第2章 常用制冷方法

1、制冷原理与装置 制冷原理与装置 2.1 气体膨胀制冷 历史上第一次实现的气体制冷机是以空气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熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及等压吸热 四个过程四个过程 这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相 近，近，其区别在于工质在循环过程中不发生其区别在于工质在循环过程中不发生 集态改变集态改变 制冷原理与装置 无回热定压循环气体制冷机的流程图无回热定压循环气体制冷机的流程

2、图 制冷原理与装置 图2-1 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 制冷原理与装置 图2-2 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 制冷原理与装置 气体膨胀制冷机用于低温技术中。脉管制气体膨胀制冷机用于低温技术中。脉管制 冷无低温运动部件，是低温制冷机的发展冷无低温运动部件，是低温制冷机的发展 方向之一。方向之一。 脉管式制冷机适于在高空中应用，还可作脉管式制冷机适于在高空中应用，还可作 红外器件、低温电子器件的冷源。红外器件、

3、低温电子器件的冷源。 采用氮气为工质，可实现氮的液化。采用氮气为工质，可实现氮的液化。 液氮温区脉管制冷机在低温超导和科学实液氮温区脉管制冷机在低温超导和科学实 验中有重要应用。验中有重要应用。 制冷原理与装置 l4.1 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气体制冷剂回复液体状态 利用吸收或吸附方式利用吸收或吸附方式 制冷剂蒸发制冷剂蒸发吸收热量制冷吸收热量制冷 制冷原理与装置 l4.1.1 吸收式制冷工作原理 1吸收式制冷工作原理 图4-1 吸

4、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 制冷原理与装置 l1.1.吸收式制冷吸收式制冷 泵泵 吸吸 收收 器器 换热器换热器 解解 吸吸 器器 蒸发器蒸发器 节流阀节流阀 QL载冷体载冷体 水水 低品低品 位蒸位蒸 汽汽TR QR 冷凝器冷凝器 QH 水水 制冷原理与装置 1.吸收式制冷吸收式制冷 制冷原理与装置 热力系数是吸收式制冷机的效率热力系数是吸收式制冷机的效率 g Q Q e 2）最大热力系数 max g Q Qe cc 2吸收式制冷循环的热力系数和热

5、力完善度吸收式制冷循环的热力系数和热力完善度 制冷原理与装置 l4.1.2 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 l1.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 l2.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，

6、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。 制冷原理与装置 l4.1.2.2 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 制冷原理与装置 l4.1.2.3 常用吸收式制冷循环工质对性质 1.溴化锂-水溶液 制冷原理与装置 溴化锂水溶液的性质溴化锂水溶液的性质 制冷原理与装置 溴化锂水溶液的性质 制冷原理与装置 溴化锂水溶液的性质 制冷原理与装置 溴化锂水溶液的性质 制冷原

7、理与装置 溴化锂水溶液的性质 制冷原理与装置 溴化锂水溶液的性质 制冷原理与装置 吸收式制冷循环吸收式制冷循环 由于它是利用由于它是利用 工质对的质量分数工质对的质量分数 变化，完成制冷剂变化，完成制冷剂 的循环，因而被称的循环，因而被称 为为吸收式制冷吸收式制冷 4.1.3 吸收式制冷循环吸收式制冷循环 制冷原理与装置 l4.1.3.2 溴化锂吸收式制冷机的分类 1. 按用途分类 l1）冷水机组 l2）冷热水机组 l3）热泵机组 2.按驱动热源分类 l1）蒸汽型 l2）直燃型 l3）热水型 3按驱动热源的利用方式分类 l1）单效 l2）双效 l3）多效 制冷原理与装置 l4按溶液循环流程分类

8、 1）串联流程，它又分为两种， l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； l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。 l5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。 制冷原理与装置 l

9、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。单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组的应用系统。 热源回路热源回路 冷却水回路冷却水回路 冷水回路冷水回路 冷剂水回路冷剂水回路 溶液回路溶液回路 制冷原理与装置 l4.1.33 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 制冷原理与装置 制冷原理与装置 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

10、2）节流过程 3）蒸发过程 制冷原理与装置 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双效溴化锂吸收式制冷机工作过程 制冷原理与装置 l2）直燃型 制冷原理与装置 直燃型 制冷原理与装置 制冷原理与装置 l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

11、机组处于最 佳运行状态。 l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。 制冷原理与装置 制冷原理与装置 制冷原理与装置 l4.1.3.4 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

12、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。 制冷原理与装置 l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）

13、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。 制冷原理与装置 l4.2 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

14、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。 制冷原理与装置 l4.2.2 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 制冷原理与装置 l4.2.2.2 蒸汽喷射式制冷循环工作过程 制冷原理与装置 制冷原理与装置 图4-6 蒸汽喷射式制冷系统 1喷射

15、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 制冷原理与装置 图4-7 蒸汽喷射式制冷机理论工作循环的温熵图 制冷原理与装置 l4.3 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 制冷原理与装置 图4-9 沸石太阳能制冷系统原理图 a ）白天脱附 b ）

16、夜间吸附 1沸石密封盒 2冷凝器 3贮水箱（蒸发器） 制冷原理与装置 制冷原理与装置 l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。 制冷原理与装置 l4.4 热电制冷 热电制冷具有其显著特点： l不用制冷剂 l无机械传动

17、部分 l冷却速度和制冷温可任意调节 l可将冷热端互换 l体积和功率都可做得很小 l方便的可逆操作 l可做成家用冰箱，或小型低温冰箱 l可制成低温医疗器具 l可对仪器进行冷却 l可做成零点仪 制冷原理与装置 l4.4.1 热电效应 l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 . 制冷原理与装置 单级热电堆单级热电堆 制冷原理与装置 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

18、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 热电制冷工作原理热电制冷工作原理 制冷原理与装置 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 制冷原理与装置 l4.5 空气膨胀制冷 历史上第一次实现

19、的气体制冷机是以空气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压缩式空气制冷机的工作过程也是包括等等 熵压缩，等压冷却，等熵膨胀熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及及等压吸热等压吸热 四个过程四个过程 这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相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近，其区别在于工质在循环过程中不发生 集态改变集态改变 制冷原理与装置 l4.6 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 制冷原理与装置 4.6 涡流管制冷涡流管制冷 涡流管制冷装置涡流管制冷装置 制冷原理与装置 制冷原理与装置 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