第2章制冷方法

第二章制冷方法,1.按制冷工作原理划分,物质相变（固体融化制冷、固体升华制冷、液体汽化制冷）气体膨胀制冷热电制冷涡流管制冷磁制冷其他新型制冷（热声制冷、氦稀释制冷、化学制冷）,制冷方法分类：,液体汽化制冷：利用液体气化吸热原理。如：蒸汽压缩式制冷蒸汽吸收式制冷蒸汽吸附式制冷蒸汽喷射式制冷,空调用制冷技术属于普通制冷。,2.按制冷技术的温度划分普通制冷120K(-153)深度制冷120-20K低温制冷20-0.3K超低温制冷0.3K,以机械能或电能为补偿如：蒸气压缩式热电式以热能为补偿如：蒸气吸收式蒸气喷射式蒸气吸附式,3.按补偿能量的形式（或驱动方式）,物理方法物质相变的吸热效应制冷1)固体融化制冷2)固体升华制冷3)液体汽化制冷气体膨胀制冷涡流管制冷热电制冷其他形式：热声制冷、磁制冷化学方法,相变制冷的原理,原理：利用物质由质密态到质稀态的相变时的吸热效应达到制冷的目的。固体融化制冷固体升华制冷液体气化制冷,水的相平衡图,标准大气压101325Pa下，纯水冰的融化温度为273.15K,固体相变（融化和升华）,纯水冰融化：融点：0、潜热：335kJ/kg、传热系数与比表面积有关。不足之处：只能制取0以上的温度。(标准大气压下）,冰盐融化：,冰融化吸热盐溶解吸热,能制取0以下的温度,冰盐种类制冷温度冰盐浓度,干冰冷却：三相点：-56.6，0.52MPa三相点以上吸热融化，以下吸热升华，常压下升华温度为-78.5。,常用冰、溶液冰或冰盐的融化过程来吸热降温。以一定数量的固体物质作冷源，作用于被冷却对象，一旦固体全部相变，制冷过程即告结束。所以不能利用固体融化过程来组成制冷循环。近年来，固体相变蓄冷技术在制冷空调中的研究和应用日益广泛。蓄冷目的在于缓解能量供求双方在时间、强度和地点上的不匹配，合理利用能源和减少环境污染。,制冷剂液体在蒸发器内与被冷却对象发生热交换，吸收热量并汽化。低压制冷剂蒸气被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。压缩机排出的高压蒸气进入冷凝器，放出热量传给冷却介质，凝结成高压液体。高压液体经膨胀阀节流，变成低压低温的气、液两相混合物，进入蒸发器。,液体气化制冷蒸汽压缩式制冷,蒸发,升压,冷凝,降压,最广泛应用的制冷机,制冷剂回路：,溶液回路（使用的流体为二元溶液）：,升压,蒸发、冷凝、降压,液体气化制冷蒸汽吸收式制冷,工质对的要求：两种液体互溶性好，且具有不同的沸点。（1）氨水吸收式制冷机：氨为制冷剂水为吸收剂（2）溴化锂吸收式制冷机：水为制冷剂溴化锂为吸收剂,1.发生器2冷凝器3.节流阀4.蒸发皿5吸收皿6.节流阀7.热交换器8.溶液泵,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.如果具备高品位的热源，应选择直燃机或蒸气双效制冷机，其COP可达1.30及以上。,单效蒸气吸收式制冷机,直燃吸收式溴化锂冷热水机，是直接燃烧天然气、城市煤气、液化石油气，柴油作能源，以水/溴化锂作介质的冷热源设备。,世界首台直燃机1968年在日本诞生，从1980年起成为日本、韩国等国的主要空调设备，占该国中央空调市场80%以上的份额。远大1992年开发成功中国首台直燃机，1996年成为全球直燃机产销量最大的企业，至2008年已出口60余个国家，在中、美等国市场占有率为同行之首。,直燃吸收式溴化锂冷热水机,压缩式制冷和吸收式制冷比较,压缩式制冷和吸收式制冷比较,提供的能量不同蒸发压缩式制冷机消耗机械功，吸收式制冷机消耗热能。吸取制冷剂蒸气的方式不同蒸气压缩式用压缩机吸取此蒸气，吸收式制冷机用吸收剂在吸收器内吸取制冷剂蒸气。将低压制冷剂蒸气变为高压蒸气方式不同蒸气压缩式制冷机通过原动机驱动压缩机完成，吸收式制冷机则是通过吸收器、溶液泵、发生器和溶液节流阀完成。,液体气化制冷吸附式制冷,(a)白天脱附,(b)夜间吸附制冷,吸附式制冷,吸附制冷工质对（吸附剂、制冷剂）沸石水硅胶水活性炭甲醇活性炭氨,工质对的状态参数,压缩式制冷循环,吸收式制冷循环,吸附式制冷循环,制冷工质,双组分工质对,固液工质对,间歇型吸附式制冷系统,间歇式吸附式制冷系统（太阳能冰箱）,内燃机车余热驱动吸附式空调器,内燃机车余热驱动吸附式空调器,柴油机烟气余热驱动吸附式制冰机,制冷量:20kgice/h(实际值:3-3.5kW)135马力柴油机活性炭-甲醇双吸附器(48kg活性炭/台)上海交大设计,湖北登封换热器有限公司制造,柴油机烟气余热驱动吸附式制冰机,吸附制冷的特点,利用各种热能驱动，包括锅炉蒸气、燃油蒸气、太阳能和各种废热。大量节约用电，消减空调季节电网峰值负荷。结构简单，运行部件少。以水、氨作为制冷剂，对环境无害。,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。,液体气化制冷蒸汽喷射式制冷,蒸气喷射制冷的特点,以热能为补偿能量的方式，可以使用余热、废热；没有运动部件，运行可靠，使用寿命长；喷射器工作介质和蒸发器的制冷工质都是水，不存在工质分离，设备得到简化。主要用于制取2-20的冷媒水.缺点：所需的工作蒸气的压力高，当工作蒸气压力降低时，效率明显下降。,空气膨胀制冷,等熵膨胀空气制冷机,等熵膨胀制冷的p-v图和T-s图,p,v,3,2,1,4,T,s,T0,TC,1,2,3,4,12绝热压缩,23等压冷却,34等熵膨胀,41等压吸热,气体等熵膨胀制冷（布雷顿制冷循环）,高压气体绝热膨胀时，对膨胀机作功，同时气体的温度降低；通常采用空气作为制冷工质，也可以CO2或者N2等；采用气体吸收显热来实现制冷，由于气体比热容很小，单位容积制冷量很小。主要用于飞机机舱空调和获取零下70以下的低温,气体膨胀制冷原理：采用高压气体膨胀的方法获得低温,等熵膨胀制冷（布雷顿制冷循环）在膨胀机内等熵膨胀，对外输出功，温度降低。绝热节流膨胀（林德循环）经节流阀膨胀，节流前后焓值不变。等温膨胀制冷（斯特林循环）气体等温膨胀的同时，从外界吸热。绝热放气制冷（脉管制冷）绝热放气，容器内的存留气体温度下降。,绝热节流制冷循环林德(Linde)循环,林德循环T-s图,林德循环系统图,定容回热循环/可逆循环（斯特林循环）菲利浦冷机：1954年单级1731963年双级12K-15K1970年三级7.8K,绝热放气制冷,刚性容器中的高压气体在绝热放气时温度降低,利用此效用可以制冷。1)G制冷机制冷情况：单级2277K双级12K三级1077K2)脉管制冷机制冷情况：单级28K（法）23.5K(日本)多级研发中,吉福特麦克马洪（G-M）制冷循环,单级GM制冷机系统,G-M制冷机工作循环,升压过程12等压进气过程23绝热放气过程34等压排气过程41,脉管制冷机,脉管制冷的基本原理是利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而获得低温的。它实质上是西蒙膨胀制冷的种型式。,基本型脉管制冷机结构原理图,热电制冷（温差发电制冷）：利用某种半导体材料的热电效应（即帕尔贴效应）。,载流子,空穴型（P型）：空穴+电子型（N型）：电子-,载流子在半导体中具有的势能高于在金属中的势能,+,-,热电制冷,热电制冷的特点,优点：不需要工质来实现能量的转移，整个装置没有任何机械运动部件；体积小、启动快，使用灵活（冷却速度和制冷度可通过调节工作电流实现）；冷热端可互换。缺点热电制冷的效率低，耗电多，半导体器件价格高，不适宜大规模用冷场合；,热电制冷的应用场合,不宜大规模和大制冷量使用。由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场合，如下：空间探测飞机上的科学仪器电子仪器和医疗机械的制冷装置手提式冰箱，核潜艇的空调装置,车载冰箱冷热杯,卧式冷热冰箱,立式冷热冰箱,半导体恒温试验箱,半导体恒温试验台,半导体冷阱,半导体恒温浴槽,涡流管制冷,1931年兰克发现旋风分离器中旋转的空气流具有低温。1933年Ranque发明了一种装置，使得压缩空气产生涡流、并将气体分成冷热两部分。该装置称为涡流管，又叫兰克管。涡流管是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部分，其中冷气流用来制冷。,涡流管装置的结构,由喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀组成。涡流室将管子分冷端和热端两部分。孔板在涡流室与冷端管子之间，热端管子出口处装控制阀。管外为大气，喷嘴沿涡流室切向布置。,涡流管制冷的特点,机构简单，没有运动部件，操作方便；体积小、重量轻；制冷温度低；启动时间短；工质廉价易得；噪声大、效率低，应用受到限制；适用于空间较小容易获得压缩空气的场合。,热声制冷,热声效应(ThermoacousticEffect)声波在空气中传播时会产生压力及位移的波动。声波的传播也会引起温度的波动。当声波所引起的压力、位移及温度的波动与一固体边界相作用时，就会发生明显的声波能量与热能的转换，这就是热声效应。,1986年，Hofler在他的博士论文中设计并制作了一实验热声制冷机。这是世界上第一台有效的热声制冷机，它以扬声器驱动发声，在3W的热负荷下，其制冷系数达到卡诺系数的12%，制冷温度可达-50。,热声制冷原型机展出,磁制冷,磁制冷是在顺磁体绝热去磁过程中获得冷效应的。,低温磁制冷（以下）磁制冷卡诺循环是由以下四个过程组成：:等温磁化（排放热量）:绝热退磁（温度降低）:等温退磁（吸收热量制冷）:绝热磁化（温度升高）,12：等温磁化（排热）,23：等磁场过程（温度降低）,34：等温退磁（吸热制冷）,41：等磁过程（温度上升）,高温磁制冷（20K以上）,电化学制冷,利用化学反应伴随的热效应也可以制冷负极板上发生氧化反应放热正极板上发生还原反应吸热制冷的方式方法很多；任何伴随有吸热的物理现象原则上都有可能用来制冷本书主要讲蒸汽压缩式、吸收式制冷方式,合适的制冷温度和制冷量范围消耗能量的形式运行安全性和可靠性环境保护系统初投资运行管理费用,各种制冷方法及其特点,从热力学角度，制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统；按照补偿能量的方式，归纳为两大类，以机械能或电能为补偿和以热能为补偿的。前者如蒸气压缩式、热电式制冷；后者如吸收、蒸气喷射、吸附式制冷机等。,机械或电驱动制冷机制冷系数热能驱动制冷机热力系数。,1.性能系数COP(CoefficienceofPerformance),动力装置和制冷装置工作原理比较a-动力循环b-制冷循环,2.逆卡诺循环（制冷循环）,1）实现逆卡诺循环必须具备的条件：,高、低温热源温度恒定；工质与外界热源之间无传热温差；工质流经各个设备时无内部不可逆损失；必要设备是压缩机、冷凝器、膨胀机和蒸发器。,（1）绝热压缩(12)：T0升至Tk，外界输入功w；（2）等温冷凝(23)：在等温Tk向高温热源放出qk；（3）绝热膨胀(34)：Tk降至T0，膨胀机输出功we；（4）等温蒸发(41)：等温T0吸收低温热源中q0。,2）逆卡诺循环的热力过程：,制冷系数大小只取决于两个热源的温度；T0或Tk,4）结论：,逆卡诺循环难以实现：无温差的传热过程难以实现；膨胀机等熵膨胀不经济；湿压缩不利于压缩机正常工作,3.机械(电)能驱动的制冷循环,由热力学第二定律，在两个恒温热源间工作的可逆机，一个循环的熵增等于零，即,则有：,由热力学第一定律有,两恒温热源间工作的可逆制冷机，制冷系数只与热源温度Ta、T0有关，而与制冷机使用的制冷剂性质无关。,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。,制冷系数与两热源温度的接近程度有关，Ta与T0越接近（Ta/T0越小），则越大；反之越小。,4.热能驱动制冷循环,对于以热能驱动的制冷机，制冷机从驱动热源（温度为Tg）吸收热量Qg作为补偿，完成从低温热源吸热，向高温热源排热的能量转换。,热力学第一定律,热力学第二定律,则有：,工作在Ta、T0可逆机械制冷机的制冷系数,工作在Ta、Tg之间的可逆热机机的热效率,4.热力完善度,热能驱动的制冷机,机械能或电能驱动的制冷机,越大，说明循环越好，热力学的不可逆损失越小；越小，则说明循环中热力学不可逆损失越大。,工作于相同温度的实际制冷循环的制冷系数与逆卡诺循环制冷系数的比值,性能系数COPCOP反映制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值。不涉及二者的能量品位。COP的数值可能大于1、小于1或等于1。实际制冷机：工作温度、制冷剂性质和制冷机等效率可逆制冷机：热源温度相同热源条件的同类制冷机热力完善度反映制冷机循环臻于热力学完善（可逆循环）的程度。1任意两台制冷机，无论它们是否同类机，也无论它们的热源条件相同或是不同。,性能系数COP与热力完善度关系,机械能或者电能驱动的制冷机,热能驱动的制冷机,性能系数COP和热力完善度都是反映制冷经济循环性的指标，COP着眼于热力学第一定律，