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低温制冷破技术瓶颈 开创“双高”新时代
    当前低温制冷技术广泛应用于食品及生物材料低温冷冻储存、气体低温液化分离(如空分行业、航天应用)、低温气体能源、超导应用、红外探测器件冷却、半导体工业、低温生物医疗等领域,该技术当前的研究方向主要是“双高”:即高效率和高稳定性。而低温工程学是指研究物质在低温下的客观规律以及如何获知和应用低温的一门学科,其中包括低温计量、低温物性、低温材料、低温物理四个方面。

    低温制冷的基本方法是指低温的获取,而低温的获取有两种方式:流体制冷和固体制冷。低温制冷机的基本原理是由稳定流动回热制冷循环即节流、膨胀+回热的循环构成。目前国内研究较多的低温制冷技术主要包括三种:深冷混合工质节流制冷技术、热声制冷技术、高频脉冲管制冷技术。

    一、混合工质节流制冷技术成就高效制冷 提高制冷机系统可靠性及效率

    据制冷快报记者从制冷学会年会技术讲座上了解到,中国科学院公教授表示,当前这种混合工质制冷技术的应用可以获得极为缺乏的热物性,传热的数据及其规律,对于制冷机的精确设计具有直接的帮助,也加深了行业对制冷机理的认识,,对于提高系统可靠及效率意义重大,而由此技术所获得的基础数据也丰富了对于相关学科的内容,公教授表示:不同循环的最优混合工质配比不同,在各自优化的情况下,一次节流循环具有最高的热力学效率。而实际应用系统中的循环流程则需要考虑更多的因素。

    实际打造一种高效制冷技术流程结构还需要考虑众多因素,使用混合工质节流制冷技术针对不同需求已经发展了相应的高效可靠的制冷流程,公教授在报告上表示:在综合考虑效率和可靠性的基础上提出的一种带分凝分离结构的回热制冷流程结构,可以完美的实现系统高效和高可靠的结合。据制冷快报记者了解,目前混合工质核心制冷技术主要结合普冷和低温技术的各自特点,以普冷制冷系统的硬件,高效、可靠和低成本的实现深冷温区制冷,另一方面这样的技术也易于规模推广。

据公教授介绍,当前混合工质节流制冷技术可应用于混合工质低温冰箱,采用此技术实际上是高效回热式混合工质节流制冷和完全环保工质技术,从而实现从—86至—186摄氏度全温区覆盖。在顺应节能低碳环保的时代主流下,该项技术目前已成功实现产业化,并获得了良好的社会和经济效益;显著提升了我国低温冰箱行业的发展水平。

    二、热声制冷技术创无机械运动部件热驱动热声制冷机

    纵观热声制冷机的发展历程,2004年采用聚能谐振管行波热声发动机驱动的一种新型的低温热声制冷机面世,其在平均压力为2.1MPa,工作频率为91Hz时可达到75K,首次突破液氮温度;2005年中科院理化所提出的“声学压力波放大器”,实验获得证实;2005年研发的双行波热声制冷流程及效率最高、冷量最大的室温热声制冷机,实现了以氦气为工质在平均压力为3MPa,工作频率为67.5Hz、2.2KW的输入功率情况下,在—22摄氏度时有250W的制冷量,其实现的双行波流程结构为世界首台;2006年研究出的“二介质耦合声学放大器”实现了不仅可降低工作频率,且可同时提高压比,用于聚能型发动机驱动的二次二级脉冲管制冷机,获得18.3K的最低温度,首次突破液氢温度,率先在国际上取得了中等频率热声制冷的突破,目前已达到63K;2008年—2009年,新结构行波热声制冷可实现最低温度—80摄氏度,在340W@—20摄氏度的制冷量,加热量降低到2.2KW以下,效率有30%以上的提高。

    热声效应包括热致声效应和声制冷效应。利用热致声效应可制作热声发动机(即热声压缩机),利用声制冷效应可制造热声制冷机,将二者结合可形成完全没有机械运动部件的热驱动热声制冷机。据介绍,当前热声压缩机主要有两种形式:一是驻波型,此波型压力波和速度波相位接近90度,主要为驻波场,热声转换,需要固有的不可逆换热;一是行波型,此波型压力波和速度波接近0度,主要为行波声场,热力转换,追求可逆热力过程。而热声制冷机的主要形式有三种:驻波热声制冷机、脉冲管制冷机、热声斯特林热声制冷机。

    对于热声制冷技术,存在以下五个方面的特点:第一,高度的可靠性,没有机械运动部件;第二,高度的环保性,因其技术运用中采用的是He、N2等惰性气体;第三,高度的适应性,其运行中使用的热能驱动可以是余热、太阳能等;第四,宽广的制冷温区,该技术可实现室温低至低温4K,;第五,潜在的高效率,行波热声循环的本征效率与卡诺循环相同。目前在低温制冷方面使用的机械式低温制冷技术可靠性低,在室温制冷方面使用的氟利昂制冷技术因环保问题需要替代,相比较之下,热声制冷技术的优势已逐渐显现出来,其应用发展空间不言而喻。

    三、高频脉冲管制冷技术独具紧凑和高效的发展潜力

    高频脉冲管制冷在低温下没有运动部件,可靠性得到大幅度的提高。高频脉冲管由高频直线压缩机驱动,具有紧凑和高效的发展潜力,近年来成为脉冲管制冷研究的重点和前沿方向,高频脉冲管制冷技术又分为单级高频脉冲管制冷和多级高频脉冲管制冷技术。

    当前单级高频脉冲管制冷技术相关研究单位已经提出弱非线性理论模型,并开发出性能设计和优化软件,研制出当前国际效率最高的低温脉冲管热声制冷系统,20W@@77K整机效率22.2%,而多级高频脉冲管制冷技术的研究相关单位提出采用SAGE软件设计和优化由两台直线压缩机驱动的三级高频脉冲管制冷系统,实验中成功获得5K以下的无负荷温度,这是目前三级高频脉冲管制冷获得的最低温度。


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