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1、新型制冷技术研究进展宁夏农林科技,NingxiajoumalofA.andFores.Sci.&Tech.2011,52(06):677067新型制冷技术研究进展陈军,田芳,蒙德慈,贾旭,高昂,王明,李娜,李莉莎,倪士峰1.西北大学物理学系,陕西西安710069;2.西部资源生物与现代生物技术教育部重点实验室,西北大学生命科学学院,陕西西安710069摘要:在广泛文献检索基础上,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;农业;高效;环保;节能中图分类号:TB66文献标识码:A文章编号:1002204X(2011)06006704
2、OverviewofResearchonNewRefrigerationTechnologyCHENJimetal(DepartmentofPhysics,NohwestUniversity,Xian,Shaanxi710069)AbstractBasedonextensiveliteraturesearch,thecoolingprinciple,characteristicsanddevelopmentstatusofseveralmajornewrefrigerationtechnologieshavebeensummarized.Atlast,anoutlookofitsapplica
3、tionprospecthasbeenputforward.KeywordsNewrefrigerationtechnologies;Agriculture;Highefficiency;Environmentalprotecting;Energysaving制冷技术在促进国民经济建设以及推动科学技术发展中具有极其重要的作用,在农业方面,如在水果,蔬菜产区,储存水果,蔬菜即需要大量的冷库.寻找和开发更优越的低温制冷技术一直是农产品储藏领域的研究热点,截至目前,传统制冷技术已臻成熟,各种新型制冷手段(半导体制冷,磁制冷,激光制冷等)以其独特的优越性能得到了广泛关注.笔者总结了典型的新型制冷技术的
4、原理,特点,发展现状及其应用前景,以期为工农业生产提供科学资料.1发展新型制冷技术的必要性随着科技的进步和人们生活水平的不断提高,与国计民生息息相关的制冷空调行业也面临着新的机遇和挑战,传统的制冷方式也逐渐暴露出其缺点和不足,尤其是限制破坏臭氧层物质和温室效应气体相关协定的出台,对蒸汽压缩式制冷方式提出了严峻的考验,或者以环保替代制冷剂继续沿用技术成熟的液体汽化制冷方式,或者走一条崭新的途径,即发展新型的制冷方法.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半导体制冷2.1.1基本原理半导体制冷又称为热电制冷或温差电制冷,其理论
5、主要依据是贝塞尔效应和珀尔贴效应.其热电对由半导体材料制造,热电对有2条电偶臂,分别用P型和N型半导体制造.电偶臂的两端均有金属片,称为汇流条.当有电流流经热电对时,在其两端处会产生帕尔贴效应,一面形成冷端,另一面形成热端,冷端从外界吸热,热端对外放热.把这样的热电偶串联到电路中,借助于其他传热器件,使热电制冷组件的热端不断放热,把其冷端放到需要的工作环境中即可降温酬.2.1.2制冷特点半导体制冷无机械运动,无磨损,无噪音,运行可靠,制冷迅速,可做成重量轻,体积小的微型,亚微型,小型半导体制冷器.它不使用制冷剂,绿色环保,可在失重或超重等极端环境下运行,而且便于通过工作电流来实现高精度的温度控
6、制,再加上温度检测和控制方法,容易实现遥控,程控,便于自动化;其缺点是制冷效率较低_lJ.2.1.3研究现状当前,其研究集中在对半导体材料的研发,模块设计制造和系统优化设计等方面.影响其制冷效率的主要因素是材料的电导率和热导率.2.1.4应用前景其在工业,医疗,军事,航空,日用品等多方面有着广阔应用前景:工业.热电制冷零点基准仪的应用就是对传统以冰块作为零度基准点的重大创新;医疗.可用于对高烧病人的降温,在外科手术中实施冷冻麻醉等;军事.应用于导弹,雷达装置中红外探测器的冷却等;航空.太空望远镜的热设计中就利用了半导体制冷,其正被研究应用于控制红外探测器的工作温度,提高光纤陀螺惯导系统温度稳定
7、性,迅速达到稳定工作状态方面;13用品.日常生活中,半导体制冷可用于冰箱,空调,电脑CPU散热;对温度反应灵敏,使用条件严格的电子元器件,用半导体制冷很适合.在高精尖科技领域内,常对各种电子元器件的温度性能要求很高,为了定标测量标准电子元器件的温度性能,国产超级恒温槽采用半导体制冷,温度控制精度可在0.005左右.此外具有我国自主知识产权的高效半导体热电元件其优值系数已在原来的基础上成倍增长,可超过1.3X10K,现在高效的半导体制冷器在温差5O时,制冷系数大于3,制冷效率高于常规压缩机.2_2磁制冷2.2.1基本原理磁制冷(又称磁卡效应,MagnetoCaloricEffect)即利用磁热效
8、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(磁有序一无序转变的温度)附近最为显基金项目:西部资源生物与现代生物技术实验室教育部重点实验室基金(KH09030);西藏自治区科技厅重大科技专项基,(20091012);陕西省教育厅科学研究项目计划(201K862)资助.作者简介:陈军(1989一),男,湖北洪湖人,本科在读,研究方向:物理学.通讯作者,i,jz究员,博士,从事中药化学,中药资源学,中药现代化与中医学研究,Email:nstone126.c0m收稿日期:2011032668陈军,等新型制冷技术研究进展52卷06期着,
9、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%一60%).其应用范围广,从K,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
10、昂贵的超导磁体)是室温磁制冷关键.面临的主要困难:每次磁制冷循环所产生的温差还不够大,只有13K,磁性材料磁熵太小;热交换速度不够快,使制冷周期延长,整个循环效率下降;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:磁场分析,完善磁体结构;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;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_1ol.2.2.4应用前景磁制冷技术可广泛应用于木本植物,高体革蜊精子,怀山药种质资源的包埋玻璃化,茅苍术种质资源等的超低
11、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
12、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Cu,Cf)2+,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%I.2.3.3研究现状研究主要集中在: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;优化光路设计,提高激光利用率;提高介质纯度
13、,减少杂质引起的制冷消耗;改进系统设计,提高系统绝热系数,优化系统整体结构1.2.3.4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1.2.4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
14、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161.2.4.2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
15、制了化学吸附供热/制冷机组,其容量为制热60kW?h,制冷4Okw?h;上海交通大学研制出了以氯化钙/活性炭一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【181.2.5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
16、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I2Ol.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2l】.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1l;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
17、的均压及改进谐振腔形状等)22-1.2.6太阳能制冷2.6.1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Iza-.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田捌;冷管制冷是52卷06期陈军,等新型制冷技术研究进展69一种间歇式制冷,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咖;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
18、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吲.2.6.2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341.2-7其他新型制冷技术当前,辐射制冷,噪声制冷,铁电致冷和余热制冷等技术也发展很快1351.2_7.1辐射制冷陆地地面将自身热量以电磁波形式辐射到外太空,达到自身冷却的目的.辐射制冷技术在太阳能的热技术
19、利用中已引起了广泛注意.实现辐射制冷的方法主要有2种:透明盖板和选择性辐射体的组合;具有选择透过特性的盖板与黑体辐射体的组合36-381.2_7.2噪声制冷利用微弱的声掀动来制冷的新技术,当前第一台样机在美国已试制成功.2-7.3铁电致冷利用逆热释电效应一电生热效应,即在绝热条件下对铁电材料施加外电场,其温度发生变化的现象.外加反向电场诱使极化后材料热熵熵值发生改变,由有序低能量状态进入无序混乱的高能量状态,从外界吸收能量使熵值增大,从而致冷.2.7.4余热制冷核心是化学压缩,直接利用一次能源能)驱动,几乎不需运动部件.当前,利用余热驱动制冰机制冰用作小型冷库已经应用于渔轮,在氯碱生产中的应用
20、也得到深入研究.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刘焕平,童一帆.一种冷库温度集中监测系统的研制1l安徽农业科学,2009,37(24):1172511726,11744.2李冰.半导体制冷技术及其发展U.山西科技,2009(4):95101.3KHATTABNM,ELSHENAWYET.Optimaloperationofthermoelectriccoolerdrivenbys
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31、:中国科学院上海冶金研究所,2006.钟吉湘.余热与太阳能驱动汽车空调系统】中南林业科技大学,2010,30(8):138142.责任编辑:胡先祥(上接第6O页)2.3.1分析线对舷的分析线,内标线为328.07/303.91,B为249.77/270.96,Sn为288.99/270.96.2.3.2线.陛范围Ag的测定范围为0.043.20,B为2.7200g,Sn为2.3100g.2.3.3回归方程的相关系数3种元素的相关系数均接近1.2.4检出限该分析方法平行测定空矿基物12份,计算出平均值和标准偏差,得出元素检出限:Ag0.02g幢,B0.92Wg,SnO.84g.表2分析元素的准确
32、度与精密度2.5准确度和精密度称取国家一级标准物质GSS一1css.4各12份,按分析方法测定,计算出分析元素的平均值,相对标准偏差和相对误差.由表2得出,Ag的标准值为1.14125g/g,平均值0.1415g,g,RSD3.683%,AlgC0.004%;B标准值为51.5g,平均值51.3675gig,RSD3.401%,lgC一0.00025%;Sn标准值为4.325,平均值4.36g,RSD3.35825%,AIgc0.0025%.2.6干扰元素的影响土壤试样由多种基体元素组合而成,当si含量>5%时,就会出现SiO:分子谱带,当ca含量>10%时,谱线背景普遍增强,在分
33、析元素测定时应采用扣除分析线对背景的方法消除干扰元素的影响.3结论该试验结果表明,发射光谱法测定三江源地区土壤样品中银,硼,锡元素有较好的准确度和精密度,达到了规范要求,适用于土壤样品的检测.参考文献:f1】陈琼,吴万贞,周强,等.基于GIS的三江源地区土壤侵蚀综合分析明.安徽农业科学,2010,38(27):14989-14991,15039.【2李惠梅.三江源地区天然牧草气候生产力评估田.安徽农业科学,2010,38(12):6414-6416,6460.【3岩石矿物分析编写组.岩石矿物分析(第二分册)M】.北京:地质出版社.1991:142153.【4】中华人民共和国国土资源部.地质矿产实验室测试质量管理规范Dz/T01302oo6【s】.北京:中国标准出版社,2006:52-63.责任编辑:胡先祥