暖通空調新技術

暖通空調新技術第1頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月制冷劑熱電制冷磁制冷氣體絕熱膨脹制冷氣體渦流制冷co2壓縮式氣體制冷熱聲制冷第2頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一、制冷劑研究的進展蒸氣壓縮制冷在19世紀末期開始實際應用系統(tǒng)使用CO2、SO2、氨20世紀三十年代開始使用CFCs氟里昂根據穩(wěn)定性和低毒性第3頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

現在常用的制冷劑HCFC-22HFC-134aHCFC-123R407CR410A

第4頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月制冷劑的演化第一代19世紀30年代-20世紀30年代當時可用工質乙醚，CO2，NH3SO2，HCS，H2OCCI4，CHCS，…第二代20世紀30年代-20世紀90年代安全性和耐久性CFCS，HCFCS，HFCS，NH3H2O第三代20世紀90年代-環(huán)境保護HCFCS，HFCS，NH3H2OHCS，CO2，…?第5頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月常用制冷劑安全等級: 制冷劑(PPM)測試: HCFC123

HCFC22

HFC134aAEL 30 1,000 1,000允許暴露等級LC50 32,000 308,000600,000(空氣中的致命濃度，一半的測試對象4小時后死亡)心臟承受濃度 20,000 50,00075,000(心悸產生的濃度)NOEL

<300 10,00060,000(無法觀察項的影響等級)毒性降低第6頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月ASHRAE34-92:“安全類別”高可燃性低可燃性不燃

A3丙烷丁烷B3A2R-142b,152aB2氨A1R-11,12,22,114,500,134aB1R-123,SO2低毒性高毒性毒性降低第7頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月蒙特利爾協(xié)議1974年，羅蘭和莫利納的理論指出臭氧在大氣層中正在減少1985年在南極證實了臭氧正在減少1987年蒙特利爾協(xié)議簽定包括在發(fā)達國家終止一些特殊化學制品第8頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1987年前后的制冷劑一般暖通制冷用的制冷劑包括CFC-11、CFC-12(ODP=1.0)、HCFC-22(ODP=0.05)機組效率為0.70-0.80kw/ton低壓機組每年約損失充注制冷劑的25%第9頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月改進措施HFC-134a(ODP=0)替代CFC-12HCFC-123(ODP=0.02)替代CFC-11機組密封(高效抽氣裝置、制冷劑再生等)安大略會議推薦在離心機組中使用HFC-134a(1993)第10頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月禁止CFCs(11,12)在1996年禁止HCFC-123具有毒性最初的AEL是10ppm(后來按CSA-B5299升至50ppm)HCFC-123被定為B1級制冷劑第11頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月逐漸停止HCFC時間表;1996年生產能力(1989年HCFC生產量加1989年CFC生產量的2.8%)2004年65%2010年35%2015年10%2020年0.5%不增加新的設備2030年0%第12頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月HCFC逐漸禁止USA在1996年7月生產能力減少82%。USA在1998年生產能力減少92%。EPA組織已經給出了相應的措施和計劃來防止生產量的增加。第13頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月同溫層臭氧破壞1994年ODS集中在較低的大氣層中?，F在ODS集中在同溫層中。CFC替代物在大氣層中滯留量增加。在2050年ODS將回到標準。第14頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2050年….

在北半球50%臭氧層破壞，在南半球70%溴氧層破壞赤道部分紫外線-B的輻射量是北半球兩倍，南半球的四倍。第15頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月全球溫室效應CO2濃度將超過現在工業(yè)指標30%(275ppm)CH4增長一倍全球平均溫度將升高0.5-2攝氏度。海平面高度平均升高0.5-3m。第16頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1997年京都最高級會議在2008-2012年發(fā)達國家一致同意控制溫室氣體輻射加拿大在1990水平上減少6%美國在1990年水平上減少7%注意：企業(yè)發(fā)展將增加輻射量是1990年水平的20%到30%第17頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月京都協(xié)議細節(jié)各成員國負責其內部政策總目標必須實現6種氣體包含(CO2,HFCs,CH4,PFCs,SF6,N2O)沒有特別的氣體禁止承認“sinks”允許限額貿易第18頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月京都協(xié)議論點不包括發(fā)展中國家當前USA是最大的排放源(4,881,000公噸CO2當量)中國第二(2,667,000公噸CO2當量)加拿大第九(409,862公噸CO2當量)15年后發(fā)展中國家將超過發(fā)達國家第19頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月能源效率京都協(xié)議將推動高效能建筑1/3民用建筑能源1/3工業(yè)能源1/3運輸能源第20頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月當前結果京都協(xié)議批準蒙特利爾和京都協(xié)議中關于制冷劑的爭執(zhí)新的ASHRAE90.1新的標準將給實際運用和能源方面分別節(jié)省16%和20%第21頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月蒙特利爾和京都協(xié)議間的爭論蒙特利爾協(xié)議在進一步推進HFCs(134a)同時限制使用HCFC-123，HCFC-22京都協(xié)議試圖減少HFCs使用京都協(xié)議僅確認HFCs類工質，沒有淘汰日期，沒有給出具體氣體的名稱第22頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月蒙特利爾和京都協(xié)議間的爭論最好的預測，總當量熱效應的觀點被接受，并且HFCs將有一個很長的使用期淘汰HCFC-123此類危害氣體工質將會有很多工作要做蒙特利爾協(xié)議第23頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月其它制冷劑R-718水R-717氨R-744CO2R-290,600,600a(丙烷,丁烷,異丁烷)R-407cR-410a第24頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月水和氨水能用于吸收式制冷方面效率是當前問題(COP=1)氨的效率高，但有毒性對大型機械工廠，工業(yè)及研究機構進行限制第25頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二氧化碳蒸氣壓縮機制冷劑是最初中的一種蒸發(fā)器3.1MPa冷凝器8.54MPaASHRAE深入研究二氧化碳技術第26頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月易燃制冷劑丙烷和丁烷涉及到安全問題聯(lián)合國TOC研究35%的市場在北歐8%的世界市場實際用量很少在北美不受歡迎第27頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月混合物共沸混合物R-400系列單混合物易于分解共沸混合物R-500系列特性類似于純混合物第28頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月混合物R-407C(HFC-32/HFC-125/HFC-134a)非常接近HCFC-22溫度滑移問題-不適用于滿液式系統(tǒng)用作R-22代替物可用在壓縮機技術第29頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月混合物R-410a(HFC-32/HFC-125)較高運行壓力(2.4MPa)有少量溫度滑移-但適用于滿液式系統(tǒng)重新設計設備代替目前使用的R-22設備第30頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月全世界HCFC產品應用規(guī)定現狀1990199520002005201020152020202520302.8%Cap35%-201010%-20150.5%-202065%-200465%40%產量保持為1995年產量20%5%歐盟逐漸淘汰目前蒙特利爾協(xié)定德國歐洲，高于150kW的設備80%第31頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月1990199520002005201020152020202520302.8%總量35%-201010%-20150.5%-202065%-200465%40%產量保持為1995年產量20%5%歐盟逐漸淘汰目前蒙特利爾協(xié)定德國瑞典丹麥澳大利亞意大利加拿大歐洲，高于150kW的設備80%全世界HCFC產品應用規(guī)定現狀第32頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月國際HCFC在加速淘汰：瑞典(新設備為2000年，服務到2002年)加拿大(新設備為2010年，服務到2020年）產量以1995年產量為準-在2015后不予服務德國挪威英國意大利9個其他E.C.U.國家和2個非洲國家1993年11月15日協(xié)議會議，曼谷，泰國第33頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月HCFC替代HCFC-123

被代替為： ???HCFC-22

被代替為： HFC-407C/ HFC-410A

非共沸/近共沸工質

第34頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

全球淘汰日程1985維也納協(xié)定-提出淘汰CFC1987蒙特利爾協(xié)定-逐步淘汰CFC物質，整個淘汰進程在5年內完成1990倫敦修正方案-逐步淘汰，整個淘汰進程在2000年之前完成1992哥本哈根修正方案-到1996年完全淘汰CFC物質。逐步淘汰HCFC物質，至2030年完全停用。1995維也納修正方案-減少HCFC物質的消費總量，至2030年淘汰至5%。第35頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月全球HCFC加速淘汰:瑞典（新設備至2000年-維修服務至2002年）加拿大（新設備至2010年-維修服務至2020年）1995年開始限制產量-2015后不再提供維修服務德國挪威英國意大利9個其他E.C.U.和2個非洲國家1993年11月15日協(xié)議會議，曼谷，泰國第36頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月產量限制總量=1989年CFC消費量X2.8%+1989HCFC消費量X100%.消費量=產量+進口量-出口量（受控物質）對于HCFC物質:1996年1月1日起凍結生產量，臭氧消耗潛能為CFCs的2.8%，HCFCs應用于1989年的消費領域。2004年1月1日產量減少35%2010年1月1日產量減少65%2015年1月1日產量減少90%2020年1月1日產量減少99.5%2030年1月1日產量減少100%開始實施199665%-200435%-201010%-20150.5%-2030第37頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月商用制冷劑的選擇趨勢：過去: 過渡期: 將來:CFC-11

CFC-12/500HCFC-22,123HFC-134aHCFC22第38頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月無氯元素的混合工質: 商品 混合

公司 代號 工質

聯(lián)信 AZ20 HFC32,125 AZ50 HFC125,143a 杜邦 HP62 HFC125,143a,134a AC9000 HFC32,125,134a ICI 66 HFC32,125,134a

第39頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電制冷

熱電制冷的理論基礎是固體的熱電效應。在沒有外磁場的情況下，有五個：導熱、焦耳熱損失、西伯克（Seebeck）效應、帕爾帖（Peltier）效應、湯姆遜（Thomson）效應。（1）西伯克效應由兩種不同導體組成的開路中，如果導體的兩個結點存在溫度差，則開路中將產生電動勢E。（2）帕爾帖效應電流流經兩種不同導體的界面時，將從外接吸收熱量或向外界放出熱量。（3）湯姆遜效應電流通過具有溫度梯度的均勻導體時，導體將吸收或放出熱量。第40頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電制冷的制冷量計算冷端產生的吸熱量（帕爾帖熱）QπQπ=πIπ=(αP－αN)Tc熱電制冷回路的制冷量Q0Q0=Qπ－Qj/2－QλQj＝I2RR=L(ρ1/S1+ρ2/S2)第42頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電制冷的制冷量計算

Qλ=K(Th－Tc)K=(λ1/S1+λ2/S2)/LQ0=(αP－αN)TcI－I2R

/2－K(Th－Tc)第43頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電制冷的特點和應用結構簡單體積小啟動快，控制靈活操作具有可逆性效率低、耗電多（缺點）特點：第44頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月電子器件上的應用工業(yè)上的應用醫(yī)學上的應用其它方面的應用熱電制冷的應用第45頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月磁熱效應-磁制冷磁熱效應：

利用磁致冷材料的磁熱效應(基本原理是磁性材料的磁化放熱和退磁吸熱)?；诓牧系拇艧嵝鸵欢ǖ臒崃α鞒炭梢詷嫵纱胖评溲h(huán)。第46頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月順磁體絕熱去磁過程中，其溫度會降低。從機理上說，固體磁性物質（磁性離子構成的系統(tǒng)）在受磁場作用磁化時，系統(tǒng)的磁有序度加強（磁熵減?。?，對外放出熱量；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。這種磁性離子系統(tǒng)在磁場施加與除去過程中所出現的熱現象稱為磁熱效應。1927年德貝（Debye）和杰克（Giauque）預言了可以利用此效應制冷。1933年杰克實現了絕熱去磁制冷。從此，在極低溫領域（mK級至16K范圍）磁制冷發(fā)揮了很大作用?，F在低溫磁制冷技術比較成熟。美國、日本、法國均研制出多種低溫磁制冷冰箱，為各種科學研究創(chuàng)造極低溫條件。例如用于衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器的參數檢測和數處理系統(tǒng)中，磁制冷還用在氦液化制冷機上。而高溫區(qū)磁制冷尚處于研究階段。但由于磁制冷不要壓縮機、噪聲小，小型、量輕等優(yōu)點，進一步擴大其高溫制冷應用很有誘惑力，目前十分重視高溫磁制冷的開發(fā)。

第47頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月問題高溫磁制冷實用的研究包括以下主要方面：①尋找合適的磁材料（工質）。它應具有的特點是：離子磁矩大、居里點接近室溫、以較小磁場（例如1T）作用與除去作用時能夠引起足夠大的磁熵變（即磁熱效應顯著）?，F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等系列的物質（其中R代表稀元素），還有復合型磁制冷物質（由居里點不同的幾種材料組成）。②外磁場。需采用高磁通密度的永磁體。③研究最合適的磁循環(huán)并解決實現循環(huán)所涉及到的熱交換問題。第48頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月氣體絕熱膨脹制冷（布雷頓制冷循環(huán)）第49頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月氣體膨脹制冷是利用高壓氣體的絕熱膨脹來達到低溫，并利用膨脹后的氣體在低壓下的復熱過程來制冷的，由于氣體絕熱膨脹的設備不同，一般有兩種方式:一種是將高壓氣體經膨脹機膨脹，有外功輸出，因而氣體的溫降大，復熱時制冷量也大，但膨脹機結構比較復雜，另一種方式是令氣體經節(jié)流閥膨脹，無外功輸出，氣體的溫降小，制冷量也小，但節(jié)流閥的結構比較簡單，便于進行氣體流量的調節(jié)。常見循環(huán)：氣體絕熱節(jié)流循環(huán)、布雷頓制冷循環(huán)、克勞特制冷循環(huán)、斯特林制冷循環(huán)和維米勒爾制冷循環(huán)的基本原理及其研究狀況，并對其應用現狀作了簡要的敘述。第50頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月克勞特制冷循環(huán)克勞特制冷循環(huán)綜合利用了節(jié)流和等熵膨脹兩種制冷方法，以取得比布雷頓循環(huán)更低的制冷溫度。第51頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月斯特林制冷循環(huán)兩個等溫過程和兩個等容回熱過程組成的閉式熱力學循環(huán)，稱為斯特林循環(huán)，也稱為定容回熱循環(huán)。第52頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月渦流管制冷技術

第53頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月渦流管制冷技術

渦流管（VortexTube）原理：壓縮空氣噴射進渦流管的渦流室后，氣流以高達每分鐘一百萬轉的速度旋轉著流向渦流管的熱氣端出口，一部分氣流通過控制閥流出，剩余的氣體被阻擋后，在原氣流內圈以同樣的轉速反向旋轉，并流向渦流管的冷氣端。在此過程中，兩股氣流發(fā)生熱交換，內環(huán)氣流變得很冷，從渦流管的冷氣端流出，外環(huán)氣流則變得很熱，從渦流管的熱氣端流出。渦流管可以高效的產生出低溫氣體，用作冷卻降溫用途，冷氣流的溫度及流量大小可通過調節(jié)渦流管熱氣端的閥門控制。渦流管熱氣端的出氣比例越高，則渦流管冷氣端氣流的溫度就越低，流量也相應減少。NexFlow渦流管最高可使原始壓縮空氣溫降70℃。第54頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月渦流管制冷技術特點：

1、渦流管靠壓縮空氣驅動，非電氣設備，純機械結構，內部無化學物、無污染可能。

2、運行可靠，免維護，使用成本很低，渦流管內部無任何活動件、無磨損可能，壽命長達10年以上。

3、渦流管材質為不銹鋼，耐腐蝕、體積小，重量僅約0.5公斤。渦流管應用：

1、制造業(yè)：塑料或金屬加工、木材加工、焊接件、熱封件、模具加工等冷卻。

2、實驗室里用于產生特定低溫的氣體。

3、電子元器件、儀表、開關和溫度調節(jié)裝置等的冷卻。

4、其它制冷應用，如輔助人工造雪等。第55頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二氧化碳制冷二氧化碳作為一種自然制冷劑,可以根本上解決制冷系統(tǒng)的CFCs工質替代問題.二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)關鍵設備-制冷壓縮機、氣體冷卻器、蒸發(fā)器、膨脹機傳統(tǒng)天然工質CO2制冷劑可能應用的領域有以下三個方面。一、是CO2超臨界循環(huán)（汽車空調）。由于其壓比低，使壓縮機效率高，高效換熱器(如沖壓唯槽管)的采用也對提高其能效做出貢獻。由于高壓側CO2大的溫度變化，使進口空氣溫度與CO2的排氣溫度可以非常接近(僅相差幾度)，這樣，可以減少高壓側不可逆?zhèn)鳠嵋鸬膿p失。為了減輕重量和縮小尺寸，換熱器頭部的優(yōu)化設計也已開發(fā)。此外，CO2系統(tǒng)在熱泵方面的特殊優(yōu)越性，可以解決現代汽車冬天不能向車廂提供足夠熱量的缺陷。目前德國已有商用的CO2空調系統(tǒng)的公共汽車投入公交運輸，空調器尺寸與HFC-134a相當。第56頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二氧化碳制冷二、CO2熱泵熱水加熱器，由于CO2在高壓側具有較大溫度變化(約80-100℃)的放熱過程，適合用于熱水的加熱。1998年和1999年有報道，試驗結果比采用電能或天然氣燃燒加熱，可節(jié)能75%，水溫可從8℃升高60℃。三、在復疊式制冷系統(tǒng)中，CO2用作低壓級制冷劑，高壓級用NH3或HFC-134a作制冷劑。第57頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月近臨界或跨臨界循環(huán)第58頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月．熱聲制冷技術

一、熱聲研究的目的和意義

八十年代以來，脈管制冷機的研究獲得了突飛猛進的發(fā)展。兩級脈管制冷機達到了1.7K。但目前脈管制冷機離實用化、工程化還有一定的距離，其主要原因之一就是缺少與脈管制冷機相匹配的壓縮機。目前廣泛采用的機械壓縮機中仍然存在著運動部件，壓縮機的性能將對脈管制冷機的性能產生直接的影響。在這種情況下，采用熱壓縮機代替常規(guī)的機械壓縮機來驅動脈管制冷機是一種理想的方案。這種熱聲驅動脈管制冷機具有兩個突出的優(yōu)點：其一是制冷系統(tǒng)除流動工質外沒有運動部件，從根本上消除了常規(guī)機械制冷機存在的磨損與振動；其二是采用熱能驅動，可用太陽能、燃氣等作為熱源。采用低品位的熱能不僅有利于提高系統(tǒng)的熱力學效率，而且對于那些缺乏電能的場合則更具有實際意義。此外，熱聲制冷機一般采用N2或He作工質，屬于綠色工質，對大氣臭氧層沒有破壞?？梢姡瑹崧晧嚎s機是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛪毫Σòl(fā)生器，在空間及輸電困難但能提供熱能的地方(如遠海或荒漠中開采石油和天然氣)有著廣泛的應用前景。

第59頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月熱聲制冷機也可用揚聲器來驅動，雖然這種制冷機也存在著運動部件（揚聲器振動膜），但由于其不需要動密封，故無維修使用壽命比常規(guī)的制冷機要長，且與壓縮機的活塞相比振動膜的振動要小得多。若采用氣體工質，則在那些需要較大溫差、較小能流密度的場合有很大的應用前景；若采用近臨界液相工質（如乙烯），則單位體積制冷量可與目前的常規(guī)蒸汽壓縮制冷機相當，其清潔、可靠和低成本的特點使其在家用和工業(yè)制冷場合具有極大的競爭力。同時，研究熱聲壓縮機還可以進一步開拓視野，豐富和完善熱聲理論，推動和發(fā)展回熱式熱機，還能讓我們以一個全新角度去認識其它類型的熱機，從而推動它們的發(fā)展。以往的回熱式熱機循環(huán)理論基于理想的熱力學可逆過程，從能量守恒和動量守恒方程出發(fā)，忽略了流體工質的流動特性對流體與固相工質間熱交換的影響，與實際的工況相差甚遠，定量化程度不高，更不能為我們提供對其工作機理的了解。同時，數值模擬方法對每個具體的情況都需作較大調整，缺乏普遍指導意義。熱聲理論將熱機的工作機理歸結為普遍的熱聲效應，即可壓縮的工作流體的振蕩（即聲）與固體介質熱相互作用產生的時均能量效應。它能很好地解釋一些問題，如傳統(tǒng)的平衡觀點認為，回熱器是一個換熱器，為提高效率，應減少氣軸向溫度梯度，實際上根據熱聲理論，我們可以知道：回熱器的臨界溫度梯度是判斷熱功轉換方向的重要參數?；責崞鞑粌H僅是一個換熱器，還是一個熱功轉換元件。

第60頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月脈管制冷機脈管制冷的基本原理是利用高低壓氣體對脈沖管腔的充放氣而獲得低溫的，它實質上是西蒙膨脹制冷的一種形式。

基本型脈管制冷機是1963年由Gifford和Longsworth提出并研制的，系統(tǒng)由壓縮機、切換閥、回熱器、冷端換熱器、導流器、脈沖管和脈沖管封閉瑞的水冷卻器所組成。壓縮機作為壓力波發(fā)生器(圖中末示出)，導流器起到防止氣體紊流混合的作用。其制冷工作過程如下:第61頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月脈管制冷機第62頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月①高壓氣體通過被控制的切換閥流經回熱器、冷端換熱器、導流器，以層流態(tài)進入脈管，漸次推擠管內氣體向封閉端移動，同時使之受到擠壓，沿管長壓力升高，溫度上升，在脈管封閉端達到最高溫度。

②布置在封閉端的水冷換熱器將熱量帶走，使其管內氣體的溫度和壓力因放熱而稍有降低。

③切換閥轉動使系統(tǒng)內氣體與氣源低壓側連通，脈管內的氣體又以層流態(tài)漸次向氣源推移擴張，氣體膨脹降壓而獲得低溫。

④切換閥再次轉換使系統(tǒng)與氣源高壓側連通，從而完成一個循環(huán)。脈管制冷機采用的工質通常為He。脈管制冷機運行時，脈管氣體軸向存在溫度梯度，人口端溫度低，封閉端溫度高，這點與容器內絕熱放氣后氣體溫度是均勻的不同。

第63頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱聲學的發(fā)展歷史和研究現狀聲波在空氣中傳播時會產生壓力及位移的波動。聲波的傳播也會引起溫度的波動。當聲波所引起的壓力、位移及溫度的波動與一固體邊界相作用時，就會發(fā)生明顯的聲波能量與熱能的轉換，這就是熱聲效應。熱聲效應，即聲場中的時均熱力學效應。根據能量轉換觀點可將熱聲效應分為兩類：一是用熱來產生聲，即熱驅動的聲振蕩；二是用聲來產生熱流，即聲驅動的熱量傳輸。其相應的機械裝置分別為熱聲壓縮機和熱聲制冷機。熱聲壓縮機和熱聲制冷機在原理上是一致的，只是由于某些參數不同而導致了運行結果的迥異。

1986年，Hofler在他的博士論文中設計并制作了一實驗熱聲制冷機。這是世界上第一臺有效的熱聲制冷機，它以揚聲器驅動發(fā)聲，在3W的熱負荷下，其制冷系數達到卡諾系數的12%，制冷溫度可達-50℃。

1990年，G.W.Swift、R.Radebaugh和R.A.Martin建議用熱聲驅動器(TAD)代替機械壓縮機來驅動小孔型脈管制冷機。當TAD密集的間隔片的溫度梯度超過其臨界值時，氦工質氣流將自發(fā)產生熱聲振蕩。因為在熱聲脈管中無運動部件，所以具有潛在的低成本和極高的可靠性。

第64頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月研究現狀

在駐波熱聲機械獲得極大發(fā)展的同時，行波熱聲機械也取得了很大的進展。美國GeorgeMason大學Ceperley于1979年提出了一種共振型行波熱聲制冷機。行波熱聲制冷機的組成包括聲波發(fā)生器和以下部件：室溫放熱器，回熱器，低溫吸熱器以及行波聲導管。這些部件形成一個行波的回路，而回路的長度正好為一個聲波長。Ceperley的行波熱聲制冷機的工作原理為：聲波發(fā)生器提供動力產生聲振蕩，在聲回路中產生近共振的行波聲場，吸熱器利用等溫熱聲效應，從低溫熱源吸收熱量，這個熱量，由回熱器消耗聲功從低溫端泵向高溫端（回熱器的流道橫向尺度小于流體的熱滲透深度，聲場中行波分量起決定作用，熱流由低溫端流向高溫端）；放熱器將由回熱器來的熱流釋放給環(huán)境。

日本學者富永昭以熱力學方法分析熱聲現象，目的就是要得到回熱器中各種不可逆因素對泵熱量的影響，然后克服之以提高回熱器的效率。他的研究表明：回熱器中的主要損失并非是有溫差情況下的傳熱損失，而是頻率或填料結構不合理，通過頻率匹配可以提高回熱器的效率。在對小波幅下的熱聲效應有了較全面的了解后，眾多研究人員逐漸轉向了對大波幅下熱聲效應的研究。美國海軍研究生院的Atchley和Hofler等研究人員于1990年對實驗與理論的吻合情況進行了研究。實驗表明：在小波幅情況下，實驗數據與理論結果吻合很好；隨著波幅增大，實驗數據與理論結果之間逐漸出現偏差。實驗還發(fā)現：在速度節(jié)點處實驗與理論的偏差很小，并且與波幅無關。與此同時，LosAlamos國家實驗室的Swift也對大波幅下的熱聲現象進行了研究，并對大波幅小實驗與理論偏差的可能因素進行了分析研究，提出了一些合理的解釋。日本的AkiraKawamoto等在實驗中對板疊上的溫度分布進行了研究。他們發(fā)現實驗測量值與Swift的線性理論值有較大的出入。然后他們對線性模型進行了改進，將渦流與聲流效應加以考慮。改進后的結果與實驗值的吻合程度大大提高了。另一方面，Akhavan,Kamm和Shapiro以及Merkli和Thomann對波動流中流態(tài)從層流向紊流的轉化進行了研究。這對研究熱聲效應中的流動以及與之相關的問題提供了很大的幫助。第65頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月在諧振管上端有一熱聲堆，諧振管內的縱向駐波引起了氣體粒子平行于熱聲堆片壁來回振蕩（如圖）。當聲壓增加時，氣團向上（諧振腔封閉端）振動并且被壓縮，溫度增加，此時氣團溫度就比其附近熱聲堆的溫度高，就要把熱量輸給熱聲堆。當駐波繼續(xù)完成一周時，氣團向下振動，聲壓降低，并且膨脹，溫度降低，但熱聲堆溫度降低較少，氣團附近堆溫度高于氣團溫度，要向氣團輸熱。所以氣團每次振動都是從下吸取熱量向上輸送熱量。熱聲堆中有無數這樣的氣團，運動情況相同，它們就像是接力賽一樣，從下端吸熱輸送到上端。在共振的條件下，氣團快捷、有效的如此循環(huán)運動，產生非常明顯的宏觀效果，從而完成聲熱泵作用。這就是熱聲效應的基本原理。第66頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第67頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月研究現狀國內對熱聲理論的研究剛剛起步，中科院低溫中心的肖家華運用簡單的物理模型，從實際氣體和固體方程的基本方程出發(fā)，包括流體的連續(xù)性方程、動量方程、流體和固體的能量方程，狀態(tài)方程及普遍適用的熱力學關系式，經過合理的簡化，推導出使用與單純流體二維流道、平均化的多孔介質一維流道的一般聲場的熱聲學理論，建立了熱聲學的縱向波動方程和能量--溫度方程，并建立了回熱式制冷機的熱聲模型，較好地處理了回熱式熱機的內在不可逆性和了解了各種因素的影響。華中理工大學的鄧曉輝和郭方中運用理論和系統(tǒng)熱力學的方法對回熱器的研究作了進一步的工作。首次從實驗中證實了Ceperley聲功率放大器提法的正確性。通過細致的熱力學分析，指出了熱聲轉換的本質過程，并在郭方中的網絡理論指導下建立了工程實用的回熱器有源熱聲網絡。上海同濟大學的韓鴻興和壽衛(wèi)東等人進行了熱聲制冷機的實驗研究，并在未穩(wěn)定的情況下獲得了10°C的溫差。浙江大學制冷與低溫研究所的白火亙、陳國邦等對熱聲壓縮機進行了實驗研究。在以氮氣和氦氣為工質時獲得的最大壓比分別為1.12和1.068。他們還將熱聲壓縮機用于驅動脈管制冷機并獲得了15℃的溫降，最近則獲得了100°C左右的溫降。第68頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第69頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月土壤源熱泵集中在地埋管換熱器換熱模型與模擬換熱強化第70頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月U型地埋管第71頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月垂直埋管換熱器根據埋管深度分為淺層<30m、中層(30—100m)、深層(>100m)三類:根據埋管形式不同，分為套管式、U型管式等幾種形式。套管式換熱器的外管直徑一般為（100—200mm），內管管徑為（15—25mm）。由于增大了埋管外壁與土壤的換熱面積，因此其單位埋管管長的換熱量高，換熱效率優(yōu)于U型埋管。其缺點是套管直徑及鉆孔直徑較大，下管比較困難，初投資比U型埋管高。在套管端部與內管進、出水連接處不好處理，易泄漏，因此適用于深度少于30m的垂直埋管。目前應用較多的是U型埋管換熱器。U型埋管換熱器是在鉆孔的管井內安裝U型管，一般鉆井孔直徑為（100—150mm），井深（10—200m）,U型管徑一般在50mm以下，這是因為管內流量不宜過大。其施工簡單，換熱性能較好，承壓高，管路接頭少，不易泄漏。此外有些工程把U型埋管捆扎在樁基的鋼筋網架上，然后澆灌混凝土，不占用地面，這種埋管方式稱為樁基式埋管。第72頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月水平地埋管水平埋管在整個土壤源熱泵應用中，占有一定份額。相對而言，受外界氣候的影響較大，換熱能力較低，施工所占用的場地較大，適合場地比較充分且無堅硬巖石易于挖掘的點。應用范圍有限;當埋管深度較淺(2m以內)，熱泵運行后，地溫可在下一個運行季節(jié)到來時通過與地面的傳熱而恢復，但若埋深較深時，地溫只能部分恢復。第73頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月地埋管計算。將典型氣象年數據應用在確定最熱月、最冷月和地表面年平均溫度上。引入平衡溫度的概念,計算建筑物逐時負荷。進而提出由建筑物逐時負荷和水源熱泵機組性能擬合曲線,計算地源熱泵系統(tǒng)制冷運行系數和制熱運行系數的方法。給出熱泵機組最高進液溫度、最低進液溫度、鉆孔熱阻和土壤熱阻等地埋管長度計算關鍵參數的選取、計算方法。最后提出垂直U形地埋管換熱器長度計算步驟。第74頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月埋管形式耦合地埋管地源熱泵空調系統(tǒng)由土壤換熱器、熱泵主機和空調末端三部分組成，其中系統(tǒng)的關鍵是耦合土壤換熱器