摘 要
空调制冷技术研究状况和发展趋势
摘 要
概括了制冷技术核心研究对象制冷剂的研究进展和各种制冷剂的优缺点,介
绍了制冷原理和国内制冷技术的研究状况,指出了当前主要使用和研究的制冷方法的发展前景,分析了决定制冷技术发展的因素和当前空调制冷技术的发展趋势。
关键词:空调制冷技术 研究进展 研究状况 发展趋势
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摘 要 .............................................. I 1 制冷剂的研究进展 .................................. 1 2 制冷原理的研究状况 ................................ 3 3 国内制冷技术的研究状况 ............................ 5 4 空调制冷技术的发展趋势 ............................ 6 参考文献 ............................................ 7
1 制冷剂的研究进展 1 制冷剂的研究进展
总的看来,可以把制冷剂的发展历程划分为两个阶段,第一阶段是从自然物质
到人工合成的物质;第二阶段将再回归到自然物质。早期的制冷剂是自然界中容易获得或制取的物质,如乙醚、氨、ＣＯ2等。但是这些早期的制冷剂最后都因为制冷设备庞大、效率较低,被后来出现热力性能较好的氟利昂制冷剂所取代。
1929年美国通用公司合成出Ｒ12,以后很快出现了Ｒ11、Ｒ22等称为氟利昂的系列卤代烃化合物,因其优良的热力学特性,无毒、不燃烧、极其稳定等性质,很快成为制冷剂的主角,被大量生产和使用,如家用冰箱、汽车空调、小型冷库都用Ｒ12,至20世纪70年代,包括制冷剂、发泡剂在内的各种卤代烃的年产量达到数百万吨,并有继续增加的趋势。
但是,氟利昂是一种化学性质非常稳定的人工合成物质,当它们挥发到大气中后很长时间不会被自然界分解,而一直扩散到平流层,在大气层11ｋｍ～45ｋｍ处的同温层与臭氧层相遇,由于在平流层受到强烈太阳紫外线照射,含氯的氟利昂分子(称为氯氟碳化合物,英文缩写为ＣＦＣ)便分解游离氯原子,而氯原子可以催化分解臭氧分子,在反应中氯原子被不断的放出,所以分解反应不断进行,氯原子使臭氧层受到破坏、减薄直至消失。由于氟利昂被大量使用,有报道称:近年来南极上空的臭氧空洞不断扩大;而且据报道在我国青藏高原上空也出现了臭氧空洞,因此对氟利昂制冷剂的替代势在必行[1]。
Ｒ22自1936年问世以来就以其优越的综合性能席卷了整个制冷界,并且在设计、制造、运行、维修等方面积累了丰富的成功经验。然而由于Ｒ22对臭氧层的耗损作用和较高的温室效应值,1992年的哥本哈根国际会议将其列入了逐步禁用范围,我国应在1999年7月1日将ＣＦＣ类物质的消耗量冻结在1995～1997年的平均水平上,至2005年削减50%,2010年全部淘汰。
严格地说,目前还没有任何一种单工质的性能优于Ｒ22的制冷剂。目前Ｒ22的替代工质主要有ＨＦＣＳ类工质和天然工质。对于ＨＦＣＳ类工质的研究已比较成熟,ＨＦＣＳ类工质组成的非共沸混合物理论上可利用各组分沸点不同实现劳伦兹循环,提高制冷循环效率,但ＨＦＣＳ类工质仍然存在一定的ＧＷＰ值(全球变暖潜能值),与Ｒ22使用的矿物油不相溶,需要使用与之相溶的合成油,并且与干燥剂、密封材料及其他材料的相溶性也需要进一步研究,所以越来越多的人将目光投向了天然工质。天然制冷剂的最大优点在于其ＧＷＰ值及ＯＤＰ(臭氧潜能值)值约为0,不会对环境造成危害,并具有优良热力性能及经济性,目前研究
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1 制冷剂的研究进展
比较成熟的此类制冷剂包括了Ｒ407ｃ、Ｒ32/134ａ、Ｒ410ａ、Ｒ134ａ以及碳氢化合物Ｒ1270等。
ＨＦＣ替代物虽然解决了臭氧层的消耗问题,但其较高的ＧＷＰ值仍然是困扰人们的一个不可忽视的问题。如果从环境的可接受性考虑,天然制冷剂无疑是解决问题最彻底而又最完满的途径。以挪威的劳伦曾(Ｇ.Ｌｏｒｅｎｔｚｅｎ)教授为代表的提倡天然制冷剂的流派投向了“取之于自然,还之与自然”的天然制冷剂。
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2 制冷原理的研究状况 2 制冷原理的研究状况
除了在制冷剂方面的进展,在新的制冷理论及实践方面也有许多进展,如热声制冷技术(又称为半导冷技术)的研究和运用。
热声制冷是21世纪以来发展的一种新的制冷技术。与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比,热声热机具有无可比拟的优势:无需使用污染环境的制冷剂,而是使用惰性气体或其混合物作为工质,因此不会导致使用的ＣＦＣＳ或ＨＦＣＳ臭氧层的破坏和温室效应而危害环境;其基本机构简单,因无任何运动部件使得其无噪声、无摩损、可靠性更好,好寿命大大延长,同时其启动快、控制灵活,只要接通电源,即可迅速制冷,电流反向即可制热,无需贵重材料,成本上具有很大的优势;热声制冷技术几乎克服了传统制冷系统的缺点,可成为下一代制冷新技术的发展方向。但由于这种制冷方法的效率较低,使得其发展速度较慢,提高热电制冷器的效率一直是其主要的发展方向。
所有的热声产品的工作原理都基于所谓的热声效应,热声效应机理可以简单的描述为在声波稠密时加入热量,在声波稀疏时排出热量,则声波得到加强;反之声波稠密时排出热量,在声波稀疏时吸入热量,则声波得到削弱。
当然,实际的热声理论远比这复杂的多。目前的研究工作主要是进行电压、电流和换热的优化,但由于热电制冷器的效率与其工作方式、控制方式、附加传热温差、焊缝电阻、杂散热交换以及元器件性能下降有关,有必要对其变工况特性、工作和控制方式、影响电堆性能的工艺因素及产生原因进行研究,从而使其更好地应用于电子冷冻加工领域[2]。当然,热声制冷的设计水平及制造工艺也在不断的提高。目前,美国在热声领域内的投入最大,研究机构最多,取得了许多突破性的进展。
热声技术的应用是相当广泛的,热声能量转换技术将会给包括制冷工业在内的整个能源工业带来很大的影响,它的简单、环保、节能高效的特性符合当今时代的需要,当然就目前的现状而言,由于设计水平远没有达到最优化的程度,材料的选择及制造技术都还在完善之中,热电空调的成本与制冷量接近线性增长的关系,千瓦级的热电空调成本可能达到蒸汽压缩式制冷成本的3倍以上,因此暂时难以作为建筑空调推广;百瓦级的小型热电空调器的成本与蒸汽压缩式制冷成本相差不多,因而适合在驾驶室、手术室、密闭空间等特殊场合应用;而十瓦级的微型空调装置的成本则远低于蒸汽压缩式制冷装置,在电子设备冷却、小型密闭空间降温、局部微环境温度控制方面,具有蒸汽压缩式无法替代的优势。另外,普通的制冷系统经过上百年的发展和改进,热声制冷的单件成本会高于普通传统制冷装
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2 制冷原理的研究状况
置,但随着材料的选择和制造工业艺的日趋成熟,可以肯定热声制冷机会具有极大的成本优势[3]。
磁制冷技术是自1881年发现磁热效应以来,发展起来的一种高效、可靠、绿色制冷技术,己引起国内外的广泛重视。近百年来的磁制冷历史使其在低温领域的研究和应用已比较成熟,但是直到最近20年才将磁制冷的温度范围提高到室温附近。目前,室温磁制冷研究主要集中在磁热力学系统理论分析、磁制冷材料的制备以及磁制冷样机的研究3个方向,且取得了可喜成就[4]。
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3 国内制冷技术的研究状况 3 国内制冷技术的研究状况
我国空调制冷行业走的是与我国家电企业相同的从技术引进到仿制的过程,虽然在生产规模上我国空调企业已经比较大,但是在核心技术方面至今没有摆脱“照猫画虎”或“拿来主义”的圈子。从发达国家引进技术,我们得到的往往都是一些“过时”的技术。目前相当普遍的现象就是,许多国内空调企业所生产的空调产品,虽然在生产规模上逐年扩大,但没有走出劳动密集型的模式,在综合实力上处在国际分工的低端。这样的企业对新出现的制冷技术只能“望洋兴叹”了。
实际上,目前国内一些大学一直在进行相关研究,如华中科技大学开展的热声制冷技术研究已有十多年的历史,是国内在热声研究方面第一个获得国家自然科学基金资助的单位,目前为国内热声制冷研究中心。天津大学也在国家自然科学基金、教育部博士点基金和天津市自然科学基金的资助下,开展ＣＯ2跨临界循环的研究,此外,各种耐高温压的高效换热器也在研发之列。总的来说,我们虽起步较晚,但发展也比较快,目前主要是一个如何尽快实现产业化的问题。
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4 空调制冷技术的发展趋势 4 空调制冷技术的发展趋势
总的来说,节能、环保、健康、智能化是空调制冷技术的发展趋势。近期来主要是针对九大热点技术开展研究,即自动清洁技术、直流变频技术、节能技术、静音技术、加湿技术、彩板技术、新冷媒技术、铝替铜技术、远程网络控制技术。
许多国家已开始对家电产品严格控制能耗指标,我国对空调节能技术亦十分重视,我国空调行业在高效压缩机、高效换热器等方面掌握着世界前沿的技术。目前领先世界的ＰＡＭ节能技术,已被海尔集团用在“金元帅”系列空调中。现行的空调能效门槛已跟不上国家“节能减排”的迫切步伐,计划今年,将空调的能效门槛由现行的5级(能效比2.6)提高到2级(能效比3.2),能效比较高的直流变速将成为空调变频技术发展主方向。
环保技术也被广泛应用。1998年,海尔空调根据市场需求和环境保护的需求,首家研制成功Ｒ22替代空调器,采用臭氧层破坏度ＯＤＰ值为0的“ＨＦＣ系列”制冷剂Ｒ407ｃ及Ｒ410ａ,经过重新对空调器的制冷系统进行合理设计和配置,在实现绿色环保的同时实现了高效节能。
人们越来越重视健康,空调理所当然担负了营造健康舒适环境的任务。目前空调健康技术共有9种:离子集尘技术、负离子发生技术、双向保湿换新风技术、健康除湿技术、多元光触媒技术、环绕立体自然风技术、三重防御技术、抗菌技术和静音技术。
追求最大舒适度的享受型空调将成为“卖点”。从美国供暖制冷空调工程学会和堪萨斯州大学有关资料中发现,最佳舒适度应是由温度、相对湿度和风速等几方面获得,而其中起决定作用的因素即为风速(量)。人们在大海边、草原、森林的感觉舒适,最主要的因素是风速(量)不同所致。海尔集团最新开发成功的环绕风空调,具有智能化的风量调节器,解决了现有空调出风方向固定不变、冷热不均、舒适性差等缺点。它的环绕摆叶和立体送风风轮可进行上下左右自动调节,对空气进行三维立体交叉扫描式送风,上下导风板自由组合,立体交叉,可以最大形成48种送风模式,达到人在中间坐,风从周围绕的舒适效果。
网络技术的普及使远程网络空调的实现成为可能。通过远程监测控制器和计算机、空调构成网络控制系统,完成对空调工作信息和控制信息的远程操作,从而实现远程网络控制。被房地产业看好的海尔智能网络ＭＲＶ空调,就是一个突出例子。ＭＲＶ的一台室外机可拖动多至286台室内机,各室内机可单独控制,也可集中控制,并根据需要任意匹配。ＭＲＶ智能变频空调拥有网络化功能后,在炎热的夏天,人们在下班之前便可遥控家里的空调,一进门就享受到适体凉意。
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参考文献
参考文献
[1]赵婷婷.当前空调制冷技术发展动态和研究状况[Ｊ].数字家电,2006(6/7):15-17.
[2]罗清海,汤广发,李涛.半导冷空调的应用与发展前景[Ｊ].制冷与空调,2005(6):5-9.
[3]姬鹏先,时 阳,罗晓玉.热电制冷器特性分析[Ｊ].制冷与空调,2005(1):82-85.
[4]张 艳,高 强,俞炳丰.室温磁制冷研究新动态及应用[Ｊ].制冷与空调,2005(4):1-8.
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