapiro以及Merkli和Thomann对波动流中流态从层流向紊流的转化进行了研究。这对研究热声效应中的流动以及与之相关的问题提供了很大的帮助。在谐振管上端有一热声堆，谐振管内的纵向驻波引起了气体粒子平行于热声堆片壁来回振荡（如图）。当声压增加时，气团向上（谐振腔封闭端）振动并且被压缩，温度增加，此时气团温度就比其附近热声堆的温度高，就要把热量输给热声堆。当驻波继续完成一周时，气团向下振动，声压降低，并且膨胀，温度降低，但热声堆温度降低较少，气团附近 堆温度高于气团温度，要向气团输热。所以气团每次振动都是从下吸取热量向上输送热量。热声堆中有无数这样的气团，运动情况相同，它们

39、就像是接力赛一样，从下端吸热输送到上端。在共振的条件下，气团快捷、有效的如此循环运动，产生非常明显的宏观效果，从而完成声热泵作用。这就是热声效应的基本原理。研究现状研究现状 国内对热声理论的研究刚刚起步，中科院低温中心的肖家华运用简单的物理模型，从实际气体和固体方程的基本方程出发，包括流体的连续性方程、动量方程、流体和固体的能量方程，状态方程及普遍适用的热力学关系式，经过合理的简化，推导出使用与单纯流体二维流道、平均化的多孔介质一维流道的一般声场的热声学理论，建立了热声学的纵向波动方程和能量-温度方程，并建立了回热式制冷机的热声模型，较好地处理了回热式热机的内在不可逆性和了解了各种因素的影响。

40、华中理工大学的邓晓辉和郭方中运用理论和系统热力学的方法对回热器的研究作了进一步的工作。首次从实验中证实了Ceperley声功率放大器提法的正确性。通过细致的热力学分析，指出了热声转换的本质过程，并在郭方中的网络理论指导下建立了工程实用的回热器有源热声网络。上海同济大学的韩鸿兴和寿卫东等人进行了热声制冷机的实验研究，并在未稳定的情况下获得了10C的温差。浙江大学制冷与低温研究所的白火亘、陈国邦等对热声压缩机进行了实验研究。在以氮气和氦气为工质时获得的最大压比分别为1.12和1.068。他们还将热声压缩机用于驱动脉管制冷机并获得了15的温降，最近则获得了100C左右的温降。土壤源热泵集中在地埋管换

41、热器换热模型与模拟换热强化U型地埋管 垂直埋管换热器根据埋管深度分为浅层100m)三类:根据埋管形式不同，分为套管式、U型管式等几种形式。套管式换热器的外管直径一般为（100200mm），内管管径为（1525mm）。由于增大了埋管外壁与土壤的换热面积，因此其单位埋管管长的换热量高，换热效率优于U型埋管。其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较困难，初投资比U型埋管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度少于30m的垂直埋管。目前应用较多的是U型埋管换热器。U型埋管换热器是在钻孔的管井内安装U型管，一般钻井孔直径为（100150mm），井深（10200m）,U型管径一般

42、在50mm以下，这是因为管内流量不宜过大。其施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏。此外有些工程把U型埋管捆扎在桩基的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，不占用地面，这种埋管方式称为桩基式埋管。水平地埋管水平埋管在整个土壤源热泵应用中，占有一定份额。相对而言，受外界气候的影响较大，换热能力较低，施工所占用的场地较大，适合场地比较充分且无坚硬岩石易于挖掘的点。应用范围有限;当埋管深度较浅(2m以内)，热泵运行后，地温可在下一个运行季节到来时通过与地面的传热而恢复，但若埋深较深时，地温只能部分恢复。地埋管计算。将典型气象年数据应用在确定最热月、最冷月和地表面年平均温度上。引入平衡温度的概念,

43、计算建筑物逐时负荷。进而提出由建筑物逐时负荷和水源热泵机组性能拟合曲线,计算地源热泵系统制冷运行系数和制热运行系数的方法。给出热泵机组最高进液温度、最低进液温度、钻孔热阻和土壤热阻等地埋管长度计算关键参数的选取、计算方法。最后提出垂直U形地埋管换热器长度计算步骤。埋管形式耦合地埋管地源热泵空调系统由土壤换热器、热泵主机和空调末端三部分组成，其中系统的关键是耦合土壤换热器的设计与施工。在现有的工程实践中，垂直地埋管方式居多。这是因为垂直地埋管要比水平地埋管经济一些。有关地源热泵系统性能模拟及能耗模拟程序己经开发有关地下埋管换热器的设计模拟。给定的建筑物冷/热负荷、土壤的热物性及钻孔结构等，在满足

44、热泵最小进液温度(冬季供热)或最大进液温度(夏季制冷)时，确定地下埋管换热器尺寸;此外，在给定建筑物冷/热负荷、土壤的热物性及钻孔长度等时，可计算长期运行后(比如10年)埋管内平均流体温度。有关垂直埋管换热器钻孔热阻的研究 钻孔热阻包括灌浆热阻、埋管管壁热阻和埋管内循环流体的对流换热热阻。影响钻孔热阻的因素有灌浆的导热率、钻孔直径、埋管规格、埋管数量和埋管位置，也取决于管壁热阻和对流换热热阻。随着灌浆的导热率增加，灌浆热阻降低，但当灌浆导热率大于1.73 W/(m.k)以后，灌浆热阻减少的量就很小了。当灌浆导热率从0.74 W/(m.k)增加到1.47 W/(m.k)时，使得埋管内循环流体和土

45、壤之间的热阻可以减少15.3 19.5%。方法：土中加入石英砂来提高灌浆的导热率。采用细硅石、矾土、铁屑、金刚砂与斑脱土混合，可大大提高了灌浆的导热率。与采用水泥砂浆灌浆相比，钻孔深度可减少22-37%。此外，钻孔热阻的大小还取决于钻孔内埋管的位置，Paul和Remund(1997)提出采用灌浆形状因子来计算灌浆热阻，并给出三种结构的形状因子的系数，该形状因子与灌浆的导热率无关，而与钻孔直径、埋管外径、钻孔直径、埋管外径、U型管两支管在钻孔中的位型管两支管在钻孔中的位置有关。置有关。混合式地源热泵 大多数商用公用建筑，从全年来看，放热量大于吸热量。这种不平衡导致更大的埋管尺寸，更高的初投资。为

46、减少埋管尺寸和节约初投资，使用辅助的散热装置(如:冷却塔、液体冷却器、冷却水池，停车场和人行道加热系统等)来排除季节的或每日的多余热量。土壤热物性参数的测试方法 测试方法:现场响应测试。短期测试，典型的测试时间是18h 长期测试，测试持续时间36-72h，Martin等实验研究结果是当土壤导热率较低，或灌浆材料导热率较低时，至少需要48h持续测试时间。分析导热率的方法有:线源解析法、柱源解析法、数值法。地下水渗流的影响 在有渗流存在的砂土中，渗流对整个温度场的影响很大。相同热负荷条件下，渗流的存在促进了冷却介质与土壤之间的换热，从而提高了制冷系数和热力完善度。在土壤源热泵的设计和施工中，充分考虑到地下水渗流的影响，将会降低土壤源热泵的初投资，提高其经济性。国外(Bear 1972，DomenicoSchwartz 1990)用Pe数作为地下水流动影响的判别条件，Pe数(Peclet Number)是在进行地下环路热交换器的设计时，判别是否应考虑地下水渗流影响的条件。它的物理意义是表示在地下水渗流中热对流强度与热传导强度的对比关系。Pe数的值在04-5之间，地下渗流中既有热传导的作用，又有热对流的作用；当Pe5时，主要是热对流来进行热传递。在实际工程中，Pe1时才考虑地下水渗流对地下环路热交换器设计的影响。其他土壤蓄热能力恢复问题与间距，地质条件、排列、运行方式有关；间歇运行 问题