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制冷原理与设备 第4章 其它制冷方法,制冷的基本概念及分类 所谓制冷，就是使某一系统的温度低于周围环境介质的温度并维持这个低温。此处所说的系统可以是空间或者物体；而此处所说的环境介质可以是自然界的空气或者水。 为了使这一系统达到并维持所需要的低温，就得不断地从它们中间取出热量并将热量转移到环境介质中去。这个不断地从被冷却系统取出热量并转移热量的过程，就是制冷过程。 根据热力学第二定律，热量只能自发地从高温物体传向低温物体，而不能自发地从低温物体传向高温物体。人工制冷过程，就是在外界的补偿下将低温物体的热量向高温物体传送的过程。,太阳能制冷系统分类,三、制冷技术分类,按照制冷温度大小，分为三类： 普通制冷：t120 深度制冷： 120 t253 超低温制冷：t253 空调用制冷技术属于普通制冷。,蒸汽压缩式制冷,制冷机理,在压缩式制冷循环中，压缩机将制冷剂蒸汽压缩，使它在较高的压力和温度下向环境放热，从而冷凝成液体。 液体蒸发时要从周围环境吸收热量。吸收和吸附式制冷就是利用液体这种特性制冷的。在吸收和吸附式制冷循环中，则是利用液体吸收剂或固体吸附剂对制冷蒸汽进行吸收或吸附，已经蒸发成气体的制冷剂必须回复到液体状态，从而实现制冷循环。再用驱动热源加热吸收或吸附工质对，所产生的制冷剂蒸汽在较高的压力和温度下向环境放热，从而冷凝成液体。 吸附剂-吸附质（在制冷中称为制冷剂）工质对的选择是吸附式制冷中最重要的因素之一，一个好的制冷系统不但要有好的循环方式，而且要有在工作范围内吸附性能强、吸附速度快、传热效果好的吸附剂和汽化潜热大、沸点满足要求的制冷剂。,第4章 其它制冷方法,4.1 吸收式制冷 吸收式制冷机是一种以热能为主要动力的制冷机 。 蒸汽压缩制冷循环：压缩机（消耗机械功） 吸收式制冷循环：吸收塔，解吸器，换热器，泵（消耗低品位热量）,气体制冷剂回复液体状态 利用吸收或吸附方式,制冷剂蒸发,吸收热量制冷,第4章 其它制冷方法,4.1.1 吸收式制冷工作原理 1吸收式制冷工作原理,图4-1 吸收式和蒸汽压缩式制冷机工作原理 a）吸收式制冷机 b）蒸汽压缩式制冷机 E 一蒸发器 C 一冷凝器 EV 一膨胀阀 CO 一压缩机 G 一发生器 A 一吸收器 P 一溶液泵,第4章 其它制冷方法,1.吸收式制冷,泵,吸收器,换热器,解吸器,蒸发器,节流阀,QL载冷体,水,低品位蒸汽TR QR,冷凝器,QH,水,第4章 其它制冷方法,1.吸收式制冷,第4章 其它制冷方法,热力系数是吸收式制冷机的效率,2）最大热力系数,cc,2吸收式制冷循环的热力系数和热力完善度,第4章 其它制冷方法,4.1.2 吸收式制冷机的工质对 4.1.2.1 吸收式制冷循环工质的选择要求 1.吸收式制冷循环对制冷剂的选择 要求与蒸汽压缩式制冷基本相同，应具有较大的单位容积制冷量，工作压力不应太高或太低，价廉，无毒，不爆炸和不腐蚀等性质 2.对吸收剂的选择应具有如下要求 1）吸收剂应具有强烈吸收制冷剂的能力 2）作为吸收剂和制冷剂的两种物质，它们的沸点希望相差越大越好。 3）吸收剂也希望具有较大的热导率，较小的密度和粘度，而且应具有较小的比热，以提高制冷循环的工作效率。 4）在化学性质方面与制冷剂一样，要求无毒不燃烧不爆炸，对制冷机的金属材料无腐蚀和具有较好的化学稳定性。 5）吸收式制冷循环工质对所组成的二元溶液，必须是非共沸溶液。,第4章 其它制冷方法,4.1.2.2 吸收式制冷循环工质对 1.以水作为制冷剂的工质对 2.以氨为制冷剂的工质对 3.乙醇作为制冷剂的工质对 4.以氟利昂为制冷剂的工质对 到目前为止，实际上使用的还只限于氨-水溶液与溴化锂-水溶液两种,第4章 其它制冷方法,4.1.2.3 常用吸收式制冷循环工质对性质 1.溴化锂-水溶液,第4章 其它制冷方法,溴化锂水溶液的性质,第4章 其它制冷方法,溴化锂水溶液的性质,第4章 其它制冷方法,溴化锂水溶液的性质,第4章 其它制冷方法,溴化锂水溶液的性质,第4章 其它制冷方法,溴化锂水溶液的性质,第4章 其它制冷方法,溴化锂水溶液的性质,第4章 其它制冷方法,吸收式制冷循环,由于它是利用工质对的质量分数变化，完成制冷剂的循环，因而被称为吸收式制冷,4.1.3 吸收式制冷循环,第4章 其它制冷方法,4.1.3.2 溴化锂吸收式制冷机的分类 1. 按用途分类 1）冷水机组 2）冷热水机组 3）热泵机组 2.按驱动热源分类 1）蒸汽型 2）直燃型 3）热水型 3按驱动热源的利用方式分类 1）单效 2）双效 3）多效,第4章 其它制冷方法,4按溶液循环流程分类 1）串联流程，它又分为两种， 一种是溶液先进入高压发生器，后进入低压发生器，最后流回吸收器； 另一种是溶液先进入低压发生器，后进入高压发生器，最后流回吸收器。 2）并联流程，溶液分别同时进入高、低压发生器，然后分别流回吸收器。 3）串并联流程，溶液分别同时进入高、低发生器，高压发生器流出的溶液先进入低压发生器，然后和低压发生器的溶液一起流回吸收器。 5按机组结构分类 1）单筒型，机组的主要换热器（发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器）布置在一个筒体内。 2）双筒型，机组的主要换热器布置在二个筒体内。 3）三筒或多筒型，机组的主要换热器布置在三个或多个筒体内。,第4章 其它制冷方法,4.1.33 溴化锂吸收式制冷机工作过程 1.单效溴化锂吸收式制冷机工作过程,单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的应用系统。,热源回路,冷却水回路,冷水回路,冷剂水回路,溶液回路,第4章 其它制冷方法,4.1.33 溴化锂吸收式制冷机工作过程 1.单效溴化锂吸收式制冷机工作过程,第4章 其它制冷方法,第4章 其它制冷方法,1）稀溶液的加压和预热过程 2）发生器中的蒸气发生过程 3）浓溶液的冷却与节流过程 4）吸收器中的吸收过程,（2）溴化锂吸收式制冷机理论循环在h-图上的表示,（3）溴化锂吸收式制冷循环过程 1）冷凝过程 2）节流过程 3）蒸发过程,第4章 其它制冷方法,1）蒸汽型,图4-4 双效溴化锂吸收式制冷机并联系统流程 1高压发生器泵 2高温换热器 3吸收器 4蒸发器 5高压发生器 6冷凝器 7低压发生器 8、12引射器 9冷剂水泵 10凝水换热器 11低温换热器 13溶液泵,2.双效溴化锂吸收式制冷机工作过程,第4章 其它制冷方法,2）直燃型,第4章 其它制冷方法,直燃型,第4章 其它制冷方法,第4章 其它制冷方法,机组特征,单效制冷机使用能源广泛，可以采用各种工业余热，废热，也可以采用地热、太阳能等作为驱动热源，在能源的综合利用和梯级利用方面有着显著的优势。而且具有负荷及热源自动跟踪功能，确保机组处于最佳运行状态。 单效制冷机的驱动热源为低品位热源，其COP在0.5-0.7. 如果业主具备高品位的热源，应选择远大直燃机或蒸汽双效制冷机，其COP在1.31以上。,第4章 其它制冷方法,第4章 其它制冷方法,第4章 其它制冷方法,4.1.3.4 溴化锂吸收式制冷机的特点 1）以水作制冷剂，溴化锂溶液作吸收剂，因此它对人体无危害，对大气臭氧层无破坏作用。 2）对热源要求不高. 3）整个装置基本上是换热器的组合体，除泵外，没有其他运动部件。 4）结构简单，制造方便。 5）整个装置处于真空状态下运行，无爆炸危险。 6）操作简单，维护保养方便，易于实现自动化运行。 7）能在10100范围内进行制冷量的自动、无级调节，而且在部分负荷时，机组的热力系数并不明显下降。 8）溴化锂溶液对金属，尤其是黑色金属有强烈的腐蚀性，因此对金属的密封性要求非常严格。 9）由于系统以热能作为补偿，加上溴化锂溶液的吸收过程是放热过程，故对外界的排热量大。 10 ) 一般只能制取5以上的冷水，多用于空气调节及一些生产工艺用冷冻水。 11) 溴化锂价格较贵，机组充灌量大，初投资较高。,第4章 其它制冷方法,直燃型溴化锂吸收式冷热水机组除具有上述特点外，还具有下列优势： 1）燃烧效率高，对大气环境污染小。 2) 一机多能。可供夏季空调、冬季采暖，必要时也可兼顾提供生活用热水。 3）体积小，用地少。 4）只存在一次传热温差，传热损失小。 5）可实现能源消耗的季节平衡。,第4章 其它制冷方法,4.2 蒸汽喷射式制冷 4.2.1 蒸汽喷射式制冷循环的特点 1）蒸汽喷射式制冷的设备结构简单，金属耗量少，造价低廉，运行可靠性高，使用寿命长，一般都不需备用设备。 2）制冷系统操作简便，维修量少。 3）蒸汽喷射式制冷循环耗电量少，如果使用于有较多工业余汽的场合，能节约能源。 4）蒸汽喷射式制冷以水作为制冷剂，并且根据需要可使制冷剂、载冷剂合为一体，或者采用开式循环形式。由于水具有汽化潜热大，无毒等优越性，所以系统安全可靠。 5）用水作为制冷剂制取低温时受到水的凝固点的限制，为了获得更低的蒸发温度，正在研制以用氨、氟利昂为制冷剂的蒸汽喷射式制冷机。另外将蒸汽喷射器与活塞式制冷压缩机、吸收式制冷机等串联，用以作为低压级，也能获得较低的蒸发温度。 6）蒸汽喷射器的加工精度要求较高，蒸汽喷射式制冷循环的工作蒸汽消耗量较大，制冷循环效率较低。这一切都限制了蒸汽喷射式制冷的实际应用。,第4章 其它制冷方法,4.2.2 蒸汽喷射式制冷循环基本组成和工作过程 4.2.2.1 蒸汽喷射式制冷循环主要热力设备 1锅炉 2蒸汽喷射器 3冷凝器 4凝结水泵 5蒸发器与节流器,第4章 其它制冷方法,4.2.2.2 蒸汽喷射式制冷循环工作过程,第4章 其它制冷方法,第4章 其它制冷方法,图4-6 蒸汽喷射式制冷系统 1喷射器（喷嘴 b扩压器 c吸入室） 2冷凝器 3蒸发器 4节流阀 5 、6泵,第4章 其它制冷方法,图4-7 蒸汽喷射式制冷机理论工作循环的温熵图,第4章 其它制冷方法,4.3 吸附式制冷 吸附制冷系统是以热能为动力的能量转换系统。 其道理是：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用。 吸附能力随吸附温度的不同而不同。 周期性地冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解析。解析时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体； 吸附时，制冷级液体蒸发，产生制冷作用.,图4-8 吸附式制冷系统原理 1吸附剂容器 2、5单向阀 3冷凝器 4贮液器,第4章 其它制冷方法,图4-9 沸石太阳能制冷系统原理图 a ）白天脱附 b ）夜间吸附 1沸石密封盒 2冷凝器 3贮水箱（蒸发器）,第4章 其它制冷方法,第4章 其它制冷方法,吸附式制冷系统的特点是： 具有不耗电、无任何运动部件、系统简单、没有噪声、无污染、不需维修、寿命长、安全可靠、投资回收期短、对大气臭氧层无破坏作用等一系列优点。 另外，还可利用吸附剂吸附吸附质时所放出的吸附热，提供家庭用热水和冬季采暖用热源。 缺点是循环属于间歇性的，热力状态不断地发生变化，难以实现自动化运行；对能量的贮存也较困难，特别是太阳能吸附式制冷系统，太阳能的波动会进一步影响到系统的循环特性。,第4章 其它制冷方法,4.4 热电制冷 热电制冷具有其显著特点： 不用制冷剂 无机械传动部分 冷却速度和制冷温可任意调节 可将冷热端互换 体积和功率都可做得很小 方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低温冰箱 可制成低温医疗器具 可对仪器进行冷却 可做成零点仪,第4章 其它制冷方法,4.4.1 热电效应 热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应，导热、焦耳热损失、西伯克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷 .,第4章 其它制冷方法,单级热电堆,第4章 其它制冷方法,图4-11 单级热电堆,将数十个乃至数百个热电电偶串联，将冷端排在一起，热端排在一起，组成热电堆，称单级热电堆，,借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电堆的冷端放到被冷却系统中去吸热降温，这就是单级热电堆式半导体制冷器热的工作原理。,4.4.2 热电制冷工作原理,第4章 其它制冷方法,图4-12 多级热电堆式半导体制冷器原理图 a) 串联二级热电堆 b) 并联二级热电堆 c) 串、并联三级热电堆,为了获得更低的温度或更大的温差可采用多级热电堆式半导体制冷。它是由单级热电联结而成。联结的方式有串联、并联及串并联。其中二级、三级热电堆式半导体制冷最为常见,第4章 其它制冷方法,4.5 空气膨胀制冷,历史上第一次实现的气体制冷机是以空气作为工质的，并且称为空气制冷机,压缩式空气制冷机的工作过程也是包括等熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及等压吸热四个过程,这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相近，其区别在于工质在循环过程中不发生集态改变,第4章 其它制冷方法,无回热定压循环气体制冷机的流程图,第4章 其它制冷方法,图4-13 无回热定压循环气体制冷机的流程图及温熵图 a) 系统流程图 b) 循环温熵图 1压缩机 2冷却器 3膨胀机 4冷箱,第4章 其它制冷方法,图4-14 定压回热气体制冷机的流程图及温熵图 a) 系统流程图 b) 循环温熵图 A透平压缩机 B冷却器 C透平膨胀机 D冷箱 E回热器,第4章 其它制冷方法,4.6 涡流管制冷 涡流管制冷器是一种结构简单的制冷装置，涡流冷却效应的实质是利用人工方法产生漩涡，使气流分为冷热两部分。利用分离出来的冷气流即可制冷 .,图 涡流管制冷装置 1喷嘴 2孔板 3涡流室 4控制阀,第4章 其它制冷方法,4.6 涡流管制冷,涡流管制冷装置,第4章 其它制冷方法,第4章 其它制冷方法,图4-16 带回热器的涡流管冰箱系统 1干燥器 2冷（冰）箱 3涡流管 4喷射器 5回热器,为了提高涡流管制冷效率，可在系统中增加回热器、干燥器、喷射器等设备,它不仅可降低进涡流管气体的温