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蒸汽压缩制冷
Air Bubble(激波)热泵:喷射式制冷

  暖通系统中,传递能量的介质称为热媒或冷媒。全部用水做为热媒或冷媒,并将其从热源或冷源传递到室内采暖或供冷设备,供给室内热负荷/冷负荷的系统称为全水系统。因何水可以吸能、蓄能、输能以及释能而用做暖通的热媒或冷媒?首先,水的比热容较大,升高相同的温度,水吸收的热量多且性价比高;其次,水的动能和释能;还有,水的分子结构,等等。

  当科学家将碳纳米管浸入含有水的容器中时,发现了几个的水分子可以钻入纳米管中。当加热碳纳米管时,内部的水分子呈现出反常的物理特性,竟然结冰堵住了纳米管!科学团队利用振动光谱成像技术观察了水分子在内部的运动情况,发现这种冰的结构和一般的冰不同,是水分子与碳纳米管之间形成的一种特殊的晶体结构,这里我们也把它称之为冰。或许我们可以类比成宏观和微观世界微粒的特性,就像物理学中牛顿的经典力学只适用于宏观低速的状态。它在微观世界就不再适用,而是有另一套物理体系。水分子的这种神奇特性也让科学家难以解释。

  当下,比较常用的几种制冷形式:压缩式制冷;吸收式制冷;喷射式制冷。喷射式复合系统:低品质热源喷射式发电制冷复合系统将有机物朗肯循环(ORC)与喷射式制冷循环相结合,利用透平排气驱动喷射器工作。同时实现发电和制冷的功能。

  Air Bubble(激波)热泵,既能产热,又可制冷。利用Air Bubble(激波)热泵所产生的蒸汽(0.3MPa)做动力源,经蒸汽喷射制冷机制取7~12℃冷冻水。工作蒸汽经喷射制冷后,可完全冷凝成水,再循环利用;以水为冷媒进行制冷,不使用任何化学制冷剂,无环境污染;以低压蒸汽为动力,除循环泵外,系统无运转机械部件。

  饱和水在压力0.098MPa时的沸点温度为99.6℃,即一个大气压时的水沸点温度为100℃;汽化热2259.5kJ/kg;饱和水在压力987Pa时的沸点温度为6.3℃;汽化热2476.8kJ/kg,即压力接近零时,水的沸点低于6℃。蒸汽喷射制冷原理是利用低压饱和蒸汽(0.1~0.3MPa)经拉瓦尔喷嘴绝热膨胀,在喷嘴出口处形成超音速气流(1000~1500m/s)。由于高速气流的引射抽吸作用,致使喷射器相连接的蒸发器形成高度真空。流经蒸发器内的饱和水在真空状态下持续迅速蒸发,部分饱和水的蒸发要吸收大量的潜热。从而使未蒸发水不断被吸热后温度变得越来越低,以达到制取7~12℃冷冻水之目的。持续蒸发的水蒸气被高速气流带走,在喷射器混合区内与工作蒸汽充分混合后进入冷凝器,降压降温后的混合气体在冷凝器内被循环冷却水再次降温,凝结成水再被循环利用。

  蒸汽喷射制冷机组的关键部件是喷射器,其效率高低决定制冷剂的工作效率。以往对喷射器的研究主要是建立在一维等熵基础上,其重点是分析工作参数对喷射系数的影响,而未考虑其内部具体流动情况,在指导喷射器结构设计上有一定的局限性;从喷嘴出来的工作流体不是完全进入混合室,而是部分在吸收室中膨胀,形成大涡(回流区);在喷嘴出口处工作流体的压力高于引射流体的压力,超音速气流在混合室继续膨胀,速度继续增加。在这个膨胀过程中,部分蒸汽进入吸收室进行膨胀,形成回流,占据部分引射流体面积;超音速气流在混合室收缩段受到压缩,在混合室入口形成激波。随着工作压力的提高,混合室入口的激波会增强。经激波压缩后,压力迅速回升,速度突降为亚音速,并且来流压力越大,经过激波机械能的损失越大;激波前后的压力比越大,工作压力越高,其在混合室入口的压力越高,形成回流的强度越大;随工作压力的增加,回流区的范围加大(速度为负值的范围加大),吸收室内的这种逆向流动阻碍引射流体的流入,增加了能量损失,即在一定的工作条件下,升高工作压力,喷射系数反而降低。激波热泵蒸汽喷射制冷设计采用计算机仿真(CAE)模拟喷射器内部流体流动模型,确立计算机软测量方法。通过大量试验数据修正,设计喷射器的能效比(COP)可达0.6~0.8。

  CAE(Computer Aided Engineering)指工程设计中的计算机辅助工程。CAE技术是将工程的各个环节有机地组织起来,应用计算机技术、现代管理技术、信息科学技术等科学技术的成功结合,实现全过程的科学化、信息化管理,以取得良好的经济效益和优良的工程质量。

  1)增加设计功能,借助计算机分析计算,确保产品设计的合理性,减少设计成本;

  3)CAE分析起到的虚拟样机作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的物理样机验证设计过程,虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性;

  太阳能制冷技术由于利用可再生和对环境友善的太阳能而受到了越来越多的关注。太阳能+激波热泵蒸汽喷射式制冷系统主要由太阳能集热器+激波热泵和蒸汽喷射式制冷机两大部分组成:

  太阳能集热器+激波热泵循环由太阳能集热器、激波热泵、储热水槽等部分组成。在太阳能集热器循环中,水或其他工质先后被太阳能集热器和激波热泵加热,温度升高,然后再去加热低沸点工质至高压状态。低沸点工质的高压蒸汽进入蒸汽喷射式制冷机后放热,温度迅速降低,然后又回到太阳能集热器+激波热泵再进行加热。如此周而复始,使太阳能集热器+激波热泵成为蒸汽喷射式制冷机循环的热源。

  蒸汽喷射式制冷机循环由蒸汽喷射器、冷凝器、蒸发器、泵等部分组成。在蒸汽喷射式制冷机循环中.低沸点工质的高压蒸汽通过蒸汽喷射器的喷嘴,因流出速度高、压力低,就吸引蒸发器内生成的低压蒸汽,进入混合室。此混合蒸汽流经扩压室后,速度降低,压力增加,然后进入冷凝器被冷凝成液体。该液态的低沸点工质在蒸发器内蒸发,吸收冷媒水的热量,从而达到制冷的目的。

  热驱动制冷是指以热能为驱动力的制冷。从原理上看,低品质热驱动制冷系统主要包括两种:一种是把低品质能源转换为电能来驱动压缩式制冷系统;一种是直接利用热能来驱动吸收式制冷系统。现指的热驱动制冷循环主要是:溴化锂吸收式制冷;氨水吸收式制冷;喷射式制冷;吸附式制冷;半导体制冷;热声热机制冷,等等。这些制冷循环的制冷机对热源要求不高,可以使用低品质热能。目前,吸收系统和压缩系统复合循环有多种形式。根据不同冷热源条件和能量转换目的可构成单级或多级、制冷或制热以及冷热联动等循环方式。

  采用热声发动机驱动室温或低温温区热声制冷机,可实现整机系统完全无运动部件。图示采用热声发动机驱动的两级脉冲管制冷系统获得了18.3K制冷温度,是目前国际上有报道的最低温度。

  吸收式制冷是根据吸收剂可以强烈吸收制冷剂的特性,利用热能驱动溶液进行的制冷。根据吸收剂的不同,可分为溴化锂-水吸收式制冷和氨-水吸收式制冷两种。将激波热泵引入吸收式制冷系统做为驱动热能,可大幅度地降低系统的运行成本,并且改善运行性能。目前,国内所研究开发的激波热泵制冷系统大部分都采用常规的闭式循环。AlizadehJ提出了一种由激波热泵驱动的三效压缩的吸收式冷却器,这种吸收制冷的技术减小了集热器面积,发生的温度为140℃时,冷却器的COP值保持1.5。为测定激波热泵制冷系统内沸腾混合溶液的传热系数,Rivem等提出了一种以氨水-硝酸锂为混合溶液的间歇式吸收制冷系统。此系统由蒸发器、冷凝器、发生器、吸收器和真空管组成,试验的结果表明,这个系统在发生温度为120℃,冷凝温度为40~44℃时,系统的效率保持在0.15~0.4之间。

  有人对溴化锂溶液回热的流程加以改进,提出了一种适合于激波热泵和其它低温热源的新型1.X级溴化锂吸收式制冷循环。鉴于该循环的性能在单效循环和两级循环之间,所以称此循环为1.X级溴化锂吸收式制冷循环。模拟计算表明1.X级循环的性能指标明显高于了两级循环。还有人提出了一种新型的激波热泵混合吸收式制冷空调系统,在混合吸收式制冷循环中增设附加高压发生器,不仅克服了传统吸收式系统整体效率低的缺点,而且制冷系数可高达0.61,整体效率也比两级吸收式激波热泵空调系统提高了很大幅度,最大幅度值为94.5%。

  激波热泵驱动的半导体制冷系统,结构紧凑,携带方便,可以根据用户需要做成小型化的专用制冷装置。它具有使用维护简单,安全性能好,可分散供电,储能比较方便,无环境污染等特点。另外,利用帕尔贴效应的半导体制冷系统与一般的机械制冷相比,它不需要泵、压缩机等运动部件,因此不存在磨损和噪声。它不需要制冷剂,省去了复杂的传输管路。它只需切换电流方向就可以使系统由制冷状态变为制热状态。ADeVos使用内可逆热力学方法对太阳能电池的光电转换效率成功进行了解释和探讨;沙特的sofrata着重讨论过用于沙漠地区的激波热泵半导体制冷装置的散热方式有效性问题,等等。这些工作在一定程度上都推动了激波热泵半导体制冷系统的发展,为进一步扩大应用奠定了基础。

  喷射式制冷系统中循环泵是唯一的运动部件,系统设置比吸收式要简单,并且运行稳定,可靠性也较高。其缺点是制冷效率较低。根据对增压喷射系统进行了分析研究,研究表明这种增压喷射具有很好的技术经济性。同时研究表明,R11在热物理的性质上更适合喷射式的制冷系统,从而提出了吸收一再压缩的系统。在这个系统中,激波热泵产生的高温高压蒸汽从发生器中吸入一部分蒸汽后,再进入发生器。通过试验验证了此系统的可行性。在设计条件下(热源温度200℃,蒸发温度5℃,冷凝器温度30℃,吸收温度 30℃),理论的制冷量为5.5kW,但是实际在试验中得到的制冷量为5kW,COP为1.12。虽然这个数值低于理论分析所得到的COP为1.13,但是与单效吸收制冷系统(COP大约为0.17)对比,系统效率依然得到大幅度的提高,系统在夏季时可以提供7kW的制冷负荷。