制冷与热泵技术PPT课件

热科学和能源工程系中国科学技术大学 制冷与热泵 14 04 2020 2 第一章制冷原理 制冷方法 液体汽化制冷 蒸气压缩式 吸收式 蒸气喷射式 吸附式 气体膨胀制冷 热电制冷 涡流管制冷 其它 热声制冷 电磁制冷 电化学制冷 任何伴随有吸热的物理现象原则上都有可能用来制冷 相变制冷 固体升华制冷 固体融化制冷 14 04 2020 3 第一章制冷原理 液体汽化制冷 物质有三种集态 气态 液态 固态 物质集态的改变称之为相变 相变过程中 由于物质分子的重新排列和分子热运动速度的改变 会吸收或放出热量 这种热量称作相变潜热 物质发生从质密态到质稀态的相变是将吸收潜热 反之 当它发生从质稀态向质密态的相变时 则放出潜热 液体汽气化形成蒸汽 吸收热量 利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体汽化制冷 14 04 2020 4 第一章制冷原理 抽气 吸热Q 蒸发 温度下降 P1 P2 T1 T2 饱和蒸气压曲线 液体汽化制冷 14 04 2020 5 第一章制冷原理 液体汽化制冷 14 04 2020 6 第一章制冷原理 液体汽化制冷 14 04 2020 7 第一章制冷原理 液体汽化制冷 14 04 2020 8 第一章制冷原理 为了使上述过程得以连续进行 必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸汽 再不断地将其液体补充进去 通过一定的方法将蒸汽抽出 再令其凝结为液体后返回到容器中 就能满足这一要求 因此 液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程 低压下蒸发汽化 蒸气升压 高压气体液化 高压液体降压 其中将低压蒸汽提高压力需要能量补偿 液体汽化制冷 根据抽取蒸气的方式不同 主要有4种液体汽化制冷方式 14 04 2020 9 第一章制冷原理 液体汽化制冷 蒸气压缩式制冷 蒸汽压缩式制冷系统由压缩机 冷凝器 膨胀阀 毛细管 蒸发器组成 用管道将它们连接成一个密封系统 14 04 2020 10 第一章制冷原理 制冷剂液体在蒸发器内以与被冷却对象发生热交换 吸收被冷却对象的热量并气化 产生的低压蒸汽被压缩机吸入 经压缩后排出高温高压气态制冷剂进冷凝器 被常温的冷却水或空气冷却 凝结成高压液体 高压液体流经膨胀阀时节流 变成低压低温的气液两相混合物 进入蒸发器 其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷 然后蒸发器中的低压蒸汽再次被压缩机吸入 如此周而复始 不断循环 液体汽化制冷 蒸气压缩式制冷 14 04 2020 11 第一章制冷原理 吸收式制冷机利用溶液在一定条件下能析出低沸点组分的蒸气 在另一种条件下又能吸收低沸点组分这一特性完成制冷循环 吸收式制冷系统是由发生器 冷凝器 制冷节流阀 蒸发器 吸收器 溶液节流阀 溶液热交换器和溶液泵组成 液体汽化制冷 蒸气吸收式制冷 14 04 2020 12 第一章制冷原理 制冷剂回路由冷凝器 制冷剂节流阀 蒸发器组成 高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝 产生的高压制冷剂液体经节流后到蒸发器蒸发制冷 液体汽化制冷 蒸气吸收式制冷 整个系统包括两个回路 一个是制冷剂回路 一个是溶液回路 目前吸收式制冷机多用二组分溶液 习惯上称低沸点组分为制冷剂 高沸点组分为吸收剂 二者合称为工质对 最常用的工质对有氨水 氨为制冷剂 和溴化锂水溶液 水为制冷剂 14 04 2020 13 第一章制冷原理 溶液回路由发生器 吸收器 溶液节流阀 溶液热交换器和溶液泵组成 在吸收器中 吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂气体 形成富含制冷剂的稀溶液 并泵送到发生器 加热使溶液中的制冷剂重新蒸发出来 送入冷凝器 另一方面 产生的浓溶液经冷却 节流后进入吸收器 吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸汽 吸收过程中伴随释放吸收热 为了保证吸收的顺利进行 需要冷却吸收液 液体汽化制冷 蒸气吸收式制冷 14 04 2020 14 第一章制冷原理 与压缩式的共同点是 四个基本过程一样 它们的不同点是 1 提供的能量不同 压缩式消耗机械功 吸收式消耗热能 2 吸取制冷剂蒸气的方式不同 压缩式用压缩机吸取蒸气 吸收式用吸收剂在吸收器内吸取制冷剂蒸气 3 将低压制冷剂蒸气变为高压制冷剂蒸气时采取的方式不同 压缩式通过压缩机完成 吸收式则是通过吸收器 溶液泵 发生器和节流阀完成 液体汽化制冷 蒸气吸收式制冷 14 04 2020 15 第一章制冷原理 蒸气喷射式制冷系统组成部件包括 喷射器 冷凝器 蒸发器 节流阀 泵 喷射器又由喷嘴 吸入室 扩压器三个部分组成 喷射器的吸入室与蒸发器相连 扩压器于冷凝器相连 液体汽化制冷 蒸气喷射式制冷 14 04 2020 16 第一章制冷原理 工作过程如下 锅炉产生的高温高压工作蒸气进入喷嘴 膨胀并以高速流动 流速可达1000m s以上 在喷嘴出口处造成很低的压力 使蒸发器中的水汽化 吸收潜热 使未汽化的水温度降低 制冷 产生低温水 蒸发器中产生的水蒸气与工作蒸气在喷嘴出口处混合 一起进入扩压器 在扩压器中流速降低压力升高 到冷凝器 被冷却水冷却为液态水后分两路 一路经过节流阀降压后送回蒸发器 继续蒸发制冷 另一路用泵提高压力送回锅炉 重新加热产生工作蒸气 液体汽化制冷 蒸气喷射式制冷 14 04 2020 17 第一章制冷原理 也有四个基本过程 其喷射器相当于蒸气压缩式的压缩机 特点 以热能为补偿能量形式 结构简单 加工方便 没有运动部件 使用寿命长 故具有一定的使用价值 例如用于制取空调所需的冷水 但这种制冷机所需的工作蒸气的压力高 喷射器的流动损失大 因而效率较低 液体汽化制冷 蒸气喷射式制冷 14 04 2020 18 液体汽化制冷 吸附式制冷 第一章制冷原理 吸附现象根据气体 固体有无化学反应 物理吸附 是气体分子在范德瓦尔力作用下向吸附剂运动 并在吸附势场作用下压缩而在吸附剂内凝聚成液体的过程 没有化学反应 化学吸附 吸附剂和被吸附的气体或液体相互接触时发生了化学反应 形成了化学键 吸附制冷的工作介质是吸附剂 制冷剂工质对 常用的有 活性炭 甲醇 太阳能吸附制冷中应用最广 沸石 水 硅胶 水 金属氢化物 氢 物理吸附 氯化锶 氨 氯化钙 氨 化学吸附 14 04 2020 19 第一章制冷原理 液体汽化制冷 吸附式制冷 包括吸附床 冷凝器和蒸发器 吸附床是充装了吸附剂 沸石 的金属盒 制冷剂液体 水 贮集在蒸发器中 白天 吸附床受到日照加热 沸石温度升高 产生解吸作用 从沸石中脱附出水蒸气 系统内的水蒸气压力上升 达到与环境温度对应的饱和压力时 水蒸气在冷凝器中凝结 同时放出潜热 凝水贮存在蒸发器中 14 04 2020 20 第一章制冷原理 夜间 吸附床冷下来 沸石温度逐渐降低 它吸附水蒸气的能力逐步提高 造成系统内气体压力降低 同时 蒸发器中的水不断蒸发出来 用以补充沸石对水蒸气的吸附 蒸发过程吸热 达到制冷的目的 液体汽化制冷 吸附式制冷 14 04 2020 21 第一章制冷原理 吸附制冷属于液体汽化制冷 与蒸气压缩式制冷机相类比 吸附床起到压缩机的作用 但上述吸附系统只能间歇制冷 吸附床处于吸附过程中产生冷效应 吸附结束后必须有一个解析过程使吸附剂状态还原 这时将停止制冷 为了连续制冷 可以采用两个吸附床 液体汽化制冷 吸附式制冷 14 04 2020 22 第一章制冷原理 吸附制冷的循环速率受吸附床传热传质特性的制约 颗粒状充填的吸附床 其传热过程缓慢 使循环周期拉长 为了提高制冷循环速率 在改善吸附床传热传质方面现采取的主要措施是 1 将导热性好的铝粉和石磨加在吸附剂中 2 将吸附剂成型加工 并烧结在金属壁面上 这样做一来可以提高吸附剂的充填量 增加单位体积的吸附能力 二来可以降低吸附剂与金属壁面之间吸附剂与吸附剂之间的接触热阻 3 增大吸附床金属壁的热交换表面积 液体汽化制冷 吸附式制冷 14 04 2020 23 第一章制冷原理 液体汽化制冷 吸附式制冷 吸附剂 泡沫铝复合吸附材料 使用体积比10 20 的通孔泡沫铝材料为传热骨架 复合沸石颗粒或分子筛颗粒 使其导热性能大幅提高 并具有较高的传质性能 对于使用沸石或分子筛吸附床的吸附式制冷机可以大大减小吸附脱附时间 提高制冷机性能 14 04 2020 24 第一章制冷原理 吸附制冷以热能驱动 可利用低品位热能 不采用氟氯烃 无CFCs问题 无温室效应 对环境友好 结构简单 无运动部件 噪声低 寿命长 适用范围广 但效率低 体积大 目前 吸附制冷已开始工业化生产 并有少量产品进入市场 1 发动机余热驱动的吸附式空调 可用于大客车 中巴和小轿车 火车 2 太阳能吸附式冰箱 液体汽化制冷 吸附式制冷 14 04 2020 25 第一章制冷原理 气体膨胀制冷是利用高压气体的绝热膨胀来达到低温 并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷的 气体膨胀制冷 由于气体绝热膨胀的设备不同 一般有两种方式 一种是将高压气体经膨胀机膨胀 有外功输出 因而气体的温降大 制冷量也大 但膨胀机结构比较复杂 另一种方式是令气体经节流阀膨胀 无外功输出 气体的温降小 制冷量也小 但节流阀的结构比较简单 便于进行气体流量的调节 14 04 2020 26 第一章制冷原理 布雷顿 Brayton 制冷循环又称焦耳 Joule 循环或气体制冷机循环 是以气体为工质的制冷循环 其工作过程包括等熵压缩 等压冷却 等熵膨胀及等压吸热四个过程 这与蒸气压缩式制冷机的四个工作过程相近 两者的区别在于工质在布雷顿循环中不发生集态改变 相变 根据不同的使用目的 工质可以是空气 CO2 N2 He等气体 气体膨胀制冷 布雷顿制冷循环 14 04 2020 27 第一章制冷原理 为了提高制冷效率 通常采用回热循环 所谓回热就是把由冷箱返回的冷气流引入一个热交换器 回热器 用来冷却从冷却器来的高压常温气流 使其温度进一步降低 而从冷箱返回的气流则被加热 温度升高 这样就使压缩机的吸气温度升高 降低压缩机的压力比 气体膨胀制冷 布雷顿制冷循环 14 04 2020 28 第一章制冷原理 1816年斯特林 stirling 提出了一种由两个等温过程和两个等容回热过程组成的闭式热力学循环 称为斯特林循环 也称为定容回热循环 气体膨胀制冷 斯特林制冷循环 14 04 2020 29 第一章制冷原理 等温压缩过程1 2 压缩活塞向左移动而膨胀活塞不动 气体被等温压缩 压缩热经冷却器A传给冷却介质 温度不变 压力升高 同时容积减小 气体膨胀制冷 斯特林制冷循环 定容放热过程2 3 两个活塞同时向左移动 气体的容积保持不变 直至压缩活塞到达左止点 当气体通过回热器R时 将热量传给填料 因而温度下降 同时压力降低 14 04 2020 30 第一章制冷原理 等温膨胀过程3 4 压缩活塞停止在左止点 而膨胀活塞继续向左移动 直至左止点 气体进行等温膨胀 通过冷量换热器C从低温热源吸收热量 容积增大而压力降低 气体膨胀制冷 斯特林制冷循环 定容吸热过程4 1 两个活塞同时向右移动直至右止点 气体容积保持不变 回复到起始位置 当气体流经时回热器填料R时吸热 温度升高 同时压力增加 14 04 2020 31 第一章制冷原理 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 塞贝克 Seebeck 效应 帕尔帖 Peltire 效应和汤姆逊 Thomson 效应 热电制冷 热电制冷又称作温差电制冷 或半导体制冷 它主要是利用热电效应中的帕尔帖效应的一种制冷方法 14 04 2020 32 第一章制冷原理 热电制冷 热电效应 1 塞贝克效应 SeebeckEffect 西伯克效应 1821年 德国人T J Seebeck发现两种不同导体组成的开路中 如果导体的两个结点存在温度差 这开路中将产生电动势E 这就是塞贝克效应 由于塞贝克效应而产生的电动势称作温差电动势 V a T式中 V为温差电动势 a为温差电动势率 塞贝克系数 T为接点之间的温差 热电偶测温及温差发电就是利用塞贝克效应 14 04 2020 33 第一章制冷原理 2 帕尔帖效应 PeltireEffect 1834年 法国人JeanCharlesPeltier发现电流流过两种不同导体的界面时 将从外界吸收热量 或向外界放出热量 这就是帕尔帖效应 由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热 热电制冷 热电效应 对帕尔帖效应的物理解释是 电荷载体在导体中运动形成电流 由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级 当它从高能级向低能级运动时 便释放出多余的能量 相反 从低能级向高能级运动时 从外界吸收能量 能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出 14 04 2020 34 第一章制冷原理 3 汤姆逊效应 ThomsonEffect 1845年 英国物理学家WilliamThomson发现若电流流过有温度梯度的导体时 原由的温度分布将被破坏 为了维持原有的温度分布 导体将吸收或放出热量 这就是汤姆逊效应 由汤姆逊效应产生的热流量称作汤姆逊热 热电制冷 热电效应 14 04 2020 35 第一章制冷原理 4 焦耳效应 JouleEffect 1841年 物理学家Joule发现电流在导体中通过时 产生热量 这就是焦耳效应 由焦耳效应产生的热流量称作焦耳热 热电制冷 热电效应 5 傅立叶效应 FourierEffect 即热传导 在介质中由于存在温度梯度而产生的热量的传输 14 04 2020 36 第一章制冷原理 热电制冷 由于金属材料的帕尔帖效应很弱 因此长久以来热电制冷并未得到发展和应用 到20世纪50年代左右 由于半导体材料帕尔帖效应显著 才随着半导体材料的发展而迅速发展 因此现在也称为半导体制冷 为了获得更低的制冷温度 或更大的温差 可以采用多级热电制冷 它由单级电堆联结而成 前一级的冷端是后一级热端的散热器 14 04 2020 37 第一章制冷原理 热电制冷 由于金属材料的帕尔帖效应很弱 因此长久以来热电制冷并未得到发展和应用 到20世纪50年代左右 由于半导体材料帕尔帖效应显著 才随着半导体材料的发展而迅速发展 因此现在也称为半导体制冷 为了获得更低的制冷温度 或更大的温差 可以采用多级热电制冷 它由单级电堆联结而成 前一级的冷端是后一级热端的散热器 14 04 2020 38 第一章制冷原理 半导体制冷特点 结构简单 对环境要求低 无机械运动部件 无噪音 无磨损 可靠性高 无制冷剂 制冷迅速 切换电流方向既可实现制冷 热转换 调节电流大小即可调节制冷量 大小形状可变 可任意排布 制冷效率低 价格高 而且必须使用直流电源 热电制冷 目前主要应用于 电子器件冷却 精密恒温器 冷冻治疗仪 便携冰箱 高真空冷阱 露点仪 宇航 潜水服等 14 04 2020 39 第一章制冷原理 涡流管制冷 涡流管制冷是使用压缩气体产生涡流运动并分离成冷 热两部分 利用分离出的冷气流即可制冷 1933年 由法国人兰克 GeorgeRanque 首先发明 因此又称兰克管 涡流管结构简单 维护方便 启动快 能达到比较低的温度 其主要缺点是效率低 气流噪声大 故涡流管只宜用于那些不经常使用的小型低温试验设备 14 04 2020 40 第一章制冷原理 涡流管制冷 涡流管由喷嘴 涡流室 孔板 管子和控制阀组成 涡流室将管子分为冷端和热端两部分 孔板在涡流室与冷端管子之间 喷嘴与涡流室相切 热端管子出口处装控制阀 控制阀控制热端管子中气体的压力 从而控制冷暖两股气流的流量和温度 孔板 喷嘴 涡流室 控制阀 14 04 2020 41 第一章制冷原理 涡流管制冷 常温下的压缩气体进入喷嘴 并加速 进入涡流室后产生自由涡旋运动 气体温度上升 沿热端管子移动至热端 热端端口有控制阀 允许外圈部分热气流留出 其余气流反向形成中心低压二次涡流 当两股气流反向运动时 由于角动量守恒 内部小涡旋气流角速度应当增大 但在涡流管内却保持不变 以相同的角速度同一方向旋转 角动量损失 有气体向外圈扩散 相当于气体膨胀 因此温度降低 成为冷气流 而外圈相当于气体压缩 温度升高 成为热气流 14 04 2020 42 第一章制冷原理 涡流管制冷 目前涡流管制冷主要用于 冷风枪 冷却金属切削 钻孔及研磨的车床上 可免掉液体冷冻液 工人的个人冷却电子器件冷却小型低温实验设备 14 04 2020 43 第一章制冷原理 热声制冷技术的理论基础是热声效应 所谓热声效应 是指热和声之间的相互作用 声介质在作机械振荡的同时经历了一个热力学循环过程 在适当条件下 循环的结果将能实现热能与机械能间的相互转换 产生制冷效果 热声制冷是根据热声相互作用 由压力波动引起温度波动 并通过一定装置 板叠 将其增强 从而产生制冷作用 热声制冷 热声制冷是20世纪80年代初才被提出的一种新型制冷方式 14 04 2020 44 第一章制冷原理 热声制冷 基本原理如右图 考察声场中单个气团的热力过程 过程1中气团在压力波的作用下自右向左运动 由于被压缩 体积减小温度上升 并高于板叠温度 因而过程2气团向板叠放热 于是体积继续减小 然后 过程3中气团向右运动 此时气团膨胀 温度降低 且低于板叠温度 因而过程4气团从板叠吸热 从而构成一个制冷循环 把沿板叠长度方向上的气体看作一个传递热量的气团链 这样就可实现从板叠的冷段到热端的热量传递过程 14 04 2020 45 第一章制冷原理 热声制冷 热声制冷机主要由声波发生器 换热器 板叠 共振腔4部分组成 和传统的蒸气压缩式制冷相比它的优点很明显 l 它所用的工质是对环境没有危害作用的惰性气体如氦 氖等 2 结构设计简单紧凑 价格便宜 寿命长 3 运动部件少不需要润滑油 4 没有压缩机 能够实现噪声很小或无声音 但效率较低 能量密度低 14 04 2020 46 第一章制冷原理 热声制冷 热声制冷机声波产生的方式主要有 电磁驱动 包括扬声器和线性电机 热声驱动 包括电加热 废热 燃气 太阳能等 目前已经用于军舰雷达电子系统冷却 太空电子器件冷却 天然气液化 气体分离 家用冰箱等 14 04 2020 47 第一章制冷原理 制冷的基本热力学原理 从热力学角度来说 制冷 热泵系统是利用逆向循环的能量转换系统 按补偿能量的形式 主要的制冷方法可分为两类 以机械能或电能为补偿 如蒸气压缩式 热电式等 以热能为补偿的 如吸收式 吸附式等 制冷机的能量转换关系 a 以电能或机械能驱动的制冷机 b 以热能驱动的制冷机 14 04 2020 48 对于机械或电驱动方式的制冷机引入制冷系数 来衡量 对于热能驱动方式的制冷机 引入热力系数 来衡量 1 2 式中 Q0 制冷机的制冷量 W 制冷机的输入功 Qg 驱动热源向制冷机输入的热量 国际上习惯将制冷系数和热力系数统称为制冷机的性能系数COP CoefficientofPerformance 第一章制冷原理 制冷的基本热力学原理 14 04 2020 49 对于以电能或机械能驱动的制冷机 假定热源为恒温热源 制冷机为可逆循环 根据热力学第一定律有 Q0 W Qa 3 根据热力学第二定律有 4 可逆制冷机的制冷系数为 5 第一章制冷原理 制冷的基本热力学原理 此式说明 两恒温热源间工作的可逆制冷机 其制冷系数只与热源温度有关 而与制冷机使用的制冷剂性质无关 max的值与两热源温度的接近程度有关 二者越接近 则 max越大 反之越小 实际制冷机制冷系数随热源温度的变化趋势与可逆机是一致的 14 04 2020 50 对于以热能驱动的制冷机 假定热源为恒温热源 制冷机为可逆循环 根据热力学第一定律有 Qa Q0 Qg 6 根据热力学第二定律有 7 热能驱动可逆制冷机的热力系数为 8 第一章制冷原理 制冷的基本热力学原理 上式右边第一个因子为工作在Ta和Tc之间的可逆机械制冷机的制冷系数 max 而第二个因子为工作在Tg和Ta之间的可逆热机的热效率 故相当于用一个可逆热机 将驱动热源的热量Qg转换成机械功W 再去驱动一个可逆机械制冷机 14 04 2020 51 第一章制冷原理 制冷的基本热力学原理 上式右边第一个因子为工作在Ta和Tc之间的可逆机械制冷机的制冷系数 max 而第二个因子为工作在Tg和Ta之间的可逆热机的热效率 故相当于用一个可逆热机 将驱动热源的热量Qg转换成机械功W 再去驱动一个可逆机械制冷机 14 04 2020 52 第一章制冷原理 这同时也说明 和 在数量上不具可比性 因为补偿能W与Q的品位不同 同样说明 热能驱动的可逆制冷机的性能系数 或热力系数 也只与热源的温度有关 而与工质的性质无关 Tg越高 驱动热源的品位越高 Ta与Tc越接近 则 max越大 反之越小 制冷的基本热力学原理 14 04 2020 53 第一章制冷原理 制冷的基本热力学原理 对于一个制冷系统 性能系数COP 和 值越大 循环越经济 但性能系数和热源温度有关 因此对于不同制冷机的循环性能进行比较时 必须是同类制冷机在相同的热源工况下 此时 COP大的性能好 对于不同类型的制冷机在不同工况下 如何比较性能的高低 14 04 2020 54 引入制冷循环热力完善度 进行评价 定义为实际制冷机的效率与工作在相同热源下的逆卡诺机的效率之比 对于机械能或电能驱动的制冷机 9 对于热能驱动的制冷机 10 一定热源条件下的制冷机性能系数的最大值COPmax是评价实际制冷机性能的基准值 实际制冷循环总有不可逆损失 而热力完善度 越大 说明循环的热力学的不可逆损失越小 性能就越好 第一章制冷原理 制冷的基本热力学原理 14 04 2020 55 COP和 的区别 第一章制冷原理 制冷的基本热力学原理 COP反映制冷循环中收益能与补偿能之间的在数量上的比值 不涉