浅谈最新制冷技术

浅谈最新制冷技术赵树男（1.吉林大学汽车工程学院，长春130000）摘要：能源的利用率和环境的要求共同决定了新型制冷技术的发展方向，根据国内外的研究情况，总结了主要的新型制冷技术的制冷原理、特点和发展现状，并对其应用前景进行了展望。关键词：新型制冷技术；原理；特点；研究现状；应用前景OverviewofthenewrefrigerationtechnologiesZhaoShunanAbstract:Thedevelopmentdirectionofthenewrefrigerationtechnologiesisdeterminedbytheutilizationrateofenergyandtherequirementsofenvironment,accordingtothedomesticandforeignresearchsituation,thecoolingprinciple，characteristicsanddevelopmentstatusofseveralmajornewrefrigerationtechnologieshavebeensummarized.Atlast,anoutlookofitsapplicationprospecthasbeenputforward.Keywords:Newrefrigerationtechnologies;Theory；Characteristic；Researchstatus；Applicationprospect制冷技术已渗透到生产技术、科研领域以及日常生活的各个方面并发挥着巨大的作用。生活中，制冷在食品冷加工、冷贮藏、冷藏运输、空气调节以及体育运动中制造人工冰场等得到广泛用；工业生产中，为生产环境提供必要的恒温恒湿环境，对材料进行低温处理以及零件间的过盈配合等；农牧业中，对农作物种子进行低温处理等；建筑工程中，利用制冷实现冻土开采土方；现代医学中的低温冷冻骨髓和外周血干细胞、手术中的低温麻醉等；制冷技术在尖端科学领域如微电子技术、新型材料、宇宙开发、生物技术的研究和开发中都发挥作用。1.发展新型制冷技术的必要性制冷技术的发展水平是衡量一个国家国民经济和人民生活水平的重要标志，我国的制冷行业是国民经济中大耗能行业之一。目前，我国的环境污染在世界上较严重，由此引发的一系列后效应，将对会的各行各业带来负面影响。因此，必须实施国家能源政策，改善能源结构，提倡使用清洁优质高效能源，大力推广节能环保新技术。对于制冷与空调行业，应从环保化、节能化、智能化三方面着手，注重新技术的研发和应用，以及制冷空调技术与相关技术的融合与交叉，以适应二十一世纪的能源战略新需要。为此，半导体制冷、磁制冷、激光制冷、化学吸附式制冷及热声制冷等新型制冷技术应运而生。2.主要的新型制冷技术2.1太阳能制冷2.1.1主要类型及原理主要有吸收式、吸附式、冷管式、除湿式、喷射式和光伏等制冷类型。吸收式制冷利用储存液态冷剂的相变潜热来储存能量，利用其在低压低温下气化而制冷；吸附式制冷是将太阳能集热与吸收式制冷相结合的一种蒸发制冷技术；冷管制冷是一种间歇式制冷，主要结构是由太阳能冷管、集热箱、制冷箱、蓄冷器和冷却水回路等组成，是一种特殊的吸附式制冷系统；除湿式制冷技术利用除湿剂来吸附空气中的水蒸气以降低空气湿度，然后再进行一定的冷却和绝热加湿达到制冷目的；喷射式制冷循环包含太阳能集热器子循环（由集热器、发生器组成）和喷射制冷子循环（由发生器、喷射器、冷凝器、蒸发器和循环泵组成）；光伏制冷系统将太阳能将转化为直流电，直流电通过控制器驱动压缩机工作。2.1.2研究现状吸收式制冷和喷射制冷都已进入了应用阶段，吸收式扩散式制冷系统主要利用低品位热源，在农业废弃物的处理和利用有着广阔的应用前景；吸附式制冷和溶液除湿冷却制冷还处在研究阶段，利用光伏制冷系统制成的直流冰箱在国外已小批量生产。2.2磁制冷2.2.1基本原理磁制冷（又称磁卡效应，Magneto-CaloricEffect）即利用磁热效应制冷。磁制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时从外界吸收热量。对与铁磁性材料，磁热效应在其居里温度（磁有序-无序转变的温度）附近最为显著，当作用有外磁场时，该材料的磁熵值降低并放热；反之当去除外磁场时，材料的磁熵值升高并吸热。2.2.2制冷特点它采用磁性物质作为制冷工质，也不导致温室效应。其运动部件少，减小了机械振动和噪声，可靠性高，效率高（能达到卡诺循环的30％～60%）。其应用范围广，从μK、mK直到室温以上均适用；在低温（制取液氮、液氦、液氢）领域和高温（特别是近室温）领域都有广泛应用前景。2.2.3研究现状当前，低温区（20K以下）磁制冷的研究已比较成熟并实用化。高温区磁制冷还处于试验研究开发阶段，目前80K至室温的磁制冷技术是研究的热点。研究出低成本且具有巨磁卡效应的材料以及利用NdFeB等永磁体产生外场（不用结构复杂而昂贵的超导磁体）是室温磁制冷关键。面临的主要困难：①每次磁制冷循环所产生的温差还不够大，只有1～3K，磁性材料磁熵太小；②热交换速度不够快，使制冷周期延长，整个循环效率下降；③室温条件下，不利用超导技术，仍利用电磁铁或稀土永磁材料产生磁场，则两磁极面总存在空气隙，进入磁场的磁制冷材料有限，这要求有绝热效果好的隔热层。其突破方向：①磁场分析，完善磁体结构；②针对相应的温区选择换热介质，设计出最佳的热开关或换热回路，提高换热效率；③制冷材料的研制，通过改进工艺和材料重组制备性能更优越的材料。2.2.4应用前景磁制冷技术可广泛应用于木本植物、高体革鯻精子、怀山药种质资源的包埋玻璃化、茅苍术种质资源等的超低温保存，以及水果冷冻贮藏方面。此外在极低温和液化氦等小型装置中，其高效、无污染、无噪声等众多特点使其在未来的太空开发和民用需要方面让人充满期待；在要求制冷源设备重量轻、振动和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期长、工作温度和冷量范围广的国防领域也有很好前景。2.3激光制冷2.3.1基本原理激光制冷也称反斯托克斯荧光制冷(AntistokesFluorescentCooling)，是正在发展的新概念的制冷方法。其基本原理是反斯托克斯效应，利用散射与入射光子的能量差实现制冷。反斯托克斯效应是一种特殊的散射效应，其散射荧光光子波长比入射光子波长短。因此，散射荧光光子能量高于入射光子能量。其过程可简单理解为：用低能量激光光子激发发光介质，发光介质散射出高能量的光子，将发光介质中的原有能量带出介质而制冷。与传统制冷方式相比，激光起到了提供制冷动力的作用，而散射出的反斯托克斯荧光则是热量载体。2.3.2制冷特点由于制冷材料对泵浦光的吸收有限，激光冷却材料一般含有杂质离子如Cu2+、Co2+、Cr3+，杂质中心会导致荧光猝灭和非辐射的多声子驰豫振荡和竞争，从而导致制冷效率降低，当前试验效率均不高于3%。2.3.3研究现状研究主要集中在：①进一步深化理论研究，寻找更适合能级结构的原子、离子或其他基团，作为制冷元件的荧光中心，以提高制冷循环的制冷量和制冷系数；②优化光路设计，提高激光利用率；③提高介质纯度，减少杂质引起的制冷消耗；④改进系统设计，提高系统绝热系数，优化系统整体结构。2.3.4应用前景激光制冷器具有无振动、无噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长等优点，在农业科技（如电冰箱、制冷机等）、军事、航天等尖端领域均有广阔应用前景。2.4化学吸附式制冷2.4.1基本原理化学吸附是吸附质分子与吸附剂表面原子发生化学反应，生成表面络合物的过程。无规则运动的气态吸附质分子与固体表面发生碰撞，如果是弹性碰撞，则气相与固相表面均不发生可察觉变化；若发生非弹性碰撞，气相分子一部分能量将被固相分子吸收。当气态分子与表面碰撞损失的能量超过某一临界值后，分子将没有能力爬出表面势阱而被俘获。一个基本的化学吸附式制冷系统由吸附反应器和冷凝器、蒸发器构成，工作过程由加热解吸和冷却吸附组成[16]。2.4.2制冷特点吸附式制冷采用低品位能源（太阳能和废热）作驱动源，工质对环境无污染。其整体结构简单、可靠，操作方便，无运动部件，使用寿命长，运转费用低廉，无噪声，特别适用于无电地区、有大量低品位余热排放的工业过程及震动频繁的移动机械上。2.4.3研究现状当前对吸附制冷的研究主要集中在对吸附特性和循环特性的理论分析上。由于化学吸附工质的使用寿命短，反应速度慢，系统的导热效率低，使得吸附制冷的发展和推广利用受到限制。2.4.4应用前景近年来，化学吸附制冷技术得到了初步应用。如法国国家科学研究中心研制了化学吸附供热/制冷机组，其容量为制热60kW·h、制冷40kW·h；上海交通大学研制出了以氯化钙/活性炭-氨为工质对的高效复合交变热管型化学吸附制冰机组。该技术以其绿色、环保、节能等优势，在农业生产科技、制冷空调领域具良好发展潜力，在低品位热能回收再利用及太阳能等新能源开发方面具有广阔应用前景。2.5热声制冷2.5.1基本原理热声效应即可压缩流体的声振荡与固体介质由于相互作用而产生时均能量效应。当处于声场中的固体介质与振荡的流体之间有相互作用时，在距固体壁面一定范围内沿声波传播的方向会产生一个时均热流，并在该区域内产生或吸收声功。热声制冷分线性制冷和非线性制冷两种。线性热声理论已经成熟，非线性热声理论的研究也不断取得发展，热声制冷机正朝着利用低品位能源的目标前进。2.5.2应用前景热声制冷具环保、结构简单、无可动部件、运行可靠等优点，使其在食品冷冻冷藏、天然气液化、普冷领域空调、回收掩埋式垃圾场产生的可燃性气体以及石油液化分离等方面有广阔的应用前景。近几年，热声理论与试验同步进行，取得了很大进展。国外正在开发微型热声制冷装置，利用压电驱动器来驱动与微制造结合的热声元件和谐振腔，应用于微电子芯片和微电子电路系统的散热冷却。目前样机使用一个大气压的空气工质，压电喇叭作为声驱动器，制冷温差达到11℃；由于其仅是试验样机，还有许多改进空间（如用其他惰性气体、提高工质的均压及改进谐振腔形状等）。3.展望制冷技术发展面临最重要的问题在于不断提高其环保和节能性能。当前，各种新型制冷技术发展迅速，尽管还没能得到广泛的推广应用，但其优越性已得到了肯定，小范围的应用已比较普遍。可以预见，新型制冷技术的研究发展必将极大地推动工农业生产的发展。参考文献［1］万忠民，舒水明，胡兴华.新型高效太阳能吸收式制冷循环[J].华中科技大学学报：自然科学版，2006，34（9）：85-87.［2］段芮.太阳能制冷技术的特点与现状[J].上海电力学院学报，2009，25（1）：75-78.［3］YUBF,GAOQ,ZHANGB,etal.ReviewonresearchofroomtemperaturemagneticRefrigeration[J].InternationalJournalofRefrigeration,2003,26（6）:622–636.［4］王贵，张世亮，赵仑，等.磁制冷技术研究现状[J].制冷，2003，22(4)：19-23.［5］刘涛.磁制冷技术的应用与研究前景[J].制冷与空调，2009，23(1)：83-86.［6］汤珂，陈国邦，冯仰浦.激光制冷[J].低温与超导，2002，30（3）：5-11.［7］李廷贤,王如竹,王丽伟.低品位热能驱动的高效热化学吸附式制冷研究[J].科学通报，2008,53（24）：2978-2993.［8］余炎，孙大明，徐雅.时均流驱动热声制冷研究进展[J].低温与超导，2010，38（7）1-8.［9］周远，罗二仓.热声热机技术的研究进展[J].机械工程学报，2009，45（3）：14-26.［10］Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse［11］